CN210804020U - 一种室内非接触人机交互装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种室内非接触人机交互装置，包括视频采集模块、智能家居组网通讯模块、控制终端及辅助家电控制器模块；视频采集模块作为装置输入模块，采集室内多个不同视角的普通RGB摄像头数据传输至智能家居组网通讯模块；智能家居组网通讯模块包括Up2 Square控制器及Zigbee通信单元，其中，Up2 Square控制器是模块输入通道，Zigbee通信单元提供装置的遥控接口；控制终端连接辅助家电控制器模块；辅助家电控制器模块包括基于Zigbee控制的继电器开关、电子功率调节器以及红外学习遥控器，本实用新型可根据用户简单自然的手势实现与接入家用电设备的高效交互，且特定家用电设备免开发直接接入。

Description

一种室内非接触人机交互装置

技术领域

本实用新型涉及智能识别、智能交互、智能控制及智能网关技术领域，具体涉及一种室内非接触人机交互装置。

背景技术

室内家居控制装置以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。

传统的室内家居控制装置复杂，且依赖遥控器、键盘、鼠标等固定模式的传统人机交互方式与用户进行交互。传统的人机交互方式虽然较为简单自然，但具有空间的局限性，需要利用人体较多的感官，而且依赖于人与环境及他人的直接接触来进行交互。

手势识别是一种自然直观的人机交互模式，是当下人机交互领域的研究热点。传统的手势识别研究方案具有一定的局限性，如基于深度摄像头的方案对用户与深度摄像头之间的距离有较大限制、人机交互范围较小，基于数据手套方案交互时佩戴传感器手套体验不佳，基于肌电传感器的方案对外部环境有较大限制等。

随着计算机科学技术的发展，人们希望人机之间交互能像人与人之间信息交互一样自然、准确和快捷。

近来，深度学习在计算机视觉上的大规模应用及其优异的实现效果更是给研究人员提供了一个全新的交互方案。它们以人为中心，以多媒体、多通道为交互模式实现人机交互技术的升级。

目前市场还未出现一种基于多视角RGB摄像头的室内非接触人机交互装置来控制不同物联网设备，以达到交互方式简单自然、易学易记、且交互范围大、交互效率高的体验效果。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种室内非接触人机交互装置。

本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种室内非接触人机交互装置，所述人机交互装置包括视频采集模块、智能家居组网通讯模块、控制终端及辅助家电控制器模块；

其中，所述视频采集模块用于采集室内视频流信息，并与智能家居组网通讯模块连接；

所述智能家居组网通讯模块包括Up2 Square控制器及Zigbee通信单元，所述Up2Square控制器与视频采集模块连接，作为智能家居组网通讯模块的数据输入通道，所述Zigbee通信单元与控制终端相连，作为人机交互装置的遥控接口；

所述控制终端与辅助家电控制器模块连接；

所述辅助家电控制器模块包括基于Zigbee控制的继电器开关、电子功率调节器以及红外学习遥控器，其中，所述基于Zigbee控制的继电器开关连接类似台灯的只需开关动作的用电设备，所述电子功率调节器连接电风扇、加热器等需要功率调节大小的用电设备，所述红外学习遥控器连接基于红外控制的用电设备。

进一步地，所述视频采集模块为布置在室内三个不同视角的普通RGB摄像头，为室内非接触人机交互装置提供视频流信息。

进一步地，所述Zigbee通信单元采用Zigbee无线自组网模块CC2530来实现。

进一步地，所述辅助家电控制器模块均采用插座及多路排插方式与用户家庭用电设备连接。

进一步地，所述基于Zigbee控制的继电器开关包括电源单元电路、MCU控制单元电路、继电器单元电路、Zigbee单元电路，

所述电源单元电路由220VAC～DC 12V、DC 12V～DC 5V、DC 5V～DC 3.3V三部分组成。

所述220VAC～DC 12V采用高能立方12V1A开关电源模块HIECUBE220v转12vAC-DCv降压隔离精密模块HQ12P12LRN实现，所述DC 12V～DC 5V通过立锜科技RICHTEK 2A，23V，340kHz单片同步降压型DC/DC转换器RT8295A实现DC-DC开关电源+立锜正输出电压的低压降(LDO)稳压器RT9193-25PB RICHTEK方案，达到输入电压及输出电压的转换目标，所述DC5V～DC 3.3V以立锜正输出电压的低压降(LDO)稳压器RT9193-25PB RICHTEK作为输出。

进一步地，所述继电器单元电路使用宏发JZC-33F-HS3(555)250V 5A4脚超小型中功率继电器，工作电压为直流12V。

进一步地，所述MCU控制单元电路采用STM32单片机，工作效率较高，功耗较低。

进一步地，所述MCU控制单元电路包括LED指示电路LED0、LED指示电路LED1，其中LED指示电路LED0为继电器工作状态指示灯，LED指示电路LED1为信息接收及发送指示灯。

进一步地，所述MCU控制单元电路包括按键输入电路SW1、按键输入电路SW2、按键输入电路SW-R，其中按键输入电路SW-R为复位按键，按键输入电路SW1为本地手动控制继电器按键，按键输入电路SW2为本地地址、ID设置按钮。

进一步地，所述电子功率调节器选用光耦和可控硅控制方式作为功率调整方案，包括电源单元电路、MCU控制单元电路、Zigbee单元电路、过零检测单元电路及可控硅单元电路。

进一步地，所述过零检测单元电路包括电压互感器ZMPT112、全桥滤波电路、集成运放芯片LM358及其匹配电容电阻组成的同相比例放大器、三极管SS8050及其匹配电容电阻组成的反相器。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、相比传统方式，本实用新型的交互方式简单自然、易学易记且交互范围大、交互效率高。让用户实现对视觉范围内所见的用电设备实现控制，即“目之所及，皆触手可及”的人机交互体验。

2、相比其他室内手势交互设备，本实用新型的交互限制较小，交互体验优，精确度较高且成本较低。

3、相比其他室内家居控制装置，本实用新型以手势交互作为交互模式，实现即可凌空交互又可通过传统方式交互的双交互方案，给用户更加舒适自然及方便灵活的体验感。

4、本实用新型采用作为交互装置的中间处理单元，节约了带宽和云端的计算资源，降低了功耗，提高了工作效率，减少延迟。

5、本实用新型的控制设备模块均采用插座及多路排插方式，可方便用户家用电设备直接接入本装置而避免再开发，更加具有通用性。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例提供的室内非接触人机交互装置的结构图；

图2是本实用新型一个实施例提供的室内非接触人机交互装置的工作流程图；

图3是本实用新型中基于Zigbee控制的继电器开关电路原理图；

图4是本实用新型中电子功率调节器电路原理图；

图5是本实用新型中红外学习遥控器电路原理图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，词语“相连”或“连接”，不仅仅包括将两个实体直接相连，也包括通过具有有益改善效果的其他实体间接相连。词语“相等”、相同”“同时”或者其他类似的用语，不限于数学术语中的绝对相等或相同，在实施本专利所述权利时，可以是工程意义上的相近或者在可接受的误差范围内。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。

在本实用新型的各种实施例中，表述“各或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“出或B出或“出或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本实用新型的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所公开的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本实用新型的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

实施例

图1所示是本实用新型中一种室内非接触人机交互装置一个具体实例的结构图，本实施例中，室内非接触人机交互装置包括视频采集模块1、智能家居组网通讯模块2、控制终端3及辅助家电控制器模块4。

其中，视频采集模块1为部署在室内的三个不同视角的普通RGB摄像头，视频采集模块1与智能家居组网通讯模块2中的Up2 Square控制器21通过以太网连接，可实现室内视频流的采集并传输给智能家居组网通讯模块2。智能家居组网通讯模块2中Up2 Square控制器21作为人机交互装置的核心器件，分别与视频采集模块1及智能家居组网通讯模块2中的Zigbee通信单元22连接，用于完成视频流的分析、用户运动检测及压缩，通过三维重建还原用户空间姿态，并利用重建的三维姿态信息判断用户所要控制的对象及其操作意图，智能家居组网通讯模块2将推断出的用户动作意图信息通过Zigbee通信单元22传输给控制终端3。采用高性能的GPU云端运算服务器，通过运行人体姿态估计网络识别用户关键节点在RGB图像中的坐标，实现图像到人体二维姿态信息的转化，并将识别结果传输给智能家居组网通讯模块2。

控制终端3分别与智能家居组网通讯模块2及辅助家电控制模块4连接，用于将用户的操作示意图行为翻译成物联网设备能够理解的指令，并将控制指令传输给辅助家电控制器模块4。Zigbee通信单元22为Zigbee协调器，负责搭建用电设备及辅助家电控制器模块4、控制终端3之间的通讯桥梁。

辅助家电控制器模块4包括基于Zigbee控制的继电器开关41、电子功率调节器42以及红外学习遥控器43；其中，Zigbee控制的继电器开关41负责驱动类似台灯的只需开关动作的用电设备，电子功率调节器42负责驱动电风扇、加热器等需要功率调节大小的用电设备，红外学习遥控器43负责对接家中基于红外控制的用电设备。

本实用新型中的室内非接触人机交互装置可根据用户不同的手势来控制室内所接入系统的家用电设备的运行状态。

由于家庭环境中用户不可能时刻都在运动，大部分时间用户都是处于静止的状态，这种状态下肯定不是在进行控制，因此没有必要把摄像头的数据发送给云端服务器进行处理，故采用智能家居组网通讯模块2作为中间处理装置，智能家居组网通讯模块2会分析输入的视频流，只有检测到视频流中用户有大幅度的运动的时候再结合室内的环境少动多静的图像特点对视频流数据进行压缩后才上传到云端服务器进行进一步的分析，极大地节约带宽资源，降低延迟。

其中，云端服务器采Open Pose的深度网络结构实时多人的2D姿态估计，在所控范围内跟踪用户手部运动状态，实现三维的数据流信息转化为二维的RGB图像坐标，并将估计所得的位置信息传输给智能家居组网通讯模块2。

在另一个实施例中，视频采集模块1采用三个RGB摄像头实现室内用户状态的实时监控，采集室内视频流信息，并通过以太网发送至智能家居组网通讯模块2，一般情况下双摄像头就能实现图像的三维重建，但采用三个RGB摄像头可以提高精确度，基于此，在较低成本下实现较高精确度，较高自由度，较大范围及较多信息量的摄像数据采集。

其中，智能家居组网通讯模块2实现用户操作意图的判断，进而通过控制终端3控制辅助家电控制模块4。

Zigbee通信模块22采用所述Zigbee通信单元采用CC2530Zigbee无线自组网模块来实现实现对家居的智能控制。

辅助家电控制器模块4均采用插座及多路排插方式，可方便用户家庭用电设备直接接入本系统而避免再开发，包括基于Zigbee控制的继电器开关41、电子功率调节器42以及红外学习遥控器43，三种不同的设备分别控制不同类型的家电设备。

其中，基于Zigbee控制的继电器开关41由电源单元电路、MCU控制单元电路、继电器单元电路、Zigbee单元电路共同组成，主要应用于控制台灯、日光灯等仅需简单开关动作的用电设备。

电源单元电路由220VAC～DC 12V、DC 12V～DC 5V、DC 5V～DC3.3V三部分组成。

上述220VAC～DC 12V采用高能立方12V1A开关电源模块HIECUBE220v转12vAC-DCv降压隔离精密模块HQ12P12LRN实现。

上述DC 12V～DC 5V通过立锜科技RICHTEK 2A，23V，340kHz单片同步降压型DC/DC转换器RT8295A实现DC-DC开关电源+立锜正输出电压的低压降(LDO)稳压器RT9193-25PBRICHTEK方案，达到输入电压及输出电压的转换目标.

上述DC 5V～DC 3.3V以立锜正输出电压的低压降(LDO)稳压器RT9193-25PBRICHTEK作为输出。

继电器单元电路使用宏发JZC-33F-HS3(555)250V 5A 4脚超小型中功率继电器，工作电压为DC 12V。

MCU控制单元电路采用STM32单片机，工作效率较高，功耗较低。

MCU控制单元电路中的LED0、LED1为LED指示电路，其中LED0为继电器工作状态指示灯，其亮灭状态跟随着继电器的开闭。LED1为信息接收及发送指示模块，在正确接收及发送信息时，LED1以500ms频率闪烁三次。

MCU控制单元电路中的SW1、SW2、SW-R为按键输入电路。其中SW-R为复位按键，按下实现stm32单片机复位重启，SW1为本地手动控制继电器按键，每次按下实现继电器开关状态切换。SW2为本地地址、ID设置按钮。RLYI1通过ULN2003驱动IC实现电平转换，进而实现对继电器的控制。

电子功率调节器42选用光耦和可控硅控制方式作为功率调整方案，由电源单元电路、MCU控制单元电路、Zigbee通讯单元电路、过零检测单元电路及可控硅单元电路组成；电子功率调节器42具有记忆功能，即启动时以上次关闭时调节状态为准，主要应用于智能家居场景中风扇，加热器等需要进行功率调节的用电设备。

电子功率调节器42中过零检测单元电路由ZMPT112电压互感器、SS12组成的全桥滤波、LM358的集成运放及其匹配电容电阻组成的同相比例放大器、以及三极管SS8050及其匹配电容电阻组成的反相器组成。

过零检测单元电路采用ZMPT112电压互感器、由SS12组成的全桥滤波结构，并应用由LM358的集成运放及其匹配电容电阻组成的同相比例放大器、以及三极管SS8050及其匹配电容电阻组成的反相器。

红外学习遥控器43具有学习功能，能够学习并储存相同基于38KHz载波的红外信号；并能在接收到控制信号之后将学习记录的红外信号发出。红外学习遥控器43能同时兼容不同厂商的红外设备，主要应用于接入家中电视、空调等基于红外学习遥控器43控制的用电设备。

红外学习遥控器43为能向多个不同角度、多个不同方向发射红外信号的小型红外发射器，所述红外学习遥控器43学习并储存相同基于38KHz载波的红外信号，并能在接收到控制信号之后将学习记录的红外信号发出，进而控制接入家中基于红外遥控器控制43的用电设备。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种室内非接触人机交互装置，其特征在于，所述人机交互装置包括视频采集模块、智能家居组网通讯模块、控制终端及辅助家电控制器模块；

其中，所述视频采集模块用于采集室内视频流信息，并与智能家居组网通讯模块连接；

所述智能家居组网通讯模块包括Up2 Square控制器及Zigbee通信单元，所述Up2Square控制器与视频采集模块连接，作为智能家居组网通讯模块的数据输入通道，所述Zigbee通信单元与控制终端相连，作为人机交互装置的遥控接口；

所述控制终端与辅助家电控制器模块连接；

所述辅助家电控制器模块包括基于Zigbee控制的继电器开关、电子功率调节器以及红外学习遥控器，其中，所述基于Zigbee控制的继电器开关连接只需开关动作的用电设备，所述电子功率调节器连接需要功率调节大小的用电设备，所述红外学习遥控器连接基于红外控制的用电设备。

2.根据权利要求1所述的一种室内非接触人机交互装置，其特征在于，所述视频采集模块为布置在室内n不同视角的普通RGB摄像头，其中，n>＝2。

3.根据权利要求1所述的一种室内非接触人机交互装置，其特征在于，所述辅助家电控制器模块均采用插座及多路排插方式与用户家庭用电设备连接。

4.根据权利要求1所述的一种室内非接触人机交互装置，其特征在于，所述基于Zigbee控制的继电器开关包括电源单元电路、MCU控制单元电路、继电器单元电路、Zigbee单元电路，其中，

所述电源单元电路包括220VAC～DC 12V电路、DC 12V～DC 5V电路、DC 5V～DC 3.3V电路。

5.根据权利要求4所述的一种室内非接触人机交互装置，其特征在于，所述继电器单元电路使用宏发JZC-33F-HS3 250V 5A 4脚超小型中功率继电器，工作电压为直流12V。

6.根据权利要求1所述的一种室内非接触人机交互装置，其特征在于，所述电子功率调节器选用光耦和可控硅控制方式进行功率调整，包括电源单元电路、MCU控制单元电路、Zigbee单元电路、过零检测单元电路及可控硅单元电路。

7.根据权利要求4或者6所述的一种室内非接触人机交互装置，其特征在于，所述MCU控制单元电路采用STM32单片机；

所述MCU控制单元电路包括LED指示电路LED0、LED指示电路LED1，其中LED指示电路LED0为继电器工作状态指示灯，LED指示电路LED1为信息接收及发送指示灯；

所述MCU控制单元电路还包括按键输入电路SW1、按键输入电路SW2、按键输入电路SW-R，其中按键输入电路SW-R为复位按键，按键输入电路SW1为本地手动控制继电器按键，按键输入电路SW2为本地地址、ID设置按钮。

8.根据权利要求6所述的一种室内非接触人机交互装置，其特征在于，所述过零检测单元电路包括电压互感器ZMPT112、全桥滤波电路、集成运放芯片LM358及其匹配电容电阻组成的同相比例放大器、三极管SS8050及其匹配电容电阻组成的反相器。

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