CN110138641A - 一种智能手势识别装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能手势识别装置，包括：控制器、显示屏、传感器设备、测试区、舵机、语音播放模块、继电器、音响、风扇和电源模块；所述电源模块用于为所述控制器、显示屏、舵机、音响和风扇供电；所述控制器与所述显示屏连接；所述传感器设备包括：分别与所述控制器连接的电容传感器、温湿度传感器、气体感应器和烟雾传感器所述控制器还与所述舵机、语音播放模块、继电器、音响和风扇连接；其中：所述电容传感器一端与所述控制器连接，另一端与所述测试区的至少一个金属板连接。本发明可实现用手势识别对智能家居模式、智能厨房模式以及智能娱乐模式的控制，通过手势识别对模式进行控制以及对某些意外事故进行预防。
Description
技术领域
本发明涉及智能家庭技术领域，特别涉及一种智能手势识别装置。
背景技术
自20世纪80年代以来，4位的单片机出现并且以飞快速度发展，经历了多个发展阶段，单片机以其性能强大、占用的空间较小、工作中可靠性较高、造价成本低和使用开发周期短等优点，成为了机械自动化控制和各个信息检测领域中经常出现应用的元器件，在工业生产和人们的生活中扮演着越来越突出的角色。各种各样的产品只要使用了单片机，就能实现使产品焕然一新的功能，产品的名字前也常加修饰词“智能”，如智能冰柜、智能微波炉、智能电视等。新技术革命开始之后，整个世界从原子时代走向信息时代，在对信息进行处理的时候，人们在这之前需要从外部世界获取真实而且可靠的信息，但在人们的认识里，获取外部世界的信息无非就是通过人类自身的各个感官，因此在信息时代，人们迫切需要一种方法来扩展人类的感官，在这时候诞生了传感器，它成为了人们在研究自然现象和规律以及创造社会财富的活动和过程中获取自然和物质资料的生产和物质生产服务中的信息的主要方法与手段，它还可能建立知识经济形态下的工业，从而成为新世纪的价值创造、转化与实现的增长点。
新时期人们生活的品质的不断进步，对高科技的电子产品提出了新的具体愿望或条件，即是使人们的生活中与机器的交互更具人性化、机器更智能化、衣食住行更舒适化。此外，随着人们对生活水平的追求的提高，大家对衣食住行的需求不再是过去的有得吃有得住有得穿就行，而是追求生活的品质。对于家居生活，智能化的空间还很大。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种智能手势识别装置，可实现用手势识别对智能家居模式、智能厨房模式以及智能娱乐模式的控制，以及对某些意外事故进行预防。
本发明实施例提供一种智能手势识别装置，包括：控制器、显示屏、传感器设备、测试区、舵机、语音播放模块、继电器、音响、风扇和电源模块；所述电源模块用于为所述控制器、显示屏、舵机、音响和风扇供电；
所述控制器与所述显示屏连接；所述传感器设备包括：分别与所述控制器连接的电容传感器、温湿度传感器、气体感应器和烟雾传感器
所述控制器还与所述舵机、语音播放模块、继电器、音响和风扇连接；
其中：所述电容传感器一端与所述控制器连接，另一端与所述测试区的至少一个金属板连接。
在一个实施例中，所述测试区包括4个水平布置且面积大小不同的铜板，4个所述铜板分别与所述电容传感器连接。
在一个实施例中，所述控制器为STM32单片机。
在一个实施例中，所述显示屏为OLED显示屏、LCD显示屏或液晶显示屏。
在一个实施例中，所述电容传感器为FDC2214传感器。
在一个实施例中，所述电源模块包括可充电电池及与所述充电电池连接的调压器和稳压器。
本发明的优点在于，与现有技术相比，本发明提出的技术方案，建立手势识别体系的家居、厨房、娱乐三种模式，使得手势识别与先流行的智能行业紧密的相关联。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明中提供的智能手势识别装置的示意图。
图2为本发明提供的LM2596可调降压模块原理图。
图3为本发明提供的FDC2214模块原理图。
图4为本发明提供的温湿度传感器模块原理图。
图5为本发明提供的底板DTH11插座原理图。
图6为本发明中提供的MQ-2烟雾气敏传感器模块原理图。
图7为本发明中提供的TFT电阻触摸屏原理图。
图8为本发明中提供的语音外放电路图。
图9为本发明中提供的功能设计流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明实施例提供一种智能手势识别装置，包括：控制器、显示屏、传感器设备、测试区、舵机、语音播放模块、继电器、音响、风扇和电源模块；所述电源模块用于为所述控制器、显示屏、舵机、音响和风扇供电；
所述控制器与所述显示屏连接；所述传感器设备包括：分别与所述控制器连接的电容传感器、温湿度传感器、气体感应器和烟雾传感器
所述控制器还与所述舵机、语音播放模块、继电器、音响和风扇连接；
其中：所述电容传感器一端与所述控制器连接，另一端与所述测试区的至少一个金属板连接。
比如：对STM32F4VE主控系统，LM2596可调降压模块电路设计，FDC2214模块，DHT11温湿度传感器模块电路设计，MQ-2烟雾气敏传感器模块电路设计，PDI-6221MG-360舵机，TFT电阻触摸屏，语音播放模块，JQC-3FF-S-Z继电器以及手势识别算法等进行深刻学习。比如可实现当手放在测试区域做出手势时，可以产生相对应的功能。本装置可提供三种模式。
第一种模式：如果处于“请选择你想要的模式。”状态下时手比划“1”，系统将会主动切换成智能家居的模式。在该模式下，若门是关着的，比划“3”将会把门打开，再比划一次“3”会产把门关闭；若门是开着的，比划“3”将会把门关闭，再比划一次“3”会产把门开启；比划“4”将会播报当日气温“今天天气寒冷”、“今天气温适中”或者“今天天气炎热”；比划“5”将会把小圆球灯饰开启，再一次比划“5”将会把小圆球灯饰关闭。小圆球灯饰是摹拟家庭中的灯具。
第二种模式：如果处于“请选择你想要的模式。”状态下时手比划“2”，系统将会主动切换成智能厨房的模式。比划“3”会打开5051风扇，再次比划“3”将会关闭5051风扇，5051风扇是摹拟厨房中的排气扇。“但厨房中，可燃气体浓度超标时，烟雾报警器将报警提醒，排气扇会主动打开。”
第三种模式：如果处于“请选择你想要的模式。”状态下时手比划“3”，系统将会主动切换成智能娱乐模式。在该模式下，有“猜什么拳”和“划拳练习”两种游戏。“猜什么拳”游戏下，先输入用户名，在测试区比划“0”、“2”或“5”时，系统会随机出“0”、“2”或“5”中的一个，最终会形成一个积分榜。“划拳练习”游戏下，在测试区比划“0～5”的其中一个，并且说出一个数字，系统会随机出“0～5”的其中一个，并语音播报出一个数字。
当处于三种模式下的任何一种时，比划“1”都跳回“请选择你想要的模式。”的状态。
如图1所示，搭建四块大小不同的四块铜板摆放，利用FDC2214手势识别传感器四路通道，采集四通道的电容值，根据摆放的手势不同来判断电容值的有无，同时进行电容的区间判别手势的形状。采用了多通道来采集需要的数据进行分析，硬件上的设计，手在测试区域的不同位置，算出来的电容值不会出现误差。
1.2模块的选择与论证
1.2.1电源模块的论证与选择
方案一：
用电池盒子构成12V电源，直接给系统各部件供电，再降压给电压要求低的各部件。此电路结构简单成本低，但稳定性不好，电机工作时易产生较大干扰电流窜入控制系统影响系统正常运行。所以接后续稳压电路，可灵活的调节所需要的电压，且这个电源结构简单，价格便宜，容易得到，但是充电时过于麻烦，违背了智能便捷原则。
方案二：
选用锂电池提供12V电压作为电压提供来源，直接给系统各部件供电，再通过LM2596可调降压模块将电压降低后提供给其他部件或模块。“多个电池的工作电压能够到达十二伏，是普通电池的三倍。”[3]能达到的实际比能量大约为五百五十五Wh每千克，换句话说，材料能达到大于等于一百五十mAh每克的比容量，即能够达到其理想值的百分之八十八；充电次数可达到千次；无公害，没有记忆效应。
综上所述，虽然电池盒子相对便宜，但是锂电池具有很高的电压和比能量。自放电小，充电迅速便捷，因此此次项目选用方案二。
1.2.2控制芯片的论证与选择
方案一：
C51单片机。将51单片机作为方案一是因为这是市场上最常见也是最广泛使用的单片机，价格偏低。
方案二：
STM32单片机。STM32的主要优点是速度比较快，具有高性能，价格相对实惠，耗能较低。
综上所述，51单片机在价格方面的确具有优势，但是STM32的运行速度远远大于51单片机的运行速度。接口性能比51单片机优秀好几倍，STM32的功耗也是比51单片机低。考虑到程序复杂，功能复杂等方面问题，选择STM32是最有性价比的。
1.2.3显示模块的论证与选择
方案一：
OLED显示模块。OLED该模块价格实惠，电能消耗小，不容易失真，材质轻薄，可以节省空间。但是寿命比一般显示模块要短。
方案二：
TFTLCD显示模块。该模块可以支持高清图片，分辨率高，视觉感官较好。功能也很多，可以播放视频，编辑文件等。但是比较耗电。
综上所述，这两种方案不分伯仲。OLED显示模块的引脚大约为30个左右，若选择OLED模块接线会非常麻烦，杜邦线要使用很多，不仅破坏美观占用空间，还可能会影响电路。TFTLCD显示模块引脚有快40个，但是和选用的STM32单片机控制芯片能够恰好吻合，不仅省去了接线的烦恼，还节省了空间，外观美观。
2.硬件系统设计
2.1 STM32F4VE主控系统
基于Cortex-M4内核的单片机微控器。为了满足客户们的设计所需，它汇集了国内外高级的内核体系，高性能的设备系统、以低耗能和价格便宜等特性。因为它拥有极其高的性能，和颇富创新性的外部硬件设计。所以，STM32迅速的被普及，成为新型电子产品的领头者。
比如：本实施例完成基于UCOS以及EMWIN图形界面的手势识别系统。因此采用相对比与51单片机，资源更加丰富，速度更高的STM32系列单片机是最好的选择。它内部强大的内存空间能够使功能运行更加流畅。
2.2 DC-12300锂电池
上述风扇为5051风扇，需要高达12V的电压，所以选用内阻小且容量大，电压高，比能量大，安全性能好，稳定性高，自放电小，充电迅速便捷，能够多次循环的电池。DC-12300锂电池重量较轻，不占空间，使用便捷，能够提供所需的电压并且配合LM2596可调降压模块将电压降低并提供给部分部件。
表格1 DC-12300锂电池参数
| 输入电压 | 12.6VDC |
| 输出电压 | 12.0VDC |
| 电池容量 | 3000mAh |
| 重量 | 220.0G |
2.3 LM2596可调降压模块电路设计
参照图2所示，为LM2596可调降压模块原理图，选用该模块是因为输入电压，输出电压均符合本实施例的需要。将DC-12300锂电池提供的输出电压降低，再提供给需要12V以下输入电压的部分元器件，保证电路能够输出多类电压给不同元器件使用。下表是LM2596可调降压模块参数。
表格2 LM2596可调降压模块参数
| 输入电压 | 3.0V至40.0VDC |
| 输出电压 | 1.5至35.0VDC |
2.4 FDC2214模块
FDC2214它是一种采用LC谐振电路原理的探测器，主要是获取电容值。电容式传感器能具备耗极低、价格实惠、可以不用接触就能检测。大多时候用来对手势识别以及其他的运用。在LC电路端采用电感与电容的相接以完成检测。依靠着跟LC电路附近的用来被识别的电容的频率。并且用此频率来算出我们需要采集的电容值
该模块的分辨率为28位、温度范围为负40.0度到正125.0度。可以使用与大多数的家庭。
FDC2214在测试中，很依赖与输入电流的稳定。手势识别的过程中，如果手越靠近测试区域那么电容值就会增加，同时周围的环境干扰也会增加，因此我们需要设计一个符合手势识别的硬件模型装置，如图3所示。
2.5 DHT11温湿度传感器模块电路设计
参照图4-5所示，选用DHT11温湿度传感器模块是因为该模块在0.0℃-50.0℃时，湿度测量范围在20.0％-95.0％之间，湿度测量误差±5.0％，温度测量误差±2.0℃。而且该模块的测量范围和误差均能够满足一般家庭的需要，价格也相对实惠。参照图4所示，是温湿度传感器模块原理图，为了防止寄生电容导致的数据产生严重误差，所以上拉了一个电阻。
该模块实时监测室内温湿度，反馈到TFT电阻触摸屏上，也可以选择模式1，在测试区比划手势，了解当日的情况，更好的把控在室内的衣着情况等。
2.6 MQ-2烟雾气敏传感器模块电路设计
参照图6所示，MQ2烟雾传感器是预防家庭厨房事故的一个重要的检测器。它可以识别到多种的可以燃烧的气体。它的原理是利用改变电导率来变换气体的浓度。因此在厨房安全检测上选用该模块一达成此功能。
表格3 MQ-2烟雾气敏传感器模块参数
2.7 PDI-6221MG-360舵机
选用PDI-6221MG-360舵机，是为了达到具有手势控制开门关门的效果。舵机能够完成此功能主要是因为调控PWM的占空比。舵机中有个部件可以转动，通过单片机的信息传递可以控制舵机的角度大小的改变实现开关门。20.0ms(50.0Hz)为标准PWM信号的固定周期。由于误差关系，理论上脉宽分布应在1.0ms至2.0ms之间，然而实际上脉宽分布在0.5ms至2.5ms之间。
表格4 PDI-6221MG-360舵机相关参数
| 工作电压 | 4.8V至6.6VDC |
| 速度(4.8V) | 0.18sec/60° |
| 速度(6.0V) | 0.16sec/60 |
| 扭力(4.8V) | 17.25kg/cm |
| 扭力(6.0V) | 20.32kg/cm |
由上表可知，该型号的舵机工作电压以及速度扭力均符合本发明的设计需求，可以达到设计初衷的效果。
2.8 TFT电阻触摸屏
表格5 TFT电阻触摸屏参数
| 液晶板 | 真彩TFT |
| 驱动IIC | ILI9341 |
| 分辨率 | 320*240 |
| PIN脚 | 32pin(FSMC总线) |
| PIN脚间距 | 2.54mm |
| 连接式 | 排母 |
参照图7所示，TFT电阻触摸屏原理图；该触摸屏显示屏能够和STM32单片机契合相对完美。可以显示读取到的手势识别数据；显示当前状态下的温湿度；也可以选用娱乐模式，人在感应区输入信息，在屏幕上读取信息。
2.9语音播放模块
表格6语音播放模块参数
采用该模块是因为该模块直接触发端口有九个。这九根排针是A1-A9。娱乐模式等均会用来提示、报警等。
参照图8所示，为语音外放电路图。
2.10 BOKESi音响
选用BOKESi音响，内置七彩四灯，全方向均匀散发没多色交替变换，小巧迷你，便携，底部加装45毫米大震膜，音质更浑厚有力，使用3.5毫米音频接头。
配合语音播放模块进行音量放大。
2.11 JQC-3FF-S-Z继电器
表7 JQC-3FF-S-Z继电器参数
| 绝缘电阻 | 100mΩ500VDC |
| 动作时间 | ≤10ms |
| 释放时间 | ≤5ms |
| 线圈升温 | ≤60℃ |
| 湿度 | 35％～85％RH |
| 温度 | -40℃～70℃ |
可利用继电器来控制单片机对灯饰、5051风扇等大电流、大电压的工作。从而实现对GPIO口的控制，选用了一个四路的继电器。便于驱动硬件设备的电流、电压，完成本发明要实现的功能。
2.12 5051风扇
本次采用5051风扇模拟家中厨房排气扇等。主要原因是已知的市场目前只有此款能够满足本产品的需求。此款电压只需要12V，其余大部分都需要120V，很难达到需要的输入电压。
表8 5051风扇参数
3.软件系统设计
3.1 FDC2214驱动程序设计
第一步对FDC2214模块进行初始化，首先对软件IIC总线初始化，然后检测ID是否正确，再初始化寄存器。在设置FDC2214寄存器中，有以下几步。1.根据有关资料转换间隔时间。2.转换之前的稳定时间。3.选择频率在0.01M赫兹至10.0M赫兹之间。4.全部禁止错误汇报。5.通道0，1，2，3，选择十兆赫兹为大于振荡槽振荡频率的最低设置，多通道，四通道。6.激活模式，使用内部振荡器做参考频率，INTB引脚会随状态寄存器更新被置位。
第二步是FDC_I2C及读写操作，先设置FDC IIC延时函数。然后编写得到FDC2214的初始值的函数。产生IIC起始信号。产生IIC停止信号。等待应答信号到来等。
3.2手势识别算法
在搭建好手势识别装置后，对所需要的手势写出与之相对应的算法程序。识别手势的原理在于，不同面积的遮挡物在测试区上，则会产生不同的电容值。根据得到的电容值和之前设置的四路FDC2214通道进行对每一个手势采集合理取值范围。例如，拳头在铜板感应区遮盖面积较小，算法中所取的通道内电容值范围也相对较小。以此为原理，就能够设计出相对稳定的手势识别算法。
3.3触摸屏程序设计
表8触摸屏程序设计步骤
3.4显示屏程序设计
开始先将屏幕LCD初始化，设定要显示的图片以及文字。
3.5功能设计流程图
参照图9所示，软件流程一开始先对FDC2214、温湿度传感器、烟雾传感器、舵机以及延时、定时器、串口等函数进行初始化。之后对UCOS操作系统和ENWIN图形界面进行初始化。创立一个开始任务，分配好各个任务的入栈空间、和任务抢占优先级。然后，建立各个任务，它们分别是：界面任务、触摸屏任务、手势识别任务、模式选择任务。在界面任务当中，利用ENWIN图形界面显示出各种的图形窗口控件。在手势识别任务中，当电容值发生改变时，就利用手势识别算法判断该手势。之后，进入模式选择任务，选择现在需要的模式，以及完成模式下的控制功能。比如在界面图标控件还拥有一个实时查看温湿度以及烟雾浓度的文本框。可以以语音的方式提醒用户现在的气温条件，以及当时厨房里的情况。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种智能手势识别装置，其特征在于，包括：控制器、显示屏、传感器设备、测试区、舵机、语音播放模块、继电器、音响、风扇和电源模块；所述电源模块用于为所述控制器、显示屏、舵机、音响和风扇供电；
所述控制器与所述显示屏连接；所述传感器设备包括：分别与所述控制器连接的电容传感器、温湿度传感器、气体感应器和烟雾传感器
所述控制器还与所述舵机、语音播放模块、继电器、音响和风扇连接；
其中：所述电容传感器一端与所述控制器连接，另一端与所述测试区的至少一个金属板连接。
2.根据权利要求1所述的一种智能手势识别装置，其特征在于，所述测试区包括4个水平布置且面积大小不同的铜板，4个所述铜板分别与所述电容传感器连接。
3.根据权利要求1所述的一种智能手势识别装置，其特征在于，所述控制器为STM32单片机。
4.根据权利要求1所述的一种智能手势识别装置，其特征在于，所述显示屏为OLED显示屏、LCD显示屏或液晶显示屏。
5.根据权利要求1所述的一种智能手势识别装置，其特征在于，所述电容传感器为FDC2214传感器。
6.根据权利要求1所述的一种智能手势识别装置，其特征在于，所述电源模块包括可充电电池及与所述充电电池连接的调压器和稳压器。
Priority Applications (1)
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| CN201910507238.6A CN110138641A (zh) | 2019-06-12 | 2019-06-12 | 一种智能手势识别装置 |
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2019
- 2019-06-12 CN CN201910507238.6A patent/CN110138641A/zh active Pending
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