手勢(shì)控制的LED變形燈設(shè)計(jì)

王寧 王巍 牛萍娟

摘 ?要： 針對(duì)LED燈具互動(dòng)性差，造型單一的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一種基于手勢(shì)控制的LED吊燈。該設(shè)計(jì)以STM32為控制核心，包括無線WiFi模塊、手勢(shì)識(shí)別模塊、燈光控制模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。所設(shè)計(jì)的LED吊燈具有手勢(shì)控制和手機(jī)APP控制兩種控制模式，具備亮度調(diào)節(jié)、色溫調(diào)節(jié)、顏色變換等功能。燈罩的展開與閉合，改變燈具的照明角度，實(shí)現(xiàn)變形的效果。該設(shè)計(jì)通過WiFi技術(shù)接入家庭局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)燈具的網(wǎng)絡(luò)化、智能化。

關(guān)鍵詞： LED照明; 手勢(shì)控制; 變形燈具; 程序設(shè)計(jì); 嵌入式系統(tǒng); 智能照明

中圖分類號(hào)： TN345?34; TP391.4 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）02?0024?05

Design of LED deformation lamp controlled by gestures

WANG Ning， WANG Wei， NIU Pingjuan

Abstract： A LED chandelier based on gesture control is designed to improve the current situation of poor interactivity and single shape of LED lamps， in which STM32 is taken as the control core， including wireless Wi?Fi module， gesture recognition module， light control module， key control module and motor drive module. The designed LED chandelier has two control modes of gesture control and mobile phone APP control， and has the functions of brightness adjustment， color temperature adjustment and color transformation. The illumination angle of lamp is changed by unfolding and closing the lampshades to achieve its deformation effect. In this design， the home LAN can be accessed with the WiFi technology to realize networking and intelligentization of the LED chandelier.

Keywords： LED lighting; gesture control; deformation lamp; program design; embedded system; intelligent lighting

0 ?引 ?言

隨著LED技術(shù)的飛速發(fā)展，LED照明燈具已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種照明場(chǎng)合[1]。在家居照明或特定照明場(chǎng)合時(shí)，LED照明燈具應(yīng)具備調(diào)光和調(diào)色功能，以滿足照明舒適性的需求[2]。一體化燈具能夠與傳感器相結(jié)合、與環(huán)境變化相關(guān)聯(lián)與其他設(shè)備相聯(lián)動(dòng)，照明燈具已經(jīng)向高附加值、高技術(shù)、模塊化及智能化方向發(fā)展[3]。運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，融合造型創(chuàng)新的燈具設(shè)計(jì)，使燈具變得更加生動(dòng)，并富有彈性[4]。隨著燈具的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，燈具設(shè)計(jì)正逐漸擺脫傳統(tǒng)的固定靜止形態(tài)，向著多元可調(diào)控的方向發(fā)生改變[5]。手勢(shì)控制技術(shù)使得人機(jī)交互更簡(jiǎn)單、自然，可以用適當(dāng)?shù)氖謩?shì)來控制周圍的設(shè)備，不再局限于接觸式操作[6]。燈具與人的交互主要體現(xiàn)為實(shí)物操作性和空間操作性，即燈具感知人體動(dòng)作，產(chǎn)生外形變化和色彩變換。

本文設(shè)計(jì)一種手勢(shì)控制的LED變形燈，通過手勢(shì)識(shí)別，可以切換不同模式，實(shí)現(xiàn)不同的燈光效果;通過手勢(shì)控制，只要手在空中動(dòng)一動(dòng)，就可以調(diào)節(jié)燈具的照明角，增強(qiáng)了人與燈的交互;燈具通過WiFi模塊接入家庭局域網(wǎng)，并通過局域網(wǎng)連接到云平臺(tái)上，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制燈具，提高了燈具的智能化程度。

1 ?燈具外觀設(shè)計(jì)

1.1 ?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

燈具變形是指燈具的外形可以改變，提高了產(chǎn)品的靈活性和適應(yīng)性。變形效果是通過燈罩的張開與閉合實(shí)現(xiàn)的，通過想象，搭建的燈具骨架如圖1所示。

變形燈的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括三向節(jié)、滑動(dòng)連接件、龍骨。6個(gè)吊繩連接點(diǎn)與吊燈上部的收線器與水晶線相連。當(dāng)收線器收線時(shí)，吊繩連接點(diǎn)被吊起;當(dāng)收線器放線時(shí)，吊繩連接點(diǎn)被放下，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了燈具的變形。

1.1.1 ?三向節(jié)設(shè)計(jì)

三向節(jié)用于連接3個(gè)龍骨，并使其中兩個(gè)龍骨可以在水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)第3個(gè)龍骨可以在豎直方向上轉(zhuǎn)動(dòng)。三向節(jié)可以在空間多個(gè)方向同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，其模型圖如圖2所示。

1.1.2 ?滑動(dòng)連接件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)一組兩個(gè)形狀相同尺寸不同的滑動(dòng)連接件結(jié)構(gòu)，3D模型圖如圖3所示。零件四周有6個(gè)均勻分布的突出，用于和支撐燈罩的6根龍骨相連接。底部的連接件固定不動(dòng)，以保持燈罩主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。頂部連接件可以自由的上下滑動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)燈罩主體框架結(jié)構(gòu)上下移動(dòng)，以達(dá)到燈罩的張開和閉合的效果。

1.1.3 ?連接件和緊固件設(shè)計(jì)

為保證龍骨和三向節(jié)、滑動(dòng)連接件之間的可靠連接，使龍骨自由轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)計(jì)了連接固定件組合，如圖4所示。圖4a）中，右側(cè)部分插入空心龍骨，而左側(cè)圓環(huán)插入滑動(dòng)連接件的突起部分，并用圖4b）的緊固件加以固定。

1.1.4 ?收線器設(shè)計(jì)

為使整個(gè)框架實(shí)現(xiàn)變形，在主體框架的頂部增加電機(jī)繞線裝置，模型如圖5所示。零件整體呈現(xiàn)柱狀，兩個(gè)電機(jī)通過兩邊的通孔與繞線裝置相連接。收線器的兩邊有兩個(gè)對(duì)稱的深槽，用來收線并存放吊線，中間深槽是隔離裝置，為避免兩股水晶線纏繞在一起。電機(jī)正轉(zhuǎn)，收線器執(zhí)行收線操作;電機(jī)反轉(zhuǎn)，收線器執(zhí)行放線操作。

利用3D打印機(jī)將上述設(shè)計(jì)模型打印出來，經(jīng)過組合拼裝后，構(gòu)成變形燈的主體結(jié)構(gòu)。控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)收放吊繩，從而實(shí)現(xiàn)燈罩的張開與閉合。

1.2 ?角度尺寸設(shè)計(jì)

基于形式美學(xué)原則[6]，在整體尺寸設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了一些特定的角度，滿足大眾的審美，如圖6所示。滿足：7≤[LS]≤9，則角度A取值可為30°，45°，60°，從而保證了設(shè)計(jì)的美觀性。燈具的主體尺寸的高和燈罩最大直徑之比近似為黃金分割比0.618，同時(shí)燈罩的最小直徑與燈具的高之比也近似為黃金分割比0.618。由于黃金分割比例能對(duì)人的視覺產(chǎn)生適度的刺激，它的長(zhǎng)短比例正好符合人的視覺習(xí)慣，所以這種比例在造型上比較悅目，符合大眾對(duì)美的要求。

2 ?控制電路設(shè)計(jì)

手勢(shì)控制變形燈，以STM32為控制核心，包括無線WiFi模塊、手勢(shì)識(shí)別模塊、燈光控制模塊、按鍵控制模塊，其結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的IN1～I(xiàn)N4分別接STM32單片機(jī)的PD0～PD3。WiFi模塊與STM32單片機(jī)的串行接口PB10和PB11相連。燈光控制模塊的PWM1～PWM3分別接單片機(jī)的PB0，PB1，PB5。手勢(shì)控制模塊與單片機(jī)的I2C接口相連。

2.1 ?單片機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)系統(tǒng)由STM32F103ZET6單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路、程序下載電路等部分組成，STM32F103ZET6單片機(jī)是整個(gè)設(shè)計(jì)的控制核心。

STM32F103ZET6是意法半導(dǎo)體（ST）公司出品。它具有64 KB SRAM，512 KB FLASH、2個(gè)基本定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)高級(jí)定時(shí)器、2個(gè)DMA 控制器（共12個(gè)通道）、3個(gè) SPI、2個(gè)I2C、5個(gè)串口、1個(gè)USB、1個(gè)CAN、3個(gè)12位ADC、1個(gè)12位DAC、1個(gè)SDIO接口、1個(gè)FSMC接口以及112個(gè)通用I/O口。時(shí)鐘頻率可達(dá)[7]72 MHz。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖8所示。

2.2 ?手勢(shì)識(shí)別模塊

目前，根據(jù)硬件實(shí)現(xiàn)方式不同，手勢(shì)識(shí)別大概分為結(jié)構(gòu)光、光飛時(shí)間和多角成像。光飛時(shí)間技術(shù)是加載一個(gè)發(fā)光元件，通過CMOS傳感器來捕捉計(jì)算光子的飛行時(shí)間，根據(jù)光子飛行時(shí)間推算出光子飛行的距離，也就得到了物體的深度信息。本設(shè)計(jì)采用手勢(shì)識(shí)別傳感器模塊ATK?PAJ7620，內(nèi)部集成了光學(xué)數(shù)組式傳感器，內(nèi)置光源和環(huán)境光抑制濾波器集成的LED、鏡頭、手勢(shì)感測(cè)器，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的手勢(shì)和光標(biāo)模式輸出。模塊自帶9種手勢(shì)識(shí)別，支持上、下、左、右、前、后、順時(shí)針旋轉(zhuǎn)、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)和揮動(dòng)的手勢(shì)動(dòng)作識(shí)別，以及支持物體接近檢測(cè)等功能，具有體積小、靈敏度高、支持中斷輸出、兼容3.3 V/5 V系統(tǒng)、使用方便等特點(diǎn)。

PAJ7620內(nèi)部自帶LED驅(qū)動(dòng)器，傳感器感應(yīng)陣列、目標(biāo)信息提取陣列和手勢(shì)識(shí)別陣列。模塊工作時(shí)，通過內(nèi)部LED驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)紅外LED向外發(fā)射紅外線信號(hào)，當(dāng)傳感器陣列在有效的距離中探測(cè)到物體時(shí)，目標(biāo)信息提取陣列會(huì)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行特征原始數(shù)據(jù)的提取，將數(shù)據(jù)存入寄存器中，手勢(shì)識(shí)別陣列會(huì)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別處理，將手勢(shì)結(jié)果存到寄存器中。最終，模塊通過I2C接口將原始數(shù)據(jù)和手勢(shì)識(shí)別結(jié)果發(fā)送給單片機(jī)，手勢(shì)識(shí)別模塊如圖9所示。

2.3 ?WiFi模塊

采用ATK_ESP8266 WiFi模塊與單片機(jī)通信，同時(shí)將WiFi模塊連接到云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智能終端（手機(jī)或平板）對(duì)燈具的遠(yuǎn)程控制[8]。ATK?ESP8266模塊采用串口（LVTTL）與MCU（或其他串口設(shè)備）通信，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口與WiFi之間的轉(zhuǎn)換。通過ATK?ESP8266模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備只是需要簡(jiǎn)單的串口配置，即可通過網(wǎng)絡(luò)（WiFi）傳輸數(shù)據(jù)。模塊兼容3.3 V和5 V單片機(jī)系統(tǒng)，支持串口轉(zhuǎn)WiFi STA、串口轉(zhuǎn)AP和WiFi STA + WiFi AP模式。模塊實(shí)物圖如圖10所示。

本設(shè)計(jì)采用機(jī)智云平臺(tái)GAgent，主要作用是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，是設(shè)備數(shù)據(jù)、機(jī)智云、應(yīng)用端（APP）的數(shù)據(jù)交互橋梁。

2.4 ?電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊

采用28BYJ?48步進(jìn)電機(jī)，通過吊線的收放來實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的變化。由于單片機(jī)的管腳電壓不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，本設(shè)計(jì)采用ULN2003模塊驅(qū)動(dòng)[9]，模塊原理圖如圖11所示。

3 ?控制程序設(shè)計(jì)

手勢(shì)變形燈的控制程序主要包括手勢(shì)識(shí)別程序、WiFi通信程序、燈光顏色和亮度調(diào)節(jié)程序、電機(jī)控制程序。

3.1 ?手勢(shì)識(shí)別程序

手勢(shì)動(dòng)作包括上、下、左、右、接近、遠(yuǎn)離這六個(gè)動(dòng)作。手勢(shì)識(shí)別傳感器采集相對(duì)應(yīng)的手勢(shì)動(dòng)作信息，并通過I2C協(xié)議將數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)。設(shè)計(jì)中使用PAJ7620內(nèi)部的BANK0和BANK1寄存器。單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，調(diào)用電機(jī)控制程序、燈光顏色和亮度調(diào)節(jié)程序。工作流程如圖12所示。

3.2 ?WiFi通信程序

為實(shí)現(xiàn)燈具的遠(yuǎn)程控制，需要將WiFi模塊連接到無線路由器。首先，單片機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化，等待手機(jī)聯(lián)網(wǎng)配置;其次，配置手機(jī)和WiFi模塊的無線網(wǎng)絡(luò)連接，并將路由器的名字和密鑰發(fā)送給WiFi模塊，保證WiFi模塊連接到無線路由器，進(jìn)而連接到云平臺(tái)上，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制。其流程圖如圖13所示。

3.3 ?燈光顏色和亮度調(diào)節(jié)程序

PWM調(diào)光的工作原理是利用脈寬調(diào)制信號(hào)反復(fù)開關(guān)LED，進(jìn)而調(diào)節(jié)LED的平均電流。本設(shè)計(jì)采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式，驅(qū)動(dòng)RGB LED、冷白光LED和暖白光LED燈珠，實(shí)現(xiàn)色溫、亮度的調(diào)節(jié)和顏色的變化控制。系統(tǒng)需要5路PWM控制信號(hào)，其中3路PWM控制RGB LED燈珠，實(shí)現(xiàn)顏色的變化，剩余2路控制白光LED和暖白LED，實(shí)現(xiàn)色溫和亮度的調(diào)節(jié)，其程序的流程圖如圖14所示。燈光的控制效果如圖15所示。其中：圖15a）～圖15c）代表了不同色溫下的燈具的狀態(tài);圖15d）～圖15f）代表了不同亮度下的燈具狀態(tài);圖15g）～圖15i）代表了不同顏色下的燈具狀態(tài)。

3.4 ?電機(jī)控制程序

電機(jī)控制程序?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)電機(jī)收線器的正反轉(zhuǎn)動(dòng)，從而收放吊線，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)燈罩按照預(yù)先設(shè)定好的角度張開和閉合，電機(jī)控制流程如圖16所示。燈罩的變形效果如圖17所示。其中圖17a）～圖17c）代表了不同照明角時(shí)的燈具的狀態(tài)。

4 ?結(jié) ?語

本文設(shè)計(jì)一種燈罩外形可變的LED吊燈，具有手勢(shì)控制和手機(jī)APP控制兩種控制模式。燈具主光源采用冷色調(diào)和暖色調(diào)LED燈珠，以RGB三色LED燈珠作為輔助光源，具備亮度調(diào)節(jié)、色溫調(diào)節(jié)、顏色變換等功能。通過手勢(shì)，控制燈罩的張開和閉合，達(dá)到調(diào)節(jié)燈具照明角的效果，具有科技炫酷感，增加了人與燈的交互性。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了燈具的智能化、情景化、網(wǎng)絡(luò)化，在現(xiàn)代智能家居中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：王 ?寧（1985—），男，遼寧錦州人，碩士，研究方向?yàn)闊o線電能傳輸、智能照明。