基于NB-IoT的遠程手勢識別系統

摘要：窄帶物聯網技術，簡稱NB-IoT，正成為當下物聯網通信技術的研究熱點。該文基于窄帶物聯網技術設計了一套遠程手勢識別系統。系統采用PAJ7620傳感器采集手勢數據，以STM32L433作為主控芯片，M5311模組作為NB-IoT通信模塊。系統通過NB-IoT網絡連接至中國移動OneNET云平臺，從而使用戶可以在PC端遠程查看終端設備采集的手勢信息。文章給出了系統總框架設計，以及詳細的硬件模塊和軟件流程設計。經過測試驗證，系統可以準確地識別出不同手勢動作并實時將對應數據上傳至云平臺。整套系統支持距離廣，操作靈活，可靠性高，適合用于特定人群進行簡單信息發送或發出警報信號。

關鍵詞：NB-IoT;手勢識別;OneNET云平臺

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）35-0185-03

1 背景

窄帶物聯網（Narrow-Band Internet of Things，NB-IoT）技術，以其低成本、低功耗、廣覆蓋、多連接和高可靠性等特點，正成為新一代物聯網通信技術發展的主流趨勢。與ZigBee，藍牙等無線通信技術相比，NB-IoT技術基于現有的蜂窩網絡，其通信覆蓋范圍得到了極大的拓展。在接入NB網絡后，移動設備的通信距離可達10km以上。采用基于NB-IoT的CoAP協議與LwM2M協議，可實現終端設備與網絡云平臺間的互聯通信，方便用戶遠程對終端進行監控管理、實時控制，以及開發第三方應用程序。基于NB-IoT技術所研發的智能家電、智慧儀表，可穿戴設備等嵌入式產品擁有著廣闊的市場空間[1-2]。

本文基于NB-IoT技術，設計了一套遠程手勢識別系統。當下所流行的手勢識別系統通過將手勢動作轉化為數據信號，與系統中預設的圖像模式進行匹配，從而識別不同動作。這打破了傳統的觸摸屏和物理按鍵對于人機交互界面的限制，為越來越多的智能設備所使用[3]。但普通的手勢識別設備通信距離有限，特別在野外等環境下，終端設備不能快速地實現與網絡服務層間的通信。本文所設計的手勢識別系統充分利用了NB-IoT技術覆蓋距離廣的優勢。在系統通過NB網絡與物聯網云平臺連接后，終端使用者通過簡單的手勢動作就能向云端管理系統實時發送不同信息。這項設計對使用者的語言和文字理解能力要求較低。在NB網絡通信的支持下.系統可以很好地應用于特定人群在戶外進行報警或簡單數據信息的發送。

2 系統框架設計

本文所設計的遠程手勢識別系統，由手勢識別層，NB-IoT網絡層以及云端服務層組成，系統總框架如圖1所示。手勢識別層主要分為手勢識別模塊、系統主控模塊和NB-IoT通信模塊。手勢識別模塊利用光學傳感器采集不同的手勢數據;系統主控模塊讀取采集得到的手勢數據并控制NB-IoT通信模塊發送相關信息;NB-IoT模塊根據主控模塊的指令將數據發送至NB-IoT網絡層中;NB-IoT網絡層主要由運營商現有的基站網絡構成，其根據發送數據中已設置好的目標地址的信息，將前端所采集得到的數據發送至云端服務層;云端服務層采用中國移動推出的物聯網云平臺OneNET，在此網絡平臺上可以實時瀏覽前端設備所上報的手勢信息。

3 系統硬件設計

3.1系統主控模塊

系統主控模塊采用STM32L433RCT6作為主控芯片。該芯片是由意法半導體公司推出的面向低功耗需求的STM32L4系列MCU之一。芯片內部集成了先進的低功耗模擬電路，可在系統運行時根據不同的應用需求來適時調整電壓以實現功耗的動態平衡。STM32L4系列芯片在動態運行模式下功耗可低至36uA/MHz，而在RTC打開的超低功耗模式下功耗可降至200nA[4]。考慮到本文所設計的系統多數時間應用于戶外，續航能力是其關鍵指標。因此，采用具有超低功耗并同時能保持高性能的STM32L4系列芯片作為主控模塊MCU。

主控模塊負責前端傳感器與通信模組的操作控制及數據處理，是整個系統硬件的核心部分。主控模塊通過模擬I2C引腳對手勢識別模塊進行初始化配置，在產生手勢識別中斷后，主控模塊通過讀取傳感器芯片相應地址的數據得到具體的手勢動作信息;同時，主控模塊通過串口與NB通信模塊進行連接。根據特定的AT指令集，主控模塊向NB模塊發送復位、聯網、登錄平臺等操作指令，在成功與云平臺連接后再通過NB模塊實時向平臺上報數據。

3.2手勢識別模塊

手勢識別模塊采用PAJ7620作為手勢識別芯片。PAJ7620是由原相科技公司推出的光學手勢識別傳感器芯片。芯片在工作時通過內部的LED，向外發射紅外線信號。當在有效距離內探測到手勢動作時，芯片中的識別陣列會對從探測目標上獲取的特征原始數據進行識別處理。根據傳感器內置的手勢識別，芯片可判斷上下左右等九種不同的手部姿勢動作。傳感器內置了光源和環境光抑制濾波器，能夠在黑暗環境下工作同時也能在強光環境下抑制外部干擾[5]。

手勢識別模塊工作電路如圖2所示[6]。手勢識別模塊通過I2C接口與主控模塊進行通信，模塊接收主控芯片發送的數據從而完成傳感器的喚醒與初始化配置，而傳感器在識別到手勢數據后通過相應引腳對主控模塊進行喚醒，從而使系統退出低功耗模式，完成手勢動作信息的讀取。

3.3 NB-IoT通信模塊

NB-IoT通信模塊核心采用中移物聯網公司推出的M5311模組。M5311具有高性能，低功耗等特點，模組尺寸僅18mm x16mm x 2.2mm，Idle狀態下耗流為400uA。M5311模組支持LwM2M、HTTP、MQTT以及CoAP等網絡協議，可實現與OneNET云平臺的直連[7]。

M5311工作電路設計如圖3所示。模組通過UART接口接收主控模塊發送的AT指令，再基于特定的物聯網SIM卡與系統天線向網絡層發送信息，完成NB網絡的接入以及云平臺的登錄，數據上報等操作。

4 系統軟件設計

系統軟件設計流程如圖4所示。在系統上電后，主程序首先對系統時鐘以及串口等通信接口進行初始化。系統通過定義的模擬I2C引腳，對PAJ7620傳感器發出喚醒指令并寫入傳感器芯片初始化配置數據，使芯片工作在手勢檢測模式。

在手勢傳感器配置完成后，主程序通過串口發送AT指令對M5311 NB-IoT模組進行復位以及入網連接。在接入NB網絡后，程序首先創建OneNET通信實體。由于系統采用LwM2M協議作為與OneNET平臺進行通信的應用層協議，因此，程序基于LwM2M協議規范對所要實現的遠程手勢識別應用進行Ob-ject對象與Instance實例的添加以及相應資源屬性的配置[8]。在添加完畢后，模組發起OneNET平臺登錄請求，根據平臺返回的登錄結果，判斷是否成功登錄。若登錄失敗或超時，則嘗試重新連接平臺;若登錄成功，則程序上報特定信息，表示設備初始化完成并成功注冊連接至平臺。之后，終端等待一段時間無檢測到手勢則進入低功耗模式，在保證續航能力的同時，監測是否有捕捉到外部手勢動作。

在感應到手勢動作后，傳感器通過外部中斷喚醒CPU。系統退出低功耗模式后，訪問PAJ7620相應寄存器，判斷手勢動作。若識別數據有效，則將手勢動作對應的字符通過NB模組上報OneNET平臺。此時，遠程用戶通過訪問云平臺便可即時獲取系統終端所捕捉的手勢動作信息。動作信息上報完畢，系統定時等待是否有識別到新的手勢動作并繼續上報至平臺;若定時時間內不產生新信息，則系統再次進入低功耗模式。

5 測試驗證

系統向OneNET云平臺上報數據信息的顯示界面如圖5所示。系統在上電登錄云平臺后，發送硬件初始化完成并成功連接平臺的信息，隨后等待約半分鐘時間，無檢測到手勢則進入低功耗模式。在間隔一段時間后，設備使用者通過手勢喚醒系統，系統退出低功耗模式，并上報對應手勢數據。之后，每間隔數秒，使用者以不同手勢進行測試，系統均可識別出不同手勢信息并上報至平臺。系統在定時時間內未識別到新手勢信息，則再次進入到低功耗模式，等待喚醒。

6 結束語

從測試驗證的結果看出，系統可以通過手勢動作從低功耗模式中被喚醒，并將對應數據上傳至云平臺，符合系統預期設計的目標。借助于NB網絡與物聯網云平臺的連接，手勢識別系統的通信距離得到了很大拓展。設備使用者即使身處戶外，通過簡單的手勢就可向云端平臺發送信息;而管理者直接在PC端登錄平臺，就可對終端設備進行遠程監控。整套系統覆蓋范圍廣，操作簡單，靈活性高，為特定人群在戶外環境進行簡單訊息或報警信號的發送提供了便利，具有很好的應用前景。

參考文獻：

[1]解運洲.NB-IoT標準體系演進與物聯網行業發展[J].物聯網學報，2018， 2（1）：76-87.

[2]Abdulkadir Karaagac， Enri Dalipi， Pieter Crombez.et al.Light-weight streaming protocol for the Intemet of MultimediaThings： Voice streaming over NB-IoT[J]. Pervasive and MobileComputing， 2019（59）.

[3]袁博，查晨東.手勢識別技術發展現狀與展望[J].科學技術創新，2018（32）：95-96.

[4]STMicroelectronics. STM32L4系列Conex-M超低功耗微控制器[EB/OL].[2019].https：//www.stmcu.com.cn/Product/pro_de-tail/cat_code/STM32L4/family/81/sub_family/131/layout/prod-uct.

[5]牛作東，李捍東.基于STM32的手勢識別控制器的設計[J].電子測試，2019（6）：20-21， 17.

[6]正點原子.ATK-PAJ7620_V1.2[EB/OL].（2017）[2019].http：//www.openedv.com/thread-233690-1-1.html.

[7]中移物聯網.M5311_產品手冊[EB/OL].[2019]. http：//iot.10086.cn/chipmodule/read/id/501.

[8]蔡友宏.基于NB-IoT和OneNet云平臺的環境監測系統[J].電子技術與軟件工程，2018（24）：51-52.

【通聯編輯：謝媛媛】

收稿日期：2019-10-19

作者簡介：曹飛寒（1991-），男，江蘇宜興人，助教，碩士，研究方向為嵌入式技術。