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摘要：為了解決行動(dòng)不便人群的一些日常問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于PAJ7620的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)采用PAJ7620手勢(shì)傳感器為數(shù)據(jù)采集器，經(jīng)Arduino處理后控制房間中照明燈的亮滅、房門的自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉、同時(shí)在液晶顯示器顯示各終端的工作狀態(tài)。經(jīng)實(shí)測(cè)運(yùn)行效果良好，該控制系統(tǒng)可以應(yīng)用于智能家居，醫(yī)院等場(chǎng)合。

關(guān)鍵詞：Arduino；手勢(shì)識(shí)別；遠(yuǎn)程控制

0引言

在日常生活中，癱瘓、臥床、行動(dòng)不便的患者獨(dú)自一人在家時(shí)，當(dāng)有客人到訪，他們無(wú)法快速地開(kāi)門，日常照明燈的點(diǎn)亮和熄滅也是需要幫助患者解決的實(shí)際問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款可遠(yuǎn)程控制房門和照明燈的智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，由手勢(shì)識(shí)別數(shù)據(jù)采集器和智能終端的結(jié)合制作的智能控制系統(tǒng)可以很好地解決疾病患者的生活困難，無(wú)形中保護(hù)他們的身體健康。

1系統(tǒng)總體方案

本設(shè)計(jì)選用ArduinoMEGA2560電路板作為主控芯片，使用者通過(guò)手勢(shì)識(shí)別傳感器來(lái)采集數(shù)據(jù)信息，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)Arduino處理后確定將要執(zhí)行的操作。例如當(dāng)聽(tīng)到有人來(lái)訪時(shí)通過(guò)手勢(shì)識(shí)別傳感器傳輸信號(hào)給控制系統(tǒng)，最后通過(guò)步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制房門開(kāi)啟和關(guān)閉，顯示器則實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前手勢(shì)識(shí)別的狀態(tài)。

2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1ArduinoMEGA2560電路板

ArduinoMEGA2560電路板的處理器核心是ATmega2560，它具有4路UART端口、6路外部中斷、16路模擬端口、54路數(shù)字端口、可自動(dòng)選擇三種供電方式。串口通信引腳中RXD和TXD是用于數(shù)據(jù)的發(fā)送和數(shù)據(jù)的接收，四路串行數(shù)據(jù)的串行引腳分別為：串口0—引腳0和引腳1、串口1—引腳19和引腳18、串口2—引腳17和引腳16、串口3—引腳15和引腳14。數(shù)字端口的工作電壓為5V，每一個(gè)端口通過(guò)的最大電流為40mA，同時(shí)每一個(gè)端口都連接一個(gè)上拉電阻。6路外部中斷依次端口為：引腳2、引腳3、引腳21、引腳20、引腳19、引腳18。這六種中斷引腳都是可以通過(guò)多種方式產(chǎn)生中斷，即為中斷引腳提供低電平、下降沿、上升沿、改變值。16路模擬端口：分別標(biāo)記為A0-A15，這部分引腳也可以作為數(shù)字I/O引腳，每個(gè)引腳分別率為0到1024，可以通過(guò)AREF和analogReference（）函數(shù)更改分辨率的上限值，通過(guò)的電壓為0到5V。

2.2數(shù)據(jù)采集模塊

2.2.1手勢(shì)識(shí)別的概述

如今計(jì)算機(jī)已經(jīng)完全融入了這個(gè)社會(huì)，各行各業(yè)都涉及到了計(jì)算機(jī)的使用，而人與計(jì)算機(jī)的交流將是未來(lái)的必然趨勢(shì)，傳統(tǒng)的交流方式已經(jīng)無(wú)法繼續(xù)滿足人們的生活需求。人機(jī)交互的屏幕由黑白二色發(fā)展到了還原度極高的的彩色屏幕，計(jì)算機(jī)的功能也從當(dāng)初簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算發(fā)展到了如今各種線上貿(mào)易。作為人機(jī)交互主流的鼠標(biāo)鍵盤已經(jīng)漸漸地開(kāi)始限制人們的應(yīng)用體驗(yàn)，所以我們需要新一代的交互方式，我們需要一種自由，體驗(yàn)感超強(qiáng)的交流方式，所以手勢(shì)識(shí)別的研究開(kāi)始登上當(dāng)今社會(huì)的舞臺(tái)?；趥鞲衅鞯氖謩?shì)識(shí)別主要分為兩大類，接觸式和非接觸式。接觸式的實(shí)現(xiàn)方法主要是手掌與多種傳感器相連接的識(shí)別方式，如基于慣性傳感器的手勢(shì)識(shí)別方式。非接觸式的實(shí)現(xiàn)方法主要是基于視覺(jué)、超聲波、電磁波和紅外線等識(shí)別方式。目前為止手勢(shì)識(shí)別的熱點(diǎn)算法則是基于圖像處理的動(dòng)態(tài)手勢(shì)識(shí)別，該類算法需要高精度的檢測(cè)和需要擁有強(qiáng)大計(jì)算能力的圖形處理處理器，所以普通的智能玩具、智能家居并不適合這類算法，實(shí)用性太低。本設(shè)計(jì)采用基于紅外傳感器的PAJ7620手勢(shì)檢測(cè)算法，識(shí)別錯(cuò)誤率低、實(shí)用性較強(qiáng)、同時(shí)價(jià)格適中。

2.2.2PAJ7620的工作原理

紅外傳感器LED陣列如圖3所示，紅外傳感器四周分別放置一個(gè)紅外發(fā)光二極管，分別記為D1、D2、D3、D4，紅外接收器位于二極管的正中心，采用這種方式是為了避免識(shí)別過(guò)程中出現(xiàn)檢測(cè)死角。當(dāng)無(wú)手勢(shì)進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域時(shí)，紅外接收器則不會(huì)接收到任何的輸入信號(hào)，此時(shí)的輸出電壓的幅值為±0�002V。當(dāng)有手勢(shì)進(jìn)入可檢測(cè)范圍時(shí)，紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光將會(huì)反射到紅外接收器，從而形成光強(qiáng)反差，經(jīng)過(guò)ADC的轉(zhuǎn)換將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，隨后將數(shù)據(jù)存入指定的寄存器。以D1為例，手掌越靠近光源，紅外接收器檢測(cè)到的光信號(hào)越強(qiáng)，即輸出的電信號(hào)越強(qiáng)，反之電信號(hào)即為減弱。

2.2.3PAJ7620的測(cè)試結(jié)果

為了測(cè)試LED陣列識(shí)別手勢(shì)的可靠性，所以對(duì)定義的九種手勢(shì)進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試，計(jì)算識(shí)別的準(zhǔn)確率。基于檢測(cè)思路的方法，將檢測(cè)同樣進(jìn)行分類識(shí)別，接近類（靠近和遠(yuǎn)離）、揮動(dòng)類（上、下、左、右、波動(dòng)）、旋轉(zhuǎn)類（順時(shí)針和逆時(shí)針）。實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)每種手勢(shì)測(cè)量次數(shù)為100次，測(cè)試的最終結(jié)果如表1所示。九種手勢(shì)的平均識(shí)別率為92�9%，從表1可得知該數(shù)據(jù)采集方式的準(zhǔn)確率和識(shí)別效率都比較高，但是單個(gè)分析可得出對(duì)于旋轉(zhuǎn)類的檢測(cè)誤差相對(duì)最大。因?yàn)樾D(zhuǎn)類的手勢(shì)檢測(cè)時(shí)手指和手掌以及手臂之間的有較大面積，導(dǎo)致檢測(cè)時(shí)對(duì)于距離的檢測(cè)具有較大的誤差，進(jìn)而為識(shí)別的準(zhǔn)確性帶來(lái)更大的難度。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1主程序的設(shè)計(jì)

手勢(shì)識(shí)別函數(shù)首先要確定手勢(shì)的進(jìn)入時(shí)間、退出時(shí)間、以及識(shí)別時(shí)間，設(shè)置時(shí)單位統(tǒng)一采用ms，識(shí)別時(shí)間和進(jìn)入時(shí)間與系統(tǒng)識(shí)別的反應(yīng)速度是成反比的，時(shí)間越短反應(yīng)速度就越快，同時(shí)識(shí)別速度和準(zhǔn)確率也是成反比。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，最終確定進(jìn)入時(shí)間和識(shí)別時(shí)間為800ms，退出時(shí)間為1000ms。流程圖如圖4所示，Arduino程序首先進(jìn)入的是Setup（）函數(shù)，該函數(shù)的目的是進(jìn)行Arduino的初始化，如庫(kù)函數(shù)的調(diào)用，配置串口，波特率設(shè)置等，Setup（）函數(shù)只會(huì)執(zhí)行一次。接著就是執(zhí)行l(wèi)oop（）函數(shù)，該函數(shù)會(huì)不停地循環(huán)執(zhí)行，也可看做Arduino自帶的循環(huán)函數(shù)。如果沒(méi)有l(wèi)oop函數(shù)和Setup函數(shù)，Arduino也是無(wú)法通過(guò)編譯的。手勢(shì)識(shí)別傳感器會(huì)有九種輸出，所以選擇switch（）語(yǔ)句比較合適，函數(shù)中使用到的PAJ7620ReadReg函數(shù)為傳感器頭文件里面已經(jīng)定義好的函數(shù)，該函數(shù)是用來(lái)讀取傳感器返回的數(shù)據(jù)。傳感器庫(kù)函數(shù)內(nèi)部已經(jīng)定義了將會(huì)使用到的各種函數(shù)，使用時(shí)只需要調(diào)用就可以完成使用，PAJ7620中主要定義的函數(shù)為ReadReg函數(shù)（讀取函數(shù)）與WriteReg函數(shù)（寫入函數(shù)）。檢測(cè)靠近手勢(shì)或者遠(yuǎn)離手勢(shì)時(shí)，有很大的可能性首先檢測(cè)到的手勢(shì)會(huì)是來(lái)自上、下、左、右四個(gè)方向其中的一個(gè)，因此當(dāng)檢測(cè)到上、下、左、右這四種手勢(shì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的檢測(cè)，判斷是否為靠近或者遠(yuǎn)離手勢(shì)。例如：手掌從左側(cè)向進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域，此時(shí)第一個(gè)檢測(cè)結(jié)果將是“右”，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入檢測(cè)等待延時(shí)，在800ms中如果檢測(cè)到靠近手勢(shì)，則證明使用者需要輸入的指令為“靠近”指令，同理；如果800ms的檢測(cè)時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到遠(yuǎn)離手勢(shì)則證明使用者需要輸入的指令為“遠(yuǎn)離”指令。在檢測(cè)時(shí)間內(nèi)如果沒(méi)有靠近手勢(shì)或者遠(yuǎn)離手勢(shì)則最終輸出“右”手勢(shì)。同理“上”、“下”、“左”三種手勢(shì)都是如“右”手勢(shì)一樣的檢測(cè)思路。

3.2相關(guān)子程序的設(shè)計(jì)

當(dāng)Arduino通過(guò)分析確認(rèn)使用者的手勢(shì)后將進(jìn)入相應(yīng)的子程序，在程序里已經(jīng)定義了照明燈與步進(jìn)電機(jī)的子程序，在子程序進(jìn)行使用者想要的操作。表2所示為本設(shè)計(jì)通過(guò)手勢(shì)識(shí)別控制的終端以及控制方法。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)子程序中定義當(dāng)檢測(cè)到靠近手勢(shì)，電機(jī)開(kāi)始正轉(zhuǎn)固定圈數(shù)，代表房門開(kāi)啟，等待固定時(shí)間，電機(jī)開(kāi)始反轉(zhuǎn)，代表房門自動(dòng)關(guān)閉。照明燈子程序中定義，以LED1為例，當(dāng)?shù)谝淮螜z測(cè)到“左”時(shí)，判斷指定變量為奇數(shù)還是偶數(shù)，因變量初始值設(shè)置為0，所以判斷為偶數(shù)，即LED1點(diǎn)亮，此時(shí)指定變量自加1變?yōu)槠鏀?shù)，當(dāng)再次檢測(cè)到“左”，判斷變量為奇數(shù)控制LED1熄滅。同理LED2和LED3的控制方式也為如此。當(dāng)檢測(cè)到有控制終端時(shí)顯示器同樣會(huì)有相應(yīng)的顯示，當(dāng)LED燈點(diǎn)亮?xí)r，顯示器顯示點(diǎn)亮結(jié)果，當(dāng)LED燈熄滅時(shí)同樣顯示熄滅結(jié)果，當(dāng)需要控制房門時(shí)顯示開(kāi)啟和關(guān)閉。檢測(cè)到?jīng)]有控制終端時(shí)，顯示器顯示指令無(wú)效，同時(shí)空指令也為未來(lái)系統(tǒng)的擴(kuò)展留下空間，用于為疾病患者提供更好的幫助。

4結(jié)論

通過(guò)一系列的仿真調(diào)試，最后組裝實(shí)物進(jìn)行測(cè)試達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以用手勢(shì)控制房門的開(kāi)啟和照明燈的亮滅，從而解決了行動(dòng)不便人群的一些實(shí)際問(wèn)題，同時(shí)該系統(tǒng)也可用于我們?nèi)粘＜揖拥葓?chǎng)合。

作者:李娣娜 劉強(qiáng) 馬惠鋮 單位:延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院 西北工業(yè)集團(tuán)有限公司