CN111596564A - 一种基于WiFi手势识别的智能家居管理系统 - Google Patents

一种基于WiFi手势识别的智能家居管理系统 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于WiFi手势识别的智能家居管理系统，包括WiFi发射模块、信道模块、WiFi接收模块、手势识别模块以及家居控制模块；所述WiFi发射模块包括WiFi发射器和WiFi信号；所述信道模块包括室内环境调制及手势调制；所述WiFi接收模块包括WiFi信号接收机、滤波电路及放大电路、信号采集模块；所述手势识别模块包括信号剪切、信号拼接、时频分析算法、线谱提取技术、动态时间规整，特征识别，所述家居控制模块(5)包括指令传输和相应方式控制；本发明通过截取WiFi信号的长前导，利用时频谱分析、线谱提取、支持向量机分类以及动态时间规整算法完成手势的识别并进行家居管理控制。从而快速、无声的对家具进行管控。避免语音控制以及手机APP控制造成的影响。

Description

一种基于WiFi手势识别的智能家居管理系统
技术领域
本发明涉及的是一种智能家居管理系统，具体涉及一种基于WiFi手势识别的智能家居管理系统。
背景技术
WiFi信号作为工作在2.4GHz和5.8GHz频段的无线电波。由于其频率高、波长小以及带宽足等特点，在大量数据传播过程中极为适用，因此在短距离无线通信领域得到广泛应用。同时伴随着模式识别及人机交互技术发展，WiFi信号在识别方面强大能力被逐渐挖掘出来。
手势识别是计算机科学和语言技术中的一个主题，目的是通过数学算法来识别人类手势。手势可以源自任何身体运动或状态，但通常源自面部或手。可以被视为计算机理解人体语言的方式，从而在机器和人之间搭建比原始文本用户界面更丰富的桥梁。最初的手势识别主要是利用机器设备，直接检测手胳膊各关节的角度和空间位置。这些设备多是通过有线技术将计算机系统与用户相互连接，使用户的手势信息完整无误地传送至识别系统中，其典型设备如数据手套等。其后，光学标记方法取代了数据手套将光学标记戴在人手上，通过红外线可将人手位置和手指的变化传送到系统屏幕上。目前的手势识别技术主流方法为手势图像识别。手势识别技术的实现首先需要进行手势分割，作为手势识别过程中关键的一步，手势分割的效果直接影响到下一步手势分析及最终的手势识别。目前最常用的手势分割法主要包括基于单目视觉的手势分割和基于立体视觉的手势分割。完成手势分割后是完成手势识别系统的关键技术，手势分析。通过手势分析，可获得手势的形状特征或运动轨迹。手势的形状和运动轨迹是动态手势识别中的重要特征，与手势所表达意义有直接的关系。最后需要将完成分析后的手势进行识别，识别方法是将模型参数空间里的轨迹(或点)分类到该空间里某个子集的过程，其包括静态手势识别和动态手势识别。
当WiFi穿过变化的手势时，信号的幅度、相位及功率等传输特性会受到一定的影响，而这种影响是基于动态手势的移动特征产生的。这表示WiFi信号受到某种意义上的手势所调制，经调制后的信号包含了其所穿过的手势的移动特征信息。通过一定手段将这一信息解调出来便能够实现手势的识别。
2016年4月第一摩码设施设备维护(北京)有限公司提出一种WiFi智能手势感应器(CN205193495U)；2016年7月海星客企业发展(上海)有限公司，提出基于WiFi的手势开锁装置及其控制方法(CN105809787A)，从而实现了利用WiFi信号进行手势识别这一技术的实际应用；2016年8月鹤壁国立光电科技股份有限公司，提出一种可调光LED智能无线控制器(CN205546080U)，将WiFi手势识别技术的应用由简单的开关控制提升为同一参数多选项控制；2019年1月中国科学技术大学苏州研究院，提出一种基于WiFi的手势控制人机交互系统(CN105807935B)。
手势识别系统的建立由于信号采集过程中存在一定背景噪声，如非目标物体干扰等，必须通过数据预处理，对信号进行平滑、锐化以及二值化处理用以提取出更为明显的手势调制信号；麻省理工学院的Wi-Vi系统为了抵消来自墙壁的巨大反射分量，首先在无移动目标的条件下对整个系统信道进行估计，然后使用建立好的信道模型对有移动目标条件下的接收短信号进行干扰消除，从而消除墙壁反射分量。
智能家居又称智能住宅，是利用先进的计算机技术、网络通讯技术、智能云端控制、综合布线技术、医疗电子技术依照人体工程学原理，融合个性需求，将与家居生活有关的各个子系统如安防、灯光控制、窗帘控制、煤气阀控制、信息家电、场景联动、地板采暖、健康保健、卫生防疫、安防保安等有机地结合在一起，通过网络化综合智能控制和管理，实现“以人为本”的全新家居生活体验。现今智能家居控制系统的控制方式主要包括语音控制及手机控制。可以做到室内及远程便捷控制。
对于智能家居控制系统，如何快速，准确获得控制指令并对该指令进行有效应答是一直以来需要提高的性能。而如何较为简单的扩展家居种类也是需要研究的一项课题。本发明采用室内WiFi作为载波信号对手势信号进行指令传输，从而可以较为便捷的获得家具控制指令。同时，基于WiFi的手势识别与其他识别技术相比成本更低、准确性更高并且保密性更好。
发明内容
本发明主要目的为利用室内WiFi信号对室内移动人员的手势进行识别，利用相关手势对相应的家居进行适当调整，从而提供一种高速、低能耗而且控制精准的基于WiFi手势识别的智能家居管理系统。
本发明是这样实现的：
一种基于WiFi手势识别的智能家居管理系统，其特征是，包括WiFi发射模块、信道模块、WiFi接收模块、手势识别模块以及家居控制模块；所述WiFi发射模块包括WiFi发射器和WiFi信号；所述信道模块包括室内环境调制及手势调制；所述WiFi接收模块包括WiFi信号接收机、滤波电路及放大电路、信号采集模块；所述手势识别模块包括信号剪切、信号拼接、时频分析算法、线谱提取技术、动态时间规整，特征识别，所述家居控制模块包括指令传输和相应方式控制。
本发明还包括这样一些特征：
所述指令传输包括：用于判断家居控制开始和结束的相应手势判别及开启和关闭家居控制指令传达；用于判断所需控制的家居的手势组识别及于该手势组对应的家居管理指令传达；
所述相应方式控制包括直接控制开关方式、直接控制占空比方式以及WiFi遥控方式；
所述WiFi信号基于802.11a协议；
其所述WiFi发射器使用室内无线路由器；WiFi信号接收机采用射频信号接收模块对WiFi信号进行采集，并通过高频高功放信号调理硬件滤波电路及放大电路,电路对信号进行调理，从而获得高信噪比信号；将包含手势特征并已完成硬件调理的WiFi信号进行采集传输到手势识别模块中，所述手势识别模块包括信号剪切与信号拼接、时频分析算法、线谱提取与特征识别；家居控制模块用于对家居进行分区域控制；
所述手势调制包括起始手势、终止手势以及数据手势。
本发明有益效果：
采用室内WiFi在不影响网络连接的情况下进行手势识别及后续技术操作，成本较低且便于装设，无需另外开发信号发射系统；
信号预处理过程中采用背景噪声消除手段，有效的降低了环境噪声对手势信号的干扰，提高手势识别准确率；
对房间、家居以及家居可调整参数进行编号，通过手势组来进行控制。通过多位数组的排列，替代一种手势表明一种参数的调整，可以有效避免手势的大量学习所占用的资源；
利用手势来进行家居控制与智能音箱的语音控制模式相比，保密性更好，准确率更高而且不存在语音控制中因为音节或字的缺失而无法判别的情况发生；
手势组需要起始手势与结束手势来支持，可以有效避免室内人员正常活动过程中所发生的误触情况，稳定性更高。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2为WiFi信号结构图；
图3为手势识别模型对比模块结构示意图；
图4为控制系统结构示意图；
图5为动态时间规整算法模拟图。
具体实施方式
以下结合具体实施案例，对本发明进行详细说明。
本发明为解决技术问题而采用的技术方案为：采用基于WiFi手势识别判断指令以及家居管控技术；
主要包括手势识别技术及家居控制技术；
所述手势识别技术包括WiFi信号发射模块1、信号接收及处理模块3、手势特征分析模块4；
在本发明中所述WiFi信号发射模块主要包括：
用于WiFi信号发射的室内WiFi发射器10；
包含协议及数据的可用于连接网络并用于被手势调制从而包含手势特征的WiFi信号11；
本发明中所述信号接收及处理模块3主要包括：
用于接收WiFi信号的信号接收机(射频信号接收模块30)；
用于对接收到的包含手势特征的WiFi信号进行调理的滤波电路31及放大电路32。可以有效消减带外噪声的干扰并令信号可以被尽可能高精度的采集；
用于对信号进行采集的模/数转换模块33。将包含手势特征并已完成硬件调理的WiFi信号进行采集传输到手势特征分析模块4中；
本发明中所述手势特征分析模块4主要包括：
用于获得手势信号的信号片段剪切方法40及信号剪切片段拼接技术41；
用于使采集到的手势信号平滑的包络法。由于手势识别技术所分析的信号主要为WiFi信号的长前导部分，因此信号维度较高且拼接部分并不平滑。采用包络法降低采样率的同时使信号平稳；
用于获得时频谱的时频分析算法42。可以采用速度较快的短时傅里叶变换，精确度较高的短时music算法或小波变换等；
用于将时频分析结果从矩阵中简化维度为曲线从而获得手势特征的线谱提取技术43；
用于降低手势变化快慢造成识别准确率较低而采用的动态时间规整算法44，通过扭曲时间维度，使需识别信号与模型处于相近状态用于对比；
用于确定手势的特征识别算法45。将手势特征与所建立模型进行对比，通过相似度确定手势；
在本发明中所述家居控制模块包括：
用于选定家居及其相应调整的指令传输50。通过一组手势获得其相应编号组成数组从而选定相应家居、家居所需调整的参数以及参数相应变化；
用于对家具进行控制的控制方式51；
本发明中说述信号预处理部分包括：
用于提高准确率的背景噪声消除；
WiFi信号在信道中收到的调制主要包括室内环境调制20及手势调制21。其中经由固定家居调制的信号为背景噪声；
消除这种背景噪声可以在系统安装完成后先采集一定长度的室内环境信号，在信号处理过程中可以将室内环境调制信号消减提高信噪比，获得较为明显的手势调制信号；
用于将手势分类的支持向量机分类模型建立；
本发明中所述家居控制指令传输50包括；
用于判断家居控制开始和结束的相应手势判别及开启和关闭家居控制指令传达；
用于判断所需控制的家居的手势组识别及于该手势组对应的家居管理指令传达；
本发明中对家居进行控制的三种方法51包括；
直接控制开关方式510、直接控制占空比方式511以及WiFi遥控方式512；
所述直接控制开关方式510主要作用于；
只有一位参数可以进行管控且该参数只具有两种判别结果如门的反锁与解锁、照明灯的开关以及报警系统；
由于报警系统虚警代价较高因此其相应手势组应较于其他家居控制手势复杂且误判概率极低；
所述直接控制占空比方式511主要用于；
只有一位参数可以进行管控且该参数可以进行连续变化如台灯的亮暗、冰箱的温度等；
所述WiFi遥控方式512主要用于；
所需控制参数较多的家居，主要包括电视、音响及空调等复杂家居；
在本发明中所述WiFi信号11基于802.11a协议；
在本发明中所述手势信号片段为WiFi信号的802.11协议长前导部分；
在本发明中所述手势信号片段剪切方法40及信号剪切片段拼接技术41为将手势信号片段从WiFi中进行准确截取及连续拼接的方法；
在本发明中所述包络法为采用滑动窗对信号窗内信号取平均功率并有一定重叠的移动窗从而获得平滑的包含手势特征的信号，并降低信号数据量减轻计算负担；
图1为依据本发明原理的实施例的基于WiFi手势识别智能家居管理系统的结构示意图，整体系统分为WiFi发射模块1、信道模块2、WiFi接收模块3、手势识别模块4以及家居控制模块5等几个主要部分。其中WiFi发射机10使用室内无线路由器；WiFi接收机30采用射频信号接收模块对WiFi信号进行采集，并通过高频高功放信号调理硬件31于32,电路对信号进行调理，从而获得高信噪比信号；手势识别模块4包括信号剪切40与信号拼接41技术、时频分析算法42、线谱提取43与特征识别44等主要部分；家居控制模块5用于对家居进行分区域控制。
本发明中所使用的WiFi信号基于802.11协议，其物理层如图2所示，分为三个部分。第一部分为前导，主要作用为实现接收端载波侦听、信道估计、码元同步及频率补偿等功能，可以分为一个周期为16以及一个周期为64的伪随机码，即短前导和长前导。第二部分为SIGNAL部分，用于接收端利用短前导及长前导处理成功后进一步获取信号传输过程中的必要信息，比如调制方式、帧中OFDM包个数及传输速率等。第三部分为已完成处理的需传输的数据单元。本发明中手势识别部分主要利用长前导部分作为手势载波，从而在不影响WiFi数据传输的前提下实现本发明所需要求。
在进行手势识别训练之前，首先需要进行背景噪声采集处理。在无人员移动的前提下，对环境信号进行一定时间的采集从而获得后期手势训练及识别过程中的背景噪声。进而可以大幅度提高信噪比并使手势识别准确率获得一定提高。这是由于相较于小面积手势而言，大尺寸的环境墙壁等因素反射信号功率具有明显优势，且环境噪声变化极小。因此可以采用背景噪声消减方法，获得无目标信号情况下的环境噪声并在进行目标识别时消减环境噪声，从而获得不被湮没的手势信号。
当WiFi信号11经过接收机采集30并完成调理后31，32传输到MCU数据处理芯片4对信号进行处理。首先，对信号进行截取40，将长前导从信号中剥离出来，并依次前后拼接41，从而形成一组完全由长前导部分组成的手势信号。其次对信号进行降采样处理，按一定长度取窗，将窗内信号平均功率作为新的信号一点，获得低维度平滑信号。再次，对信号进行时频变换处理43获得其时频矩阵并对矩阵进行线谱提取44获得特征曲线，从而识别手势。
手势分为起始手势、终止手势以及数据手势。起始手势标志着操作的开始，终止手势标志结束手势操作，接收机不再处理数据。数据手势为一组手势均有其一一对应的数据用以进行区域及家居的选择，将其依照手势及相应顺序存入控制矩阵中从而获得所需控制电器及其变化。
接收到起始手势后，在完成每一个手势的识别并将其对应手势编号存入控制矩阵重复操作，直到接收到终止手势。依照控制矩阵进行家居控制。
如图3所示，为分类流程图。建立支持向量机分类模型，对手势谱线特征进行对比识别，当其特征与手势1相似度超过门限时，控制矩阵相应位存储为1。否则与手势2继续进行对比，直到找到相似度超过门限的手势b，将控制矩阵相应位存储为b，开始下一组手势的识别。
控制模块结构示意图如4所示，对矩阵按位计算。依次选择区域房间500、家居501、需调整的参数(如电灯的开关、台灯的亮暗以及电视的音量节目的调整502)及相应参数的调节方式，选取合适的控制方式510、511或512进行控制。
在手势学习及识别过程中，由于手势变化存在快慢等不可控因素，因此采取动态时间规整算法。基本思想如图5所示，当信号走向一定，但变化速度存在一定差异情况下采用动态时间规整算法将时间轴进行扭曲从而提高两组信号的相似度，尽量减少漏判情况发生。
本发明的设计方案可以用于室内家具智能控制、工厂控制室管控以及商店报警系统等。通过该方案可以快速、无声等完成所需操作。
本发明可以提供一种快速、有效且低成本的室内家居控制系统。该系统与原有智能家居系统想对比，由于手势较之语音更明确而准确率更高，由于对家居进行分区域设定因此拓展性更好，且基于WiFi的手势识别不需声音与光线，对室内其余成员影响最小，同时，手势的设定可以增加保密性，减小误触情况发生。
上面结合附图对本发明的实施进行描述，但本发明并不局限上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本发明岂是下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明保护之内。
综上所述：本发明设计一种基于WiFi的手势识别技术的智能家居管理系统，包括室内WiFi下的手势识别技术及智能家居管理系统设计；所述基于WiFi的手势别技术包括WiFi协议研究、手势识别算法以及支持向量机的分类模型建立；所述智能家居管理管理系统包括区域选择、家居选择、调整参数选择以及调整状态选择。本设计通过截取WiFi信号的长前导，利用时频谱分析、线谱提取、支持向量机分类以及动态时间规整算法完成手势的识别并进行家居管理控制。从而快速、无声的对家具进行管控。避免语音控制以及手机APP控制造成的影响。

Claims (7)

1.一种基于WiFi手势识别的智能家居管理系统，其特征是，包括WiFi发射模块(1)、信道模块(2)、WiFi接收模块(3)、手势识别模块(4)以及家居控制模块(5)；所述WiFi发射模块(1)包括WiFi发射器(10)和WiFi信号(11)；所述信道模块(2)包括室内环境调制(20)及手势调制(21)；所述WiFi接收模块(3)包括WiFi信号接收机(31)、滤波电路(32)及放大电路(33)、信号采集模块(34)；所述手势识别模块(4)包括信号剪切(40)、信号拼接(41)、时频分析算法(42)、线谱提取技术(43)、动态时间规整(44)，特征识别(45)，所述家居控制模块(5)包括指令传输(50)和相应方式控制(51)。
2.根据权利要求1所述的基于WiFi手势识别的智能家居管理系统，其特征是，所述指令传输(50)包括：用于判断家居控制开始和结束的相应手势判别及开启和关闭家居控制指令传达；用于判断所需控制的家居的手势组识别及于该手势组对应的家居管理指令传达。
3.根据权利要求1或2所述的基于WiFi手势识别的智能家居管理系统，其特征是，所述相应方式控制(51)包括直接控制开关方式(510)、直接控制占空比方式(511)以及WiFi遥控方式(512)。
4.根据权利要求1或2所述的基于WiFi手势识别的智能家居管理系统，其特征是，所述WiFi信号(11)基于802.11a协议。
5.根据权利要求3所述的基于WiFi手势识别的智能家居管理系统，其特征是，所述WiFi信号(11)基于802.11a协议。
6.根据权利要求1或2所述的基于WiFi手势识别的智能家居管理系统，其特征是，其所述WiFi发射器(10)使用室内无线路由器；WiFi信号接收机(31)采用射频信号接收模块对WiFi信号进行采集，并通过高频高功放信号调理硬件滤波电路(32)及放大电路(33),电路对信号进行调理，从而获得高信噪比信号；将包含手势特征并已完成硬件调理的WiFi信号进行采集传输到手势识别模块(4)中，所述手势识别模块(4)包括信号剪切(40)与信号拼接(41)、时频分析算法(42)、线谱提取(43)与特征识别(44)；家居控制模块(5)用于对家居进行分区域控制。
7.根据权利要求1或2所述的基于WiFi手势识别的智能家居管理系统，其特征是，所述手势调制包括起始手势、终止手势以及数据手势。
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