手势控制智能家居系统设计

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[摘 要]针对传统智能家居存在的操作不方便、识别方式不准确等问题，设计了手势控制智能家居系统，该系统通过MPU6050姿态传感器感知用户手势姿态数据，利用无线模块将数据发送至系统本地端，由本地端对数据进行处理并实现智能家居的控制，有效减小了控制设备的体积并优化了控制方式。仿真实验验证了本系统的实用性与优越性，用户体验良好。

[关键词]手势控制，智能家居

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）08-0167-01

0 引言

随着社会的发展和生活水平的提高，智能家居逐渐走入人们的生活。当前市场上存在多种类型的智能家居，如，遥控式、互联网式、声控式等等，但是现有的智能家居仍然存在着操作复杂、控制方式不精确、用户体验差等问题，这些问题制约着智能家居的发展。问题多由控制方式复杂导致，因此，智能家居急需一种简单方便的控制方式[1]。与此同时，嵌入多种传感器的可穿戴电子设备发展迅速，运动手环、智能运动鞋、谷歌眼镜等产品纷纷进入人的生活。设计一种使用可穿戴设备控制的智能家居，用户使用一些简单好记的手势即可控制智能家居，以提高智能家居的用户体验[2]。

1 系统设计思路

整个系统分为佩戴式手势控制装置和本地端控制系统两部分，佩戴端可以在用户需要操作家居时采集当前用户手势运动数据，包括手势的角度和加速度，并将这些数据通过蓝牙实时传输给本地端，本地端负责对这些数据进行处理，通过对比预先编好的功能表，即可实现操作对应家居的功能[3]。

2 佩戴式手势装置

2.1 硬件设计

手势控制端主要包括STM32C8T6、MPU6050和蓝牙模块。STM32C8T6是一款小型的ARM单片机，可以在保证运算速度的前提下缩小硬件体积；MPU6050是一个姿态传感器，可以检测出当前手势在X、Y、Z轴上的角速度和加速度，通过姿态解算程序，即可得出用户的角度手势数据。为了达到缩小体积，方便用户使用的目的，我们采用了印刷电路板的方式来制作佩戴端，进过多次改进设计方案，我们最终设计了如图1所示的5×5（cm）的PCB，电路图如图2。

2.2 软件设计

佩戴式手势控制端的软件部分主要功能是，在用户按下操作按键后的一小段时间内利用欧拉角解算MPU6050采集到的角加速度信息，计算出用户手势的角度数据，再利用蓝牙模块将角度数据实时传输给本地端，以达到控制家居的目的。下面具体介绍姿态解算算法。图3是使用欧拉角描述一次平面旋转：

设原坐标系绕Z轴旋转α角，原X轴矢量为，则旋转后的X轴矢量投影为，Y轴同理，由于是绕Z轴旋转，所以Z轴坐标未变，即有：

转化成矩阵形式为：

经过整理：

以上为绕一个坐标轴旋转一定角度的过程，可以得到对应的旋转矩阵，同理，也可以得到绕Y、Z轴单次旋转的旋转矩阵。而在现实中用户的手势动作可以看做是三维空间中三个坐标轴的欧拉角各旋转一次。

将三次的旋转阵相乘，即可得到表示此三维旋转过程的方向余弦矩阵，然后套用欧拉角微分方程，即可得到欧拉角结算出来的姿态：

上式左边是本次更新后的欧拉角，对应绕X、Y、Z轴的夹角。右侧是上个周期测算出的角度，三个角速度由安装在手势控制端的陀螺仪在这个周期内测得，陀螺仪根据一定周期内转动的角度（单位为弧度）除以周期T计算得到的。因此求解这个微分方程即可得出这一时刻的欧拉角。

3 本地端控制系统

本地端主要包括蓝牙模块、STM32F103ZET6和LED小灯等组成，本地端蓝牙模块设置为从模式，与手势控制端的主模块通过地址绑定后一对一通信，负责接收佩戴端的角度数据，当有数据进来时，单片机将之与预定角度范围比较，当符合时，点亮LED或控制对应电器，并屏蔽接下来一小段时间的蓝牙数据。不符合时，继续接收数据进行比较。

在实现点亮LED的基本功能后，设计规划了智能家居控制功能表，进而拓展智能家居的数量，通过不同的角度范围组合，可以实现控制多种智能家居。同时，为了尽量扩展可控制的智能家居数量、规范控制方式，设计编写了特定的通信协议。

4 结语

本系统实现了利用手势控制智能家居的目标，可以起到简化智能家居操作、提高用户体验的作用，通过拓展功能表还可实现更多的智能家居控制。并且手势控制端具有便利性和通用性，可控制更多更丰富的设备、可推广到更多领域，让更多人体验到科技发展的便利。

参考文献

[1] 朱敏玲，李宁.智能家居发展现状及未来浅析[J]. 电视技术，2015，（04）：82-85.

[2] 邓中祚.智能家居控制系统设计与实现[D].哈尔滨工业大学，2015.

[3] 吴建军.智能家居系统软件设计与实现[D].电子科技大学，2014.

课题研究受到中国民航大学大学生创新创业训练项目（IECAUC2016158）资助.