快速設(shè)計(jì)您自己的低成本 3D 手勢(shì)控制器

旋鈕、按鈕、手柄和觸摸屏是人類與機(jī)器和嵌入式設(shè)備的常用交互方式。不過，傳感器技術(shù)的最新進(jìn)展開辟了一條全新的道路，使開發(fā)人員可為產(chǎn)品添加三維 (3D) 手勢(shì)控制。

由于所采用的技術(shù)各不相同，購買和集成手勢(shì)控制器可能成本高昂。然而，市面上手勢(shì)傳感器技術(shù)種類繁多，從使用紅外 LED 和光電二極管來檢測(cè)動(dòng)作的經(jīng)濟(jì)型傳感器，到昂貴的手勢(shì)識(shí)別相機(jī)。紅外手勢(shì)傳感器經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，可以通過數(shù)字接口與低成本微控制器連接，只需輔以簡(jiǎn)單的軟件，精度足以應(yīng)對(duì)許多應(yīng)用。

本文探討了使用Broadcom的APDS-9960進(jìn)行手勢(shì)控制的方法。幾乎所有嵌入式系統(tǒng)都可輕松集成這款紅外 (IR) 手勢(shì)控制傳感器。

基于 IR 的手勢(shì)傳感器

基于 IR 的手勢(shì)傳感器原理十分簡(jiǎn)單。用于檢測(cè)手勢(shì)時(shí)，開發(fā)人員可能需要檢測(cè)以下幾種不同手勢(shì)：

向上/向下

向左/向右

向前/向后

在上述每種情況下，傳感器都需要檢測(cè)運(yùn)動(dòng)方向，而這主要通過傳感器的兩大組件來實(shí)現(xiàn)：一個(gè)發(fā)光二極管 (LED) 和多個(gè)定向光電二極管。定向光電二極管由至少四個(gè)光電二極管組成，分別置于距 IR LED 預(yù)定義距離處。例如，Broadcom 的 APDS-9960 環(huán)境光、接近度和手勢(shì)傳感器將四個(gè)光電二極管布置為菱形，每個(gè)二極管用于指示一個(gè)方向，分別為上、下、左和右（圖 1）。

圖 1：Broadcom 的 APDS-9960 具有一個(gè)集成 IR LED 和四個(gè)定向光電二極管，可檢測(cè)反射的 IR 能量以分析手勢(shì)。（圖片來源：Broadcom）

當(dāng) LED 發(fā)射紅外能量時(shí)，除非遇到手等物體發(fā)生反射，否則能量就會(huì)發(fā)射至空氣中。光電二極管將檢測(cè)到不同強(qiáng)度的反射能量，具體取決于物體的位置。例如，相比位于手勢(shì)后邊緣的光電二極管，前邊緣光電二極管最初接收的反射能量較少，從而導(dǎo)致一個(gè)光電二極管的計(jì)數(shù)值比另一個(gè)高。在手勢(shì)動(dòng)作過程中，連續(xù)測(cè)量將導(dǎo)致不同位置的光電二極管檢測(cè)的反射能量強(qiáng)度不同，而分析該方向信息流即可確定手勢(shì)。

例如，若用戶用手從傳感器的頂部輕掃至底部，則在手勢(shì)動(dòng)作之初，下方光電二極管檢測(cè)的入射光比上方光電二極管更強(qiáng)；在手勢(shì)動(dòng)作期間，手逐漸移動(dòng)到兩個(gè)二極管接收能量相等的點(diǎn)；而在手勢(shì)動(dòng)作完成時(shí)，下方光電二極管接收的反射光較弱，而上方光電二極管接收的更強(qiáng)，此時(shí)兩光電二極管的曲線和相位完全反轉(zhuǎn)（圖 2）。

圖 2：Broadcom 的 APDS-9960 檢測(cè)到向下手勢(shì)將生成以上光電二極管曲線，其中主導(dǎo)曲線指示手勢(shì)方向。（圖片來源：Broadcom）

了解手勢(shì)數(shù)據(jù)的生成原理后，下一步就來看看如何連接到 APDS-9960。

連接 Broadcom 的 APDS-9960 手勢(shì)控制器

APDS-9960 采用 8 引腳表面貼裝 (SMD-8) 封裝，占用印刷電路板空間極?。▓D 3）。傳感器尺寸僅為 3.94 × 2.36 × 1.35 mm。該封裝包含正常電源和接地引腳、用于連接微控制器的 I2C 數(shù)字接口，以及用于定制 LED 驅(qū)動(dòng)電路的引腳。此外，該封裝還包含中斷引腳，可用于通知微控制器處理可用的手勢(shì)數(shù)據(jù)。

圖 3：APDS-9960 采用緊湊型表面貼裝 SMD-8 封裝，可最大限度減少電路板空間。（圖片來源：Broadcom）

構(gòu)建原型并連接 APDS-9960 有幾種不同選項(xiàng)可供選擇。例如，SparkFun的APDS-9960 評(píng)估板提供了包括 LED 驅(qū)動(dòng)電路在內(nèi)的小型分線板，以便實(shí)現(xiàn)開箱即用（圖 4）。開發(fā)人員只需焊接針座以通過旁路繞過電源和接地，并將 I2C 總線和可選的中斷引腳連接至微控制器，即可著手開發(fā)嵌入式軟件了。此外，SparkFun 評(píng)估板還包含安裝孔，若現(xiàn)有電路板有助于實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，則可直接運(yùn)用到設(shè)計(jì)中。

圖 4：SparkFun 的 APDS-9960 評(píng)估板包含著手開發(fā)手勢(shì)控制所需的所有板載電路。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

或者，開發(fā)人員也可使用Adafruit的APDS-9960 分線板，這也是一款一體化解決方案（圖 5）。Adafruit 分線板很有意思，盡管外形小巧，卻還包含 3 V 板載穩(wěn)壓器，可用于為電源 LED 甚至低功耗微控制器等附加電路供電。最重要的是，Adafruit 為開發(fā)人員提供了完善的 Adafruit APDS9960 分線板用戶指南，以及若干軟件庫可用于連接 Arduino 板或運(yùn)行 Python 的開發(fā)板。因此，使用 APDS-9960 可輕松實(shí)現(xiàn)開箱即用，從而大幅縮短開發(fā)人員著手使用手勢(shì)傳感器所花費(fèi)的時(shí)間。

圖 5：Adafruit 的 APDS-9960 分線板包括 APDS-9960、3 V 板載穩(wěn)壓器和 I2C 電壓轉(zhuǎn)換電路以支持 3 V 或 5 V 總線。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

連接上述分線板的最簡(jiǎn)單方法是將Molex22-28-4255分離式針座焊接至電路板上。最好將針座朝下焊接，可實(shí)現(xiàn)多種優(yōu)勢(shì)：首先，可將電路板直接插入某個(gè)試驗(yàn)板，如Digilent的340-002-1無焊試驗(yàn)板套件（圖 6）。其次，不要在該電路板上表面接線，以免手勢(shì)動(dòng)作時(shí)意外觸及掛在針座上的電線。

圖 6：Digilent 無焊試驗(yàn)板上焊接好的 Adafruit APDS-9960 分線板。（圖片來源：Adafruit）

此時(shí)，需要連接電源和接地，并將 I2C 總線連接至所需的微控制器開發(fā)板。任何帶微控制器的開發(fā)板都可使用。但最好選擇STMicroelectronics用于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的B-L475E-IOT01A2STM32L475 開發(fā)套件（圖 7）。該開發(fā)板具有 Arduino 針座，并且由 MicroPython 提供支持，可在該開發(fā)板上輕松編程。完成此操作后，即可使用 Python 腳本連接手勢(shì)傳感器，從而使手勢(shì)控制不僅可行，而且輕而易舉。

圖 7：STM32L475 物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)開發(fā)套件包含 Arduino 針座，可輕松連接到 APDS-9960 分線板。（圖片來源：STMicroelectronics）

使用 Python 檢測(cè)手勢(shì)

從 APDS-9960 獲取手勢(shì)數(shù)據(jù)雖不復(fù)雜，卻要求開發(fā)人員仔細(xì)閱讀規(guī)格書。APDS-9960 具有多種不同功能，其中包括：

手勢(shì)感應(yīng)

環(huán)境光感應(yīng)

RGB 顏色感應(yīng)

接近感應(yīng)

上述功能均由狀態(tài)機(jī)控制，而狀態(tài)機(jī)的執(zhí)行則基于應(yīng)用的寄存器設(shè)置。例如，防止手勢(shì)引擎一直執(zhí)行的妙招是使用接近感應(yīng)引擎來檢測(cè)手的存在。一旦 IR 反射能量達(dá)到預(yù)設(shè)計(jì)數(shù)，則由接近引擎轉(zhuǎn)換為手勢(shì)引擎，手勢(shì)引擎測(cè)量定向光電二極管并將測(cè)量值放入先進(jìn)先出 (FIFO) 緩沖器。為了啟用該功能，需要設(shè)置控制寄存器啟用接近感應(yīng)，并設(shè)置計(jì)數(shù)閾值。

開發(fā)人員可能需要編寫算法以檢測(cè)特定的手勢(shì)，具體取決于應(yīng)用所需的手勢(shì)。然而，對(duì)于向上/向下和向左/向右等常見手勢(shì)，開發(fā)人員可以使用 Adafruit 的 APDS-9960CircuitPython 庫。將該庫復(fù)制到 Python 設(shè)備后，即可使用清單 1 所示代碼導(dǎo)入。該代碼可導(dǎo)入 APDS-9960 庫以及支持 I2C 總線的多個(gè)庫。

副本 import board import busio import adafruit_apds9960.apds9960 i2c = busio.I2C(board.SCL, board.SDA) sensor = adafruit_apds9960.apds9960.APDS9960(i2c)

清單 1：用于連接 APDS-9960 手勢(shì)控制器的 CircuitPython 導(dǎo)入和庫初始化代碼。（圖片來源：Adafruit）

傳感器對(duì)象是 APDS-9960 庫中一個(gè)實(shí)例。稍后，我們將看到其易用性。為了啟用手勢(shì)，開發(fā)人員只需使用以下代碼啟用手勢(shì)功能：

副本 sensor.enable_gesture = True The main program loop setup to read the gesture is itself just a few lines of code (Listing 2).gesture = sensor.gesture() while gesture == 0: gesture = sensor.gesture() print('Saw gesture: {0}'.format(gesture))

清單 2：只需簡(jiǎn)單重復(fù)調(diào)用單個(gè)庫即可檢測(cè)手勢(shì)。（圖片來源：Adafruit）

閱讀該代碼后，您定會(huì)發(fā)現(xiàn)若感測(cè)到手勢(shì)，則將在屏幕上打印檢測(cè)的手勢(shì)（圖 8）。

圖 8：Adafruit 的 APDS-9960 CircuitPython 庫手勢(shì)輸出結(jié)果示例。（圖片來源：Adafruit）

手勢(shì)可以數(shù)字形式輸出，使用以下鍵值即可輕松轉(zhuǎn)換：

0 = 未檢測(cè)到手勢(shì)

1 = 檢測(cè)到向上手勢(shì)

2 = 檢測(cè)到向下手勢(shì)

3 = 檢測(cè)到向左手勢(shì)

4 = 檢測(cè)到向右手勢(shì)

如圖所示，借助預(yù)先導(dǎo)入的庫，只需幾行代碼即可輕松實(shí)現(xiàn)基本手勢(shì)識(shí)別。識(shí)別更為復(fù)雜的手勢(shì)則需要修改庫以分析原始手勢(shì)數(shù)據(jù)。

構(gòu)建手勢(shì)控制器的技巧與訣竅

構(gòu)建手勢(shì)控制傳感器并將其集成于產(chǎn)品著實(shí)具有一定挑戰(zhàn)性。使用基于紅外線的手勢(shì)控制器時(shí)，開發(fā)人員需要考慮使用以下幾個(gè)“技巧與訣竅”：

使用手勢(shì)傳感器的內(nèi)部接近檢測(cè)器來觸發(fā)手勢(shì)控制引擎，從而最大限度地減少無效手勢(shì)啟動(dòng)。

從現(xiàn)有手勢(shì)庫開始，在現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上構(gòu)建其他手勢(shì)。

將光電二極管增益調(diào)整為適合最終手勢(shì)應(yīng)用的最佳值。

將 LED 輸出驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度調(diào)整為適合應(yīng)用的最佳值，或許需要稍作調(diào)整才能獲得可重復(fù)使用的數(shù)值。

無論開發(fā)何種手勢(shì)應(yīng)用，開發(fā)人員都應(yīng)從高級(jí)軟件開發(fā)入手，待充分熟悉該傳感器后再轉(zhuǎn)而使用較低級(jí)別的代碼。

遵循上述技巧有助于確保開發(fā)人員花費(fèi)最短的時(shí)間來啟動(dòng)和運(yùn)行 IR 手勢(shì)控制器。

總結(jié)

人們不斷追求以更自然、更直觀的方式進(jìn)行人機(jī)交互，而其中一種重要方式就是使用手勢(shì)控制技術(shù)。盡管市面上手勢(shì)控制技術(shù)種類繁多，但論及成本最低、使用最便捷的技術(shù)還屬基于紅外線的手勢(shì)傳感器。如上所述，如果開發(fā)人員利用現(xiàn)有的硬件和軟件技術(shù)，則將手勢(shì)傳感器與微控制器集成在一起，亦可省時(shí)省力，簡(jiǎn)單易用。