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摘要：為了解決行動不便人群的一些日常問題，設(shè)計了一種基于PAJ7620的遠程控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)采用PAJ7620手勢傳感器為數(shù)據(jù)采集器，經(jīng)Arduino處理后控制房間中照明燈的亮滅、房門的自動開啟和關(guān)閉、同時在液晶顯示器顯示各終端的工作狀態(tài)。經(jīng)實測運行效果良好，該控制系統(tǒng)可以應(yīng)用于智能家居，醫(yī)院等場合。

關(guān)鍵詞：Arduino；手勢識別；遠程控制

0引言

在日常生活中，癱瘓、臥床、行動不便的患者獨自一人在家時，當有客人到訪，他們無法快速地開門，日常照明燈的點亮和熄滅也是需要幫助患者解決的實際問題。針對這些問題，設(shè)計了一款可遠程控制房門和照明燈的智能遠程控制系統(tǒng)，由手勢識別數(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，無形中保護他們的身體健康。

1系統(tǒng)總體方案

本設(shè)計選用ArduinoMEGA2560電路板作為主控芯片，使用者通過手勢識別傳感器來采集數(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。例如當聽到有人來訪時通過手勢識別傳感器傳輸信號給控制系統(tǒng)，最后通過步進電機來控制房門開啟和關(guān)閉，顯示器則實時顯示當前手勢識別的狀態(tài)。

2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

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，每一個端口通過的最大電流為40mA，同時每一個端口都連接一個上拉電阻。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：分別標記為A0-A15，這部分引腳也可以作為數(shù)字I/O引腳，每個引腳分別率為0到1024，可以通過AREF和analogReference（）函數(shù)更改分辨率的上限值，通過的電壓為0到5V。

2.2數(shù)據(jù)采集模塊

2.2.1手勢識別的概述

如今計算機已經(jīng)完全融入了這個社會，各行各業(yè)都涉及到了計算機的使用，而人與計算機的交流將是未來的必然趨勢，傳統(tǒng)的交流方式已經(jīng)無法繼續(xù)滿足人們的生活需求。人機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，計算機的功能也從當初簡單的數(shù)學(xué)運算發(fā)展到了如今各種線上貿(mào)易。作為人機交互主流的鼠標鍵盤已經(jīng)漸漸地開始限制人們的應(yīng)用體驗，所以我們需要新一代的交互方式，我們需要一種自由，體驗感超強的交流方式，所以手勢識別的研究開始登上當今社會的舞臺。基于傳感器的手勢識別主要分為兩大類，接觸式和非接觸式。接觸式的實現(xiàn)方法主要是手掌與多種傳感器相連接的識別方式，如基于慣性傳感器的手勢識別方式。非接觸式的實現(xiàn)方法主要是基于視覺、超聲波、電磁波和紅外線等識別方式。目前為止手勢識別的熱點算法則是基于圖像處理的動態(tài)手勢識別，該類算法需要高精度的檢測和需要擁有強大計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，實用性太低。本設(shè)計采用基于紅外傳感器的PAJ7620手勢檢測算法，識別錯誤率低、實用性較強、同時價格適中。

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別過程中出現(xiàn)檢測死角。當無手勢進入檢測區(qū)域時，紅外接收器則不會接收到任何的輸入信號，此時的輸出電壓的幅值為±0�002V。當有手勢進入可檢測范圍時，紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光將會反射到紅外接收器，從而形成光強反差，經(jīng)過ADC的轉(zhuǎn)換將光強信號轉(zhuǎn)換為電信號，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，紅外接收器檢測到的光信號越強，即輸出的電信號越強，反之電信號即為減弱。

2.2.3PAJ7620的測試結(jié)果

為了測試LED陣列識別手勢的可靠性，所以對定義的九種手勢進行重復(fù)性測試，計算識別的準確率。基于檢測思路的方法，將檢測同樣進行分類識別，接近類（靠近和遠離）、揮動類（上、下、左、右、波動）、旋轉(zhuǎn)類（順時針和逆時針）。實驗測試時每種手勢測量次數(shù)為100次，測試的最終結(jié)果如表1所示。九種手勢的平均識別率為92�9%，從表1可得知該數(shù)據(jù)采集方式的準確率和識別效率都比較高，但是單個分析可得出對于旋轉(zhuǎn)類的檢測誤差相對最大。因為旋轉(zhuǎn)類的手勢檢測時手指和手掌以及手臂之間的有較大面積，導(dǎo)致檢測時對于距離的檢測具有較大的誤差，進而為識別的準確性帶來更大的難度。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1主程序的設(shè)計

手勢識別函數(shù)首先要確定手勢的進入時間、退出時間、以及識別時間，設(shè)置時單位統(tǒng)一采用ms，識別時間和進入時間與系統(tǒng)識別的反應(yīng)速度是成反比的，時間越短反應(yīng)速度就越快，同時識別速度和準確率也是成反比。通過大量的實驗測試，最終確定進入時間和識別時間為800ms，退出時間為1000ms。流程圖如圖4所示，Arduino程序首先進入的是Setup（）函數(shù)，該函數(shù)的目的是進行Arduino的初始化，如庫函數(shù)的調(diào)用，配置串口，波特率設(shè)置等，Setup（）函數(shù)只會執(zhí)行一次。接著就是執(zhí)行l(wèi)oop（）函數(shù)，該函數(shù)會不停地循環(huán)執(zhí)行，也可看做Arduino自帶的循環(huán)函數(shù)。如果沒有l(wèi)oop函數(shù)和Setup函數(shù)，Arduino也是無法通過編譯的。手勢識別傳感器會有九種輸出，所以選擇switch（）語句比較合適，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)是用來讀取傳感器返回的數(shù)據(jù)。傳感器庫函數(shù)內(nèi)部已經(jīng)定義了將會使用到的各種函數(shù)，使用時只需要調(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)）。檢測靠近手勢或者遠離手勢時，有很大的可能性首先檢測到的手勢會是來自上、下、左、右四個方向其中的一個，因此當檢測到上、下、左、右這四種手勢時應(yīng)進行進一步的檢測，判斷是否為靠近或者遠離手勢。例如：手掌從左側(cè)向進入檢測區(qū)域，此時第一個檢測結(jié)果將是“右”，此時系統(tǒng)進入檢測等待延時，在800ms中如果檢測到靠近手勢，則證明使用者需要輸入的指令為“靠近”指令，同理；如果800ms的檢測時間內(nèi)檢測到遠離手勢則證明使用者需要輸入的指令為“遠離”指令。在檢測時間內(nèi)如果沒有靠近手勢或者遠離手勢則最終輸出“右”手勢。同理“上”、“下”、“左”三種手勢都是如“右”手勢一樣的檢測思路。

3.2相關(guān)子程序的設(shè)計

當Arduino通過分析確認使用者的手勢后將進入相應(yīng)的子程序，在程序里已經(jīng)定義了照明燈與步進電機的子程序，在子程序進行使用者想要的操作。表2所示為本設(shè)計通過手勢識別控制的終端以及控制方法。電機轉(zhuǎn)動子程序中定義當檢測到靠近手勢，電機開始正轉(zhuǎn)固定圈數(shù)，代表房門開啟，等待固定時間，電機開始反轉(zhuǎn)，代表房門自動關(guān)閉。照明燈子程序中定義，以LED1為例，當?shù)谝淮螜z測到“左”時，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點亮，此時指定變量自加1變?yōu)槠鏀?shù)，當再次檢測到“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。當檢測到有控制終端時顯示器同樣會有相應(yīng)的顯示，當LED燈點亮?xí)r，顯示器顯示點亮結(jié)果，當LED燈熄滅時同樣顯示熄滅結(jié)果，當需要控制房門時顯示開啟和關(guān)閉。檢測到?jīng)]有控制終端時，顯示器顯示指令無效，同時空指令也為未來系統(tǒng)的擴展留下空間，用于為疾病患者提供更好的幫助。

4結(jié)論

通過一系列的仿真調(diào)試，最后組裝實物進行測試達到設(shè)計要求，可以用手勢控制房門的開啟和照明燈的亮滅，從而解決了行動不便人群的一些實際問題，同時該系統(tǒng)也可用于我們?nèi)粘＜揖拥葓龊稀?/p>

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