基于手勢識別的智能家居系統(tǒng)

沈宏宇，顧儀潔，仲崇喜，楊楠

（東南大學(xué)成賢學(xué)院，江蘇南京，211800）

0 引言

為了解決智能家居行業(yè)中用戶交互體驗不佳和操作復(fù)雜等問題，本文將基于單片機的手勢控制技術(shù)，獲取手勢數(shù)據(jù)從而控制簡單的家庭常用器件。該系統(tǒng)操作簡單，能通過簡單的手勢實現(xiàn)對窗簾、風(fēng)扇和照明燈等的控制。

1 項目介紹

■1.1 項目研究背景

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們的消費能力和生活水平日益提高，因而人們不再滿足于傳統(tǒng)家居，開始追求舒適安全、智能便捷的居住環(huán)境。市面上也出現(xiàn)了不少智能化、便利化的家電設(shè)備，但是部分存在操作復(fù)雜、價格昂貴、實用性不強等問題。智能家居在滿足年輕人對生活品質(zhì)的追求的同時，也要兼顧老年人對于智能家居使用的可行性。而手勢識別本身具有注重用戶體驗的優(yōu)點，它既符合智能發(fā)展的變化趨勢，又能很好地適應(yīng)中國的人口老齡化市場。

■1.2 項目研究的目標(biāo)

結(jié)合研究背景，在技術(shù)、資金允許的前提下如何將一些實用的創(chuàng)新性元素有效的有機結(jié)合為本次項目的研究目標(biāo)及主要方向。主要目標(biāo)暫定為實現(xiàn)智能家居照明控制系統(tǒng)、智能家居電器控制系統(tǒng)、智能家居窗簾控制系統(tǒng)、門的智能開關(guān)系統(tǒng)。通過一定的統(tǒng)籌管理，讓用戶體驗智能家居給生活帶來的便捷、舒適、安全。

■1.3 項目特色

區(qū)別于市面上現(xiàn)有的一些智能家居系統(tǒng)，它摒棄了遙控器等按實體鍵來操縱家電的控制方法，而是采用了手勢識別，讓機器識別用戶的手勢，根據(jù)采集到的用戶的不同手勢實現(xiàn)對各個家電設(shè)備的控制。

在日常生活中，窗簾通常是用來遮光和保護(hù)個人隱私，但是傳統(tǒng)的窗簾需要用戶手動去拉上、拉開，特別是對于居家空間比較大的用戶來說，每天需要通過人力來控制長而重的窗簾是一件麻煩的事情，這也大大降低了生活質(zhì)量，而對于那些行動不便的獨居老人來說，手動窗簾就顯得更加麻煩，甚至可能會產(chǎn)生安全隱患。而就燈光控制系統(tǒng)來說，現(xiàn)在家庭大多用的還是一鍵一燈的控制系統(tǒng)，對于房間較多的家庭或者空間來說開關(guān)燈就顯得異常麻煩?；谝陨戏N種因素，本次項目從智能家居方面著手，基于手勢識別進(jìn)行研究，期待能夠改變現(xiàn)狀，以達(dá)到便利現(xiàn)代社會生活的目的，從而提高人們的生活質(zhì)量。

■1.4 項目總體設(shè)計

基于手勢識別的智能家居系統(tǒng)采用C 語言編寫，采用模塊化設(shè)計。本項目的設(shè)計流程是：根據(jù)識別用戶產(chǎn)生是手勢指令控制不同模塊的功能。

圖1 總體設(shè)計圖

■1.5 系統(tǒng)使用步驟

用戶連接電源，開啟系統(tǒng)，用戶在手勢傳感器上方做出相應(yīng)的手勢，若手勢識別正確，則對應(yīng)的家電設(shè)備會運行；若手勢識別錯誤，則需要用戶重新做手勢直至識別正確。

2 智能家居系統(tǒng)的硬件設(shè)計

■2.1 STM32 單片機

為了實現(xiàn)手勢識別的通信功能，本文使用的處理器STM32 單片機的型號為STM32F103C8T6，它是一款基于ARM Cortex-M 內(nèi)核的STM32 系列的32 位的微控制器，他的程序存儲器容量一般是64KB。

■2.2 手勢識別模塊

在手勢識別模塊中，在實現(xiàn)捕捉識別手勢的功能方面，本設(shè)計選用PAJ7620 傳感器。它可以實現(xiàn)9 種基本手勢，包括上、下、左、右、順時針轉(zhuǎn)圈和逆時針轉(zhuǎn)圈等，并支持手勢的不斷輸出。其使用I2C 通信接口，僅需兩根信號腳即可控制。它具有識別速度快，識別準(zhǔn)確性高和抗干擾能力強等優(yōu)點。另外，還具備內(nèi)置紅外LED 和光學(xué)鏡頭，能在低光和黑暗環(huán)境下工作。在低耗能方面也有不錯的表現(xiàn)。

圖2 STM32F103C8T6 原理圖

圖3 PAJ7620 原理圖

■2.3 顯示模塊

設(shè)計使用型號為4 針I(yè)2C 型的0.96 寸OLED 顯示器，來顯示傳感器捕捉到的手勢，根據(jù)顯示器中手勢可以判斷所輸入的指令的正確性。OLED 由于同時具備自發(fā)光，不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構(gòu)造及制程較簡單等優(yōu)異之特性，被認(rèn)為是下一代的平面顯示器新興應(yīng)用技術(shù)。

圖4 顯示屏外觀

■2.4 控制模塊

本設(shè)計采用型號為SRA-05VDC-CL 的小型電磁繼電器實現(xiàn)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制和自動化控制電路的功能，保護(hù)電路和設(shè)備。

圖5 繼電器外觀

3 智能家居系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件部分主要通過系統(tǒng)初始化、顯示器顯示、手勢識別、繼電器控制來實現(xiàn)。手勢識別傳感器采集手勢動作，根據(jù)采集到的相應(yīng)的手勢信息執(zhí)行門、燈、窗簾、風(fēng)扇這些設(shè)備的打開和關(guān)閉。

圖6 手勢識別的流程圖

4 功能測試

測試員將手放在PAJ7620 傳感器正上方，通過上、下、左、右、順時針、逆時針揮動手指來達(dá)到控制效果，本設(shè)計實現(xiàn)的手勢識別的功能有：

（1）上—打開

（2）下—燈關(guān)閉

（3）左—風(fēng)扇打開

（4）右—風(fēng)扇關(guān)閉

（5）順時針—窗簾拉開

（6）逆時針—窗簾合上

圖7 手勢示意圖

5 總結(jié)

本設(shè)計完成了基于手勢識別的智能家居系統(tǒng)，主要通過手勢識別模塊來采集用戶的手勢，傳到STM32 處理器來控制對應(yīng)的家電設(shè)備，并且配置了微信小程序的方式來控制家電設(shè)備。本設(shè)計突破了傳統(tǒng)的家居模式，實現(xiàn)了智能化、便利化，也體現(xiàn)了“科技改變生活”的理念。當(dāng)下，人口老齡化的問題日益凸顯，本設(shè)計也為老人提供了生活便捷，也讓老人享受到安全、舒適的居住環(huán)境，感受到科技改變生活方式、科技提高生活質(zhì)量。