CN204392647U - 一种手势控制的led智能灯 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种手势控制的LED智能灯，它包括电池，动作传感器，微处理器和LED灯以及一个用于固定所有部件的壳体。动作传感器可以是加速度传感器或陀螺仪等MEMS传感器，也可以是机械震动开关。动作传感器连接微处理器中断口，可唤醒处于休眠状态的微处理器，在被唤醒后，微处理器将继续采集动作传感器的信号用于手势动作识别，以确定是否点亮LED并确定点亮模式；LED点亮后再次检测到特定手势动作后将关闭LED灯。本实用新型的LED没有传统的开关或者按钮，而灯的开启、关闭灯都有手势动作完成。微处理器也有计时功能，在长时间没有检测到动作后自动关闭，以实现节能。

Description

一种手势控制的LED智能灯

技术领域

本实用新型涉及手势控制的LED灯，可以用于照明或者玩具。

背景技术

日常生活中有很多用LED点亮的玩具或者家居用品，很多产品利用了LED的快速响应特性制作了各种闪灯或者循环显示装置，如：闪光儿童鞋，闪光手链，闪光装饰品等。尽管这些产品中都用到了一种非常经济实用的震动开关，但主要也是作为一种随机的开关来使用，没有进行更多的智能开发。

另外，随着智能手机的普及，加速度传感器在手势控制的开发中得到极大的推广，如专利申请号为CN201410014760的发明就公布了一种利用加速计控制的LED灯。但此发明中需要对加速度详细信号进行采样和分析，比较复杂。

本实用型新的目的旨在提供一种可利用动作手势实现控制的简易led灯。

发明内容

实际应用中，对灯光的控制包括：开，关，光源选择（具有多个发光灯珠时），亮度调节等，因此只需定义几个动作就能完成所有的操作。

本实用新型提出的LED灯包括：电池，动作传感器，微处理器MCU，LED灯（本发明指LED灯珠以及必要的匹配电路）。为实现节能，LED灯通常为关灭状态，微处理器MCU需要保持在节能休眠状态。本实用新型中使用的动作传感器可以是加速度传感器，且是模拟信号型产品，采集的数据不是具体的加速度值，而是输出值的“变化”，即将模拟加速度传感器的电压输出直接和微处理器的中断口连接。因此在做出动作的时候，输出的电压值发生变化，这种变化形成电子设备中通用的高低电平转换，而微处理器仅对这种电平转换来取样分析，因此对动作的识别将大大简化。

当模拟加速度传感器感应到震动时，其输出信号以中断方式唤醒MCU，使其进入动作捕捉识别，最终启动LED灯。LED启动后，MCU自动计时，超过设定时间后，MCU关闭LED灯，系统重回休眠状态。当然，也可以给智能灯设定休眠动作模式，只要微处理器捕捉到要求休眠的动作，立即进入休眠模式，因此可以实现更多节能。加速度计输出口和MCU连接的中断数取决于加速度计的轴数，如果是3轴的，则3维输出连接3个MCU的中断输入口，保证各种维度的震动均能独立启动系统，且其后的3轴信号也分别用于不同的手势指令识别。

本实用新型中，MCU不会像其他已公布的手势控制设备一样去采样详细加速度数据，而是依然保持中断（或者高低电平）采样状态（即开始对加速计输出的电平进行统计和分析），因此可以省去信号的A/D转换，而且，信号的分析将更简单。

本实用新型的一种手势信号分析方法如下：MCU由中断唤醒后，等待加速计恢复到静止状态（如0.2秒内无新的中断），然后重新计时，记录随后50-1000ms内的中断次数，若超过设定的值，则判定为真实的人为操作。更多的手势识别策略可以在已公布文献或者专利中找到。

智能设备的手势识别主要分为三大类：动作方向，动作频次，动作强度。本实用新型中，动作的方向可以根据中断的来源判定（即加速计三轴的电压跃迁判定），如X轴输出中断，则认为是左右运动；Y轴输出中断为前后运动；Z轴输出中断为上下运动。另外，根据装置静止不动时三轴输出电平的高低，则可以判定灯具的摆放方向。使用时应注意加速器的电压输出范围（市场上加速计的输出电压通常在0-3V）和MCU高低电平(如：低于0.8V为低电平，而大于2V为高电平）的定义，防止错误信息和判断。动作频次则可以根据设定时间内出现连续中断的次数判定（这里的一次动作指连续不停的动作，它可以包括多个加速和减速的过程，即可触发多个中断；而多次动作之间有明显的静止状态，即三轴的输出值均保持不变）。由于加速计的输出信号只做电平高低判定，而不采集具体的数据，因此较难判定单个动作的强度。

本实用新型中，加速计可以用其他可感知震动或者动作的传感器代替，如在手机中使用的陀螺仪传感器，重力传感器，地磁传感器等。

本实用新型的加速计还可以用震动开关代替，它可以进一步降低能耗和成本。

震动开关分两大类：弹簧型和滚珠型。弹簧型震动开关的主体为一可晃动弹簧，在受到震动时晃动而接触到固定杆或者外壳而使电路导通，这种开关对震动的方向识别不敏感，为全向震动开关。而滚珠型开关依靠一腔体内滚珠的滚动获得通断结果，因此方向性较强（一维或者二维）。

用弹簧型震动开关取代加速计时，只需使用微控制器的1个唤醒中断。即无论哪个方向的震动，都将唤醒系统，但在随后的动作识别上，该设计无法判断动作的方向，只能判断动作的频次，因此可实现的控制操作较少。因此这类控制器只适合进行简单的开启、关闭、依次切换等简单操作。为增加方向性识别，可以增加多个滚珠开关，将其连接到MCU的其他中断口，实现二维或者三维动作识别。

当然也可以只使用滚珠型震动开关，它们即作为系统唤醒时的信号输入，也作为后期动作识别的输入，因此总共只需3个滚珠型开关就可以实现唤醒和三维动作识别。

震动开关和微处理器的连接方式在很多公开的文献中都有说明，通常是将开关和一个限流电阻串接到电池的正负极之间，而微处理器的中断输入口连接到电阻和开关之间。电阻和开关的次序决定了中断口在静止状态时的电平高低。由于弹簧型震动开关通常为常开型，电阻选择1k就可以。但是滚珠型开关通常为常闭型，因此需选用更大的电阻（如1M以上），以保证待机时极低的耗电量。

本实用新型中，为了能提醒使用者控制器由休眠状态进入到动作识别状态，可以在MCU被唤醒后，立即打开一个低能耗的LED指示灯或者蜂鸣器，为进一步节能，led或蜂鸣器可以采用闪通闪断方式。

由于动作感应器的使用和微处理器的分析，本实用新型可以实现多种动作（或者姿态），即能实现多种控制指令，因此可以实现多种LED灯光效果。

作为玩具或者装饰类的灯具，可以在一个装置中设置多个灯珠，灯珠可以采用不同的颜色。这样可以根据不同的动作来选择点亮其中的任意一个或者多个灯珠，或者根据不同的动作按不同的顺序依次点亮特定的灯珠。

而对于照明用的灯具，可以根据动作（或者姿态）来改变灯的亮度。亮度的改变方式有两种：一是采用多个相同的灯珠，根据点亮灯珠的数量改变亮度；二是采用一个较大功率的灯珠，通过改变电流大小或者通电脉冲长度来实现亮度调节。

为防止使用者点亮灯忘记关闭，因此需要设定一个无动作最大点亮时间，时间一到，LED灯自动进入休眠状态。为了适应不同的应用场合，可在装置中增加一个拨码器，用于设定自动进入休眠状态的等待时长。当然也可以给装置增加数据线接口或者无线模块实现参数的设置。

附图说明

图1. 模拟加速度传感器控制的多灯珠LED智能灯结构图。

图2. 震动开关控制的大功率LED智能灯结构图。

具体实施方式

图1显示了本实用新型的一个实施例的结构示意图，系统主要包括4个部分：加速度传感器10，微处理器MCU 20，多个LED灯和电池40。加速度传感器10为模拟型，它提供3维加速度的电压输出，其输出X，Y，Z分别连到微处理器MCU20的三个中断输入口INT0，INT1和INT2，而LED灯珠直接由处理器标准I/O提供电源并进行控制（电路中加入限流电阻），即微处理器充当了虚拟开关的作用。如图1所示，加速度传感器的3个输出口和微处理3个中断口之间的连接应根据两个芯片的特性适当增加保护电阻或电容。

在平时待机状态下，加速度传感器接通电源，处于正常工作（或者休眠状态），微处理器处于休眠或者掉电模式，而灯珠则处于断电状态。当灯受到震动或者被翻转时，加速度传感器（若之前为休眠状态，则自动恢复正常状态）的三个输出口的电压值将发生变化（通常的电压输出范围为0-3V），当这种变化满足了微处理器MCU的高低电平转换时，将形成有效中断，唤醒MCU进入正常工作模式。为了消除误操作或者环境震动干扰，唤醒的MCU不会立即点亮灯珠，而是继续采样中断口的信号，分析出动作的频次以及动作的方向等，只有当检测结果符合预存的模式时，才会给LED灯珠供电。

如图1所示，微处理器的多个I/O口（1-n）各自控制独立的LED灯珠（1-n），因此每个灯珠的点亮或者熄灭都可以根据微处理器识别的动作来决定，因此实现多种显示效果。

唤醒后的MCU即进入动作捕捉识别程序，若在设定时间内（如：3秒），没有特定的动作模式出现或者没有新的中断出现，MCU关闭LED灯珠，必要时还需触发加速度传感器的休眠模式（如图1中微处理的一个I/O口给加速度传感器的sleep使能端口发送触发指令，则加速度传感器进入节能休眠模式），然后MCU自己进入休眠模式以节省电源。

对此实施例，若电池采用600mAh CR2450 3V纽扣锂电池，加速计采用飞世卡尔MMA7361LC，MCU采用STC15系列3V型号单片机。STC15单片机提供停机模式（保持少量中断工作），其典型耗电量将至0.1μA，加速计MMA7361LC也有休眠模式，耗电量可以降低至3μA，再假设电池的实际使用量为300mAh，这样LED灯的待机时长为（300÷（0.003+0.0001））=96774.2（小时），即超过10年。因此这种灯若作为应急灯使用，可储备很长实际。

考虑到动作手势识别耗电量的增加，特别是要驱动大功率照明LED时，电池可以选用18650锂电池或者手机用可反复充电锂电池。

图2显示的实施例以3个滚珠型震动开关50连接到微处理器20的中断口，具体使用中，3个开关相互垂直安装，它们分别代表3个维度X,Y,Z，分别连接到微处理器的3个独立中断INT0，INT1，INT2。因此每个开关的震动都能唤醒微处理器，在唤醒后，根据不同开关的信号，可以判断不同的运动方向，或者根据装置静止时3个开关的通断情况确定智能灯的摆放姿态。因此，该实施例利用3个震动开关就实现了三维的动作识别。

如前文所述，采用加速度传感器的控制器很难判定动作的强度（因为理论上从静止到加速再到静止的一个动作只有2个高低电平的转换），但是震动开关在感应到一个震动时，将产生弹簧或者滚珠的多个来回运动，即动作的强度可以直接通过中断数量反映。这种特性可以用于调节灯光的亮度，具体实施时采用脉冲宽度调节PWM技术。如图2所示，微处理器的一个I/O用于控制一个大功率LED灯珠30。由于微处理器单个I/O可提供的电流有限（STC通常灌电流不超过20mA），而整个微处理器运行的总电流有限（如：STC15系列提供的最大总电流不超过200mA），对大功率的LED灯珠，就需要增加三极管等放大器实现大功率输出。因此根据震动的强度调整I/O输出的脉冲宽度，实现灯亮度的调节。

以上仅以几个较佳实施例说明本实用新型的设计意图，led灯唤醒后动作识别的算法，led灯珠的数量和类型选择，动作传感器的选择都可以在本实用新型的描述中得到启发而进行变更，若这些修改在本实用新型要求所述技术范围内，则这些修改依然属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种手势控制的LED智能灯，它包括电池，动作传感器，微处理器和LED灯以及一个用于固定所有部件的壳体，其特征在于：

壳体内外都没有电源开关或者按钮；

动作传感器的输出连接到微处理器的输入中断口；

LED灯的电源通断受微处理器控制；

微处理器具有休眠模式，它的至少一个唤醒中断口连接到动作传感器的输出；

微处理器被唤醒后，动作传感器的信号用于动作识别，并根据识别的动作控制LED灯；

智能灯在点亮并超过设定时间或者通过动作识别确认收到休眠指令后将进入节能休眠状态。

2.根据权利要求1所述的智能灯，其特征在于：动作传感器为模拟加速度传感器，且输出信号连接到微处理器的唤醒输入中断口。

3.根据权利要求2所述的智能灯，其特征在于：动作传感器为3轴模拟加速度传感器，其3路输出口分别与微控制器的3个唤醒输入中断口连接。

4.根据权利要求1所述的智能灯，其特征在于：动作传感器为陀螺仪传感器，重力传感器或者地磁传感器一种或多种组合，且其输出为模拟电压信号，这些信号连接到微控制器的唤醒输入中断口。

5.根据权利要求1所述的智能灯，其特征在于：动作传感器为模拟信号的加速度传感器，陀螺仪，重力传感器或地磁仪的一种或多种组合，且动作传感还包括一个震动开关，震动开关的输出连接到微处理器的一个中断口，用于感应动作的强度。

6.根据权利要求1所述的智能灯，其特征在于：动作传感器为一个弹簧型震动开关，此开关与微处理器的唤醒输入中断连接。

7.根据权利要求1所述的智能灯，其特征在于：动作传感器包括一个弹簧型震动开关和1-3个滚珠型震动开关，每个传感器接入微处理器的独立中断口。

8.根据权利要求1所述的智能灯，其特征在于：动作传感器包括2个或3个滚珠型震动开关，滚珠开关的安装方向相互垂直，每个开关各自连接到微处理器的一个唤醒输入中断口。

9.根据权利要求1-8任一项所述的智能灯，其特征在于：智能灯内含多个LED灯，每个灯由微处理的独立输出口供电或者控制。

10.根据权利要求1-8任一项所述的智能灯，其特征在于：电池为可充电电池，壳体上有充电接口，且此接口也是数据接口，用于连接智能设备实现通讯。