家用電器智能體感操控技術(shù)簡(jiǎn)介

陳建偉

（廣東海信家電有限公司，廣東佛山 528333）

家用電器智能體感操控技術(shù)簡(jiǎn)介

陳建偉

（廣東海信家電有限公司，廣東佛山 528333）

本文介紹了一種家用電器上使用的智能體感操控技術(shù)，該技術(shù)是基于光學(xué)原理，通過光學(xué)隔離結(jié)構(gòu)、紅外線發(fā)射二極管、紅外線接收感應(yīng)器，以及紅外開關(guān)控制基板等組成一個(gè)綜合控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器非接觸方式的智能體感操控，并已經(jīng)在吸油煙機(jī)產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用。

家用電器 體感操控 手勢(shì)控制 濾光結(jié)構(gòu) 紅外線感應(yīng)控制

1 前言

經(jīng)常下廚的人都知道，在烹飪過程中，雙手往往需要頻繁地與食物進(jìn)行接觸，因此保持手部的衛(wèi)生變得尤其重要。在炒菜過程中，根據(jù)灶具火力、食材，以及烹飪手法的不同，用戶時(shí)常需要用手去觸碰吸油煙機(jī)，以達(dá)到調(diào)節(jié)吸油煙機(jī)吸排效果或照明燈亮度的目的。由于目前市場(chǎng)上所有的煙機(jī)操控基本都需要人手與產(chǎn)品相接觸，因此，用戶每次在調(diào)節(jié)吸油煙機(jī)時(shí)，經(jīng)常需要通過洗手或擦手的方式來保持雙手的干凈衛(wèi)生，每一次洗手不僅是過程繁瑣，而且還是對(duì)水資源和時(shí)間的浪費(fèi)，不利于節(jié)能環(huán)保。

本研究的設(shè)計(jì)初衷是為了解決這一不良的用戶體驗(yàn)，最終研究的成果是使得用戶可以在不接觸產(chǎn)品的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的操作控制，且該技術(shù)的應(yīng)用可不僅僅局限于吸油煙機(jī)類，在其他家用電器，甚至是設(shè)備、機(jī)器上，均可得到科學(xué)、合理地應(yīng)用。

2 當(dāng)前家用電器控制方式分析

目前市場(chǎng)上的家用電器控制方式主要分為四種：觸摸控制、輕觸按鍵控制、琴鍵開關(guān)控制、遙控開關(guān)控制等。其中觸摸按鍵和遙控開關(guān)成本較高，科技感較強(qiáng)，一般用于中高端產(chǎn)品。輕觸按鍵價(jià)格適中，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，一般是在中端產(chǎn)品上使用。琴鍵開關(guān)成本低廉，結(jié)構(gòu)安全可靠，適合在低端的產(chǎn)品上使用。而這四種控制方式無一例外，在使用過程中，均需要人體與產(chǎn)品發(fā)生直接的接觸，無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品非接觸方式的體感操控。

3 體感操控設(shè)計(jì)原理

圖1 總體控制邏輯原理圖

圖2 紅外收發(fā)電路圖

本非接觸式的智能體感操控方案，主要是利用紅外信號(hào)收發(fā)電路、光學(xué)隔離裝置，以及手勢(shì)識(shí)別運(yùn)算等核心技術(shù)，通過對(duì)人手或運(yùn)動(dòng)物體在紅外信號(hào)收發(fā)電路前方的運(yùn)動(dòng)過程產(chǎn)生的光信號(hào)變化，觸發(fā)紅外傳感器，控制系統(tǒng)通過對(duì)手勢(shì)或物體運(yùn)動(dòng)軌跡識(shí)別運(yùn)算后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷，從而給產(chǎn)品下發(fā)控制指令，以便達(dá)到操控產(chǎn)品或機(jī)器的目的。以下是各個(gè)主要設(shè)計(jì)模塊的概述。

3.1 紅外信號(hào)收發(fā)電路設(shè)計(jì)原理

本紅外信號(hào)收發(fā)電路，其主要模塊依次包括輔助電源、紅外發(fā)射電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制電路和紅外接收電路等，其總體控制邏輯原理如圖一所示。其中紅外線接收和發(fā)射電路均具有數(shù)量一致的紅外線收發(fā)器，且紅外線發(fā)射和接收器一一對(duì)應(yīng)。

紅外線發(fā)射器通過限流電阻與輔助電源串聯(lián)，每個(gè)紅外線接收器均通過一組運(yùn)算放大器和控制電路連接，每個(gè)紅外線接收器的陰極與運(yùn)算放大器的反相輸入端連接，紅外線接收器的陽極與運(yùn)算放大器的同相輸入端連接，每個(gè)運(yùn)算放大器的反相輸入端和輸出端分別連接一個(gè)反饋放大電阻的兩端，每個(gè)運(yùn)算放大器的輸出端還連接至控制電路。每個(gè)運(yùn)算放大器的反相輸入端和輸出端還分別連接一個(gè)濾波電容的兩端。通過不同IO口的連接，控制電路實(shí)現(xiàn)與各個(gè)運(yùn)算放大器的輸出端和驅(qū)動(dòng)電路三者之間的通訊，其電路圖如圖二所示。

完成上述設(shè)計(jì)后，可依靠紅外線發(fā)射和接收電路對(duì)外部人體手勢(shì)或物體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行識(shí)別，從而達(dá)到通過紅外線感應(yīng)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行控制的目的，最終實(shí)現(xiàn)人機(jī)非接觸式的體感操控。

3.2 光學(xué)隔離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于本研究是基于紅外線控制原理，對(duì)紅外線光的收發(fā)檢測(cè)是邏輯控制開關(guān)的觸發(fā)源，因此如何避免日常生活中的其他光線對(duì)控制系統(tǒng)的干擾和影響成為了該研究的核心技術(shù)難點(diǎn)之一，為此手勢(shì)控制系統(tǒng)的光學(xué)隔離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得尤為重要。為了解決該問題，本研究將光學(xué)隔離結(jié)構(gòu)分為兩大模塊：濾光結(jié)構(gòu)模塊和隔光結(jié)構(gòu)模塊。

3.2.1 濾光結(jié)構(gòu)模塊

圖3 濾光結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 控制盒剖面示意圖

出于過濾其他干擾光線的考慮，紅外線收發(fā)器（即紅外線傳感器）在使用過程中需要搭配有濾光裝置，較為常見的紅外線濾光裝置是在產(chǎn)品控制開關(guān)的面板位置開孔，然后將紅外線濾光片鑲嵌在面板開孔內(nèi)，這種傳統(tǒng)的做法工藝復(fù)雜、密封困難、成本較高，且對(duì)產(chǎn)品外觀和表面具有一定的破壞性。

為此本研究提出了一種新的濾光結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)主要包括透明或半透明絲印的面板和透紅外光線的濾光層。濾光層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)位于紅外線收發(fā)器（即控制盒）和面板之間，其結(jié)構(gòu)方案如圖三所示，該濾光層的材料可以是只能透紅外光線的油墨涂層、膜片、玻璃或塑料材質(zhì)的濾光片等。通過該濾光層，可以對(duì)進(jìn)入開關(guān)控制盒的光線進(jìn)行選擇性過濾，確保紅外線收發(fā)器接收到的光線為紅外光。本新結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)在于濾光層能有效地緊貼在面板和控制盒之間，可大大降低了濾光裝置由于結(jié)構(gòu)配合間隙所產(chǎn)生的漫反射對(duì)其靈敏度的影響，從而提高信號(hào)接收與判斷的靈敏度和準(zhǔn)確性。

3.2.2 隔光結(jié)構(gòu)模塊

上文所述的濾光結(jié)構(gòu)主要是解決了外部因素對(duì)系統(tǒng)的影響，除此之外，紅外線控制系統(tǒng)還可能受到來自系統(tǒng)自身內(nèi)部的干擾。一方面，由于家電產(chǎn)品內(nèi)部往往帶有很多指示燈、顯示屏幕等光源，另一方面，紅外線收發(fā)電路上的各組紅外線傳感器，它們?cè)诠ぷ鬟^程中需要頻繁地收發(fā)紅外線，這兩方面是影響整個(gè)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要內(nèi)部因素。為此，本研究提出了一種獨(dú)立分隔式控制盒隔光結(jié)構(gòu)，可保證各組紅外線傳感器在工作過程中，相互之間不會(huì)產(chǎn)生影響，同時(shí)也可以有效防止內(nèi)部光源對(duì)紅外線傳感器的影響。

獨(dú)立分隔式控制盒的隔光結(jié)構(gòu)主要是在控制盒上，針對(duì)各個(gè)紅外線傳感器設(shè)計(jì)獨(dú)立的格位，通過每一個(gè)半封閉的獨(dú)立格位對(duì)各個(gè)傳感器和外部光源進(jìn)行阻隔，并由各個(gè)格位給每一組紅外線傳感器制造出相互獨(dú)立的導(dǎo)光通道，以便保證系統(tǒng)內(nèi)部不產(chǎn)生相互干擾，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4 操控方式簡(jiǎn)要說明

該智能體感操控在應(yīng)用過程中，首先需要對(duì)人體手勢(shì)或物體運(yùn)動(dòng)的軌跡進(jìn)行定義，通過紅外線傳感器對(duì)已經(jīng)下好定義的人體手勢(shì)或物體運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行判斷，并將傳感器采集到的控制信號(hào)反饋到控制電路中，控制電路根據(jù)已經(jīng)匯編好邏輯程序的控制信號(hào)對(duì)產(chǎn)品施以指令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行操控。

人體手勢(shì)或物體運(yùn)動(dòng)的軌跡可以有多種定義方式，比如本研究在吸油煙機(jī)產(chǎn)品上應(yīng)用時(shí)，就根據(jù)產(chǎn)品操控需求和人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)原理定義了以下幾種操控指令：（1）當(dāng)人手在紅外線傳感器電源通斷控制組正前方懸停2秒時(shí)，定義為產(chǎn)品開機(jī)或關(guān)機(jī)指令，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的開機(jī)或關(guān)機(jī)功能；（2）在產(chǎn)品開機(jī)狀態(tài)下，當(dāng)人手在紅外線傳感器電機(jī)調(diào)速控制組正前方向左或向右揮動(dòng)時(shí)，定義為吸油煙機(jī)排風(fēng)檔位的增加或減小，可實(shí)現(xiàn)對(duì)吸油煙機(jī)排風(fēng)量大小的調(diào)節(jié)；（3）當(dāng)人手在紅外線傳感器照明燈通斷控制組正前方懸停2秒時(shí)，定義為照明燈打開或關(guān)閉指令，可實(shí)現(xiàn)照明燈的開關(guān)功能。為不影響紅外線開關(guān)的靈敏度和信號(hào)判定，人手在產(chǎn)品控制界面正前方的懸停或揮動(dòng)時(shí)，要求距離紅外線傳感器（或面板）的安全距離為1～5cm。

5 結(jié)語

通過本智能體感操控技術(shù)的研究和應(yīng)用，為家用電器產(chǎn)品提出了一種新的控制方式，不僅科技感十足，而且具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。實(shí)現(xiàn)了家用電器產(chǎn)品的非接觸式操控，其智能獨(dú)特、輕松便捷的操控方式能更好地提高用戶體驗(yàn)。經(jīng)過在家用吸油煙機(jī)產(chǎn)品上的應(yīng)用，其安全性和穩(wěn)定性均已經(jīng)得到驗(yàn)證，整體設(shè)計(jì)方案科學(xué)可行。

［1］陳永甫，主編.紅外探測(cè)與控制電路.2004.

［2］機(jī)械工程手冊(cè)編輯委員會(huì) 主編.機(jī)械工程師手冊(cè)，1995.