基于手勢識別的智能家居系統

沈宏宇，顧儀潔，仲崇喜，楊楠

（東南大學成賢學院，江蘇南京，211800）

0 引言

為了解決智能家居行業中用戶交互體驗不佳和操作復雜等問題，本文將基于單片機的手勢控制技術，獲取手勢數據從而控制簡單的家庭常用器件。該系統操作簡單，能通過簡單的手勢實現對窗簾、風扇和照明燈等的控制。

1 項目介紹

■1.1 項目研究背景

隨著科學技術的不斷進步，人們的消費能力和生活水平日益提高，因而人們不再滿足于傳統家居，開始追求舒適安全、智能便捷的居住環境。市面上也出現了不少智能化、便利化的家電設備，但是部分存在操作復雜、價格昂貴、實用性不強等問題。智能家居在滿足年輕人對生活品質的追求的同時，也要兼顧老年人對于智能家居使用的可行性。而手勢識別本身具有注重用戶體驗的優點，它既符合智能發展的變化趨勢，又能很好地適應中國的人口老齡化市場。

■1.2 項目研究的目標

結合研究背景，在技術、資金允許的前提下如何將一些實用的創新性元素有效的有機結合為本次項目的研究目標及主要方向。主要目標暫定為實現智能家居照明控制系統、智能家居電器控制系統、智能家居窗簾控制系統、門的智能開關系統。通過一定的統籌管理，讓用戶體驗智能家居給生活帶來的便捷、舒適、安全。

■1.3 項目特色

區別于市面上現有的一些智能家居系統，它摒棄了遙控器等按實體鍵來操縱家電的控制方法，而是采用了手勢識別，讓機器識別用戶的手勢，根據采集到的用戶的不同手勢實現對各個家電設備的控制。

在日常生活中，窗簾通常是用來遮光和保護個人隱私，但是傳統的窗簾需要用戶手動去拉上、拉開，特別是對于居家空間比較大的用戶來說，每天需要通過人力來控制長而重的窗簾是一件麻煩的事情，這也大大降低了生活質量，而對于那些行動不便的獨居老人來說，手動窗簾就顯得更加麻煩，甚至可能會產生安全隱患。而就燈光控制系統來說，現在家庭大多用的還是一鍵一燈的控制系統，對于房間較多的家庭或者空間來說開關燈就顯得異常麻煩。基于以上種種因素，本次項目從智能家居方面著手，基于手勢識別進行研究，期待能夠改變現狀，以達到便利現代社會生活的目的，從而提高人們的生活質量。

■1.4 項目總體設計

基于手勢識別的智能家居系統采用C 語言編寫，采用模塊化設計。本項目的設計流程是：根據識別用戶產生是手勢指令控制不同模塊的功能。

圖1 總體設計圖

■1.5 系統使用步驟

用戶連接電源，開啟系統，用戶在手勢傳感器上方做出相應的手勢，若手勢識別正確，則對應的家電設備會運行；若手勢識別錯誤，則需要用戶重新做手勢直至識別正確。

2 智能家居系統的硬件設計

■2.1 STM32 單片機

為了實現手勢識別的通信功能，本文使用的處理器STM32 單片機的型號為STM32F103C8T6，它是一款基于ARM Cortex-M 內核的STM32 系列的32 位的微控制器，他的程序存儲器容量一般是64KB。

■2.2 手勢識別模塊

在手勢識別模塊中，在實現捕捉識別手勢的功能方面，本設計選用PAJ7620 傳感器。它可以實現9 種基本手勢，包括上、下、左、右、順時針轉圈和逆時針轉圈等，并支持手勢的不斷輸出。其使用I2C 通信接口，僅需兩根信號腳即可控制。它具有識別速度快，識別準確性高和抗干擾能力強等優點。另外，還具備內置紅外LED 和光學鏡頭，能在低光和黑暗環境下工作。在低耗能方面也有不錯的表現。

圖2 STM32F103C8T6 原理圖

圖3 PAJ7620 原理圖

■2.3 顯示模塊

設計使用型號為4 針I2C 型的0.96 寸OLED 顯示器，來顯示傳感器捕捉到的手勢，根據顯示器中手勢可以判斷所輸入的指令的正確性。OLED 由于同時具備自發光，不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構造及制程較簡單等優異之特性，被認為是下一代的平面顯示器新興應用技術。

圖4 顯示屏外觀

■2.4 控制模塊

本設計采用型號為SRA-05VDC-CL 的小型電磁繼電器實現可以實現遠距離控制和自動化控制電路的功能，保護電路和設備。

圖5 繼電器外觀

3 智能家居系統的軟件設計

本系統的軟件部分主要通過系統初始化、顯示器顯示、手勢識別、繼電器控制來實現。手勢識別傳感器采集手勢動作，根據采集到的相應的手勢信息執行門、燈、窗簾、風扇這些設備的打開和關閉。

圖6 手勢識別的流程圖

4 功能測試

測試員將手放在PAJ7620 傳感器正上方，通過上、下、左、右、順時針、逆時針揮動手指來達到控制效果，本設計實現的手勢識別的功能有：

（1）上—打開

（2）下—燈關閉

（3）左—風扇打開

（4）右—風扇關閉

（5）順時針—窗簾拉開

（6）逆時針—窗簾合上

圖7 手勢示意圖

5 總結

本設計完成了基于手勢識別的智能家居系統，主要通過手勢識別模塊來采集用戶的手勢，傳到STM32 處理器來控制對應的家電設備，并且配置了微信小程序的方式來控制家電設備。本設計突破了傳統的家居模式，實現了智能化、便利化，也體現了“科技改變生活”的理念。當下，人口老齡化的問題日益凸顯，本設計也為老人提供了生活便捷，也讓老人享受到安全、舒適的居住環境，感受到科技改變生活方式、科技提高生活質量。