基于慣性傳感器的體感手環(huán)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳崇輝，鄧 筠

(華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 電氣工程學(xué)院，廣州 510800)

0 引言

教師在課堂多媒體教學(xué)中，普遍使用微軟公司PowerPoint軟件設(shè)計(jì)的演示文稿PPT課件[1]，典型的場(chǎng)景是教師手握激光筆，頭戴無線話筒，可在教室內(nèi)隨意走動(dòng)完成教學(xué)工作。目前存在的主要問題有：教師必須手握激光筆，阻礙了教師手勢(shì)講解等方面的靈活演示[2]；無線話筒的音量大小只能在講臺(tái)上手動(dòng)調(diào)節(jié)，使用不夠方便；教師用話筒講話過程中可能會(huì)出現(xiàn)話筒嘯叫(突然發(fā)出高音)的現(xiàn)象，實(shí)在令人難以忍受，并嚴(yán)重影響教學(xué)氣氛。

本文應(yīng)用慣性感測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種體感手環(huán)教學(xué)控制系統(tǒng)，慣性感測(cè)主要是以陀螺儀、加速度計(jì)等慣性傳感器來感測(cè)使用者肢體動(dòng)作的物理參數(shù)，從而求得使用者在空間中的各種動(dòng)作[3-4]。只要使用者手腕佩戴體感手環(huán)，通過特定的手勢(shì)動(dòng)作就可以進(jìn)行計(jì)算機(jī)PowerPoint軟件遙控翻頁(yè)，就可以控制無線話筒的音量大小，并有效自動(dòng)抑制話筒嘯叫對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的影響。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由體感手環(huán)和教學(xué)接收裝置組成，結(jié)合現(xiàn)有的無線話筒和接收，功放和音箱，計(jì)算機(jī)和投影等，成為一套完整的體感手環(huán)教學(xué)控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。教師佩戴體感手環(huán)，系統(tǒng)對(duì)教師特定手勢(shì)動(dòng)作的識(shí)別，即可通過手勢(shì)動(dòng)作遙控幻燈片翻頁(yè)，從而能夠讓教師在課堂上真正把雙手解放出來，用于教學(xué)的手勢(shì)輔助講解和演示，給予師生最大程度的溝通和交流，提高教與學(xué)的效果[1]；同時(shí)，教師佩戴無線話筒，功放把無線話筒接收到的聲音信號(hào)放大并驅(qū)動(dòng)音箱進(jìn)行廣播，教師可以通過特定的手勢(shì)動(dòng)作對(duì)話筒音量大小進(jìn)行控制，當(dāng)教師講話過程中出現(xiàn)話筒嘯叫現(xiàn)象時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)話筒聲音直流成分幅度進(jìn)行實(shí)時(shí)提取，從而控制話筒音量迅速減小直至靜音，保證課堂的教學(xué)氛圍。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 體感手環(huán)設(shè)計(jì)

2.1 手環(huán)總體設(shè)計(jì)

體感手環(huán)的設(shè)計(jì)需要符合普通人的操作習(xí)慣，以佩戴在使用者的右手手腕上部為宜，要求體感手環(huán)至少能夠識(shí)別操作者4種手勢(shì)動(dòng)作，識(shí)別的成功率在92%以上，誤動(dòng)作率在4%以內(nèi)；佩戴體感手環(huán)的使用者在在教室內(nèi)隨意走動(dòng)仍能實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的傳輸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PowerPoint幻燈片向上或向下翻頁(yè)以及對(duì)無線話筒的音量大小調(diào)節(jié)的無線操作功能。

體感手環(huán)由慣性傳感器、微控制器和無線數(shù)據(jù)模塊組成。微控制器從慣性傳感器獲取手勢(shì)動(dòng)作數(shù)據(jù)，算法處理后，對(duì)手勢(shì)動(dòng)作進(jìn)行定義，并提取手勢(shì)特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定手勢(shì)動(dòng)作的識(shí)別，然后通過無線數(shù)據(jù)模塊把手勢(shì)動(dòng)作對(duì)應(yīng)的特征代碼傳輸給教學(xué)接收裝置。手環(huán)總體如圖2所示。

圖2 手環(huán)總體框圖

2.2 慣性傳感器電路設(shè)計(jì)

在體感手環(huán)中，手勢(shì)動(dòng)作由慣性傳感器MPU6050采集數(shù)據(jù)。慣性傳感器原理如圖3所示，通過I2C控制總線2個(gè)引腳與微控制器通信[5-6]。如果微控制器內(nèi)部該引腳已有上拉電阻，則電阻R2和R3可以省略。圖3中芯片第12引腳INT是中斷功能，如搖晃、自由落體等均可觸發(fā)產(chǎn)生中斷信號(hào)，在本設(shè)計(jì)中沒用到中斷，所以該引腳懸空；芯片第9引腳AD0通過電阻R1接地，設(shè)置該引腳為低電平，此時(shí)器件地址設(shè)置為十六進(jìn)制數(shù)0x68。微控制器通過總線讀取芯片的器件地址數(shù)據(jù)是否為0x68，可作為判斷微控制器與MPU6050之間I2C通信是否正確的依據(jù)。硬件電路連接正確，提供合適的工作電源3.3 V，MPU6050上電默認(rèn)時(shí)鐘是內(nèi)部8 MHz 振蕩器，微控制器與MPU6050之間底層驅(qū)動(dòng)通信的時(shí)序也正確的前提下，微控制器首先對(duì)MPU6050的寄存器進(jìn)行軟件初始化配置，主要有電源管理寄存器1、陀螺儀配置寄存器、加速度計(jì)配置寄存器、采樣頻率分頻器寄存器、中斷使能寄存器以及電源管理寄存器2等，接下來就是讀取原始數(shù)據(jù)，從而獲取手勢(shì)動(dòng)作數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備。

圖3 傳感器原理圖

2.3 手勢(shì)動(dòng)作定義

教師授課過程中可能會(huì)出現(xiàn)各種各樣的手勢(shì)動(dòng)作，只有特定的、被定義了的手勢(shì)動(dòng)作才會(huì)用于系統(tǒng)的控制，而其余未被定義的手勢(shì)動(dòng)作均認(rèn)為是伴隨講解過程中產(chǎn)生的噪聲，這個(gè)噪聲會(huì)隨著不同的使用者而不同。

手勢(shì)動(dòng)作定義基本原則是設(shè)備易于識(shí)別手勢(shì)；對(duì)于使用者來說，容易學(xué)習(xí)和記憶，操作簡(jiǎn)單，便于重復(fù)。本文定義了如表1所示的4種手勢(shì)動(dòng)作。以使用者右手手腕佩戴手環(huán)為例，當(dāng)手掌面垂直于地面，使用者用力向左或向右一揮，此時(shí)對(duì)應(yīng)的兩種手勢(shì)動(dòng)作定義為幻燈片PPT的上一頁(yè)或下一頁(yè)操作；同理，當(dāng)手掌背向地面，用力向上一揮對(duì)應(yīng)的手勢(shì)動(dòng)作定義為無線話筒的音量增加，當(dāng)手掌心向地面，用力向下一揮對(duì)應(yīng)的手勢(shì)動(dòng)作定義為音量減小。這4種特定的手勢(shì)動(dòng)作是典型的代表上下左右的操作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。

2.4 手勢(shì)特征提取

手勢(shì)特征提取是針對(duì)一個(gè)完整、有效的手勢(shì)動(dòng)作，主要有手勢(shì)起終點(diǎn)、手勢(shì)長(zhǎng)度、手勢(shì)能量以及手勢(shì)波峰數(shù)等特征[7]。在進(jìn)行有效手勢(shì)信號(hào)截取前，必須要準(zhǔn)確檢測(cè)手勢(shì)起點(diǎn)和終點(diǎn)，通過連續(xù)采樣多個(gè)數(shù)據(jù)來降低環(huán)境噪聲和用戶手勢(shì)抖動(dòng)引起的冗余數(shù)據(jù)，從而實(shí)時(shí)截取有效手勢(shì)動(dòng)作的信號(hào)數(shù)據(jù)。從手勢(shì)動(dòng)作起點(diǎn)開始到手勢(shì)結(jié)束的時(shí)間差值，定義為手勢(shì)長(zhǎng)度，一般手勢(shì)動(dòng)作持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)度為零點(diǎn)幾秒，否則很可能是無效手勢(shì)動(dòng)作。一次有效手勢(shì)動(dòng)作在運(yùn)動(dòng)過程中的劇烈程度稱為手勢(shì)能量，手勢(shì)能量在不同頻段內(nèi)的分布隨時(shí)間變化持續(xù)呈現(xiàn)不均衡現(xiàn)象[8]，但手勢(shì)能量明顯過大或者過小，則很可能是誤操作手勢(shì)動(dòng)作。手勢(shì)波峰數(shù)是各軸的波峰數(shù)之和，所以重點(diǎn)是計(jì)算每一個(gè)坐標(biāo)軸的波峰數(shù)，累計(jì)波峰的個(gè)數(shù)即可得到該軸的波峰數(shù)，進(jìn)而計(jì)算得到加速度波峰數(shù)和角速度波峰數(shù)，一次有效手勢(shì)動(dòng)作的波峰數(shù)不為0[9]，否則很可能是誤動(dòng)作手勢(shì)而不予處理。

2.5 手環(huán)軟件流程設(shè)計(jì)

通過微控制器獲取慣性傳感器MPU6050的數(shù)據(jù)，MPU6050里面集成了三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)，其中加速度計(jì)的三軸分量ACC_X、ACC_Y和ACC_Z均為16位有符號(hào)整數(shù)，根據(jù)3個(gè)軸向上的加速度是正值或負(fù)值，判斷手環(huán)里面的傳感器器件是沿座標(biāo)軸負(fù)向或正向運(yùn)動(dòng)，從而識(shí)別佩戴的手環(huán)是向左或向右揮動(dòng)的方向；得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過姿態(tài)解算和卡爾曼濾波算法等信號(hào)處理，去掉未被定義的手勢(shì)動(dòng)作噪聲數(shù)據(jù)，再根據(jù)手勢(shì)動(dòng)作特征提取，判斷是否是已定義的有效手勢(shì)動(dòng)作，如果是則查找表格得到特定手勢(shì)動(dòng)作對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，如果不是則丟棄該組數(shù)據(jù)不予處理。每一種已定義的手勢(shì)動(dòng)作均使用一個(gè)特定的數(shù)字代碼表示，并通過無線數(shù)據(jù)模塊發(fā)射出去，等待教學(xué)接收裝置接收。體感手環(huán)流程如圖4所示。

圖4 體感手環(huán)流程

3 教學(xué)接收裝置設(shè)計(jì)

3.1 接收裝置總體設(shè)計(jì)

教學(xué)接收裝置的設(shè)計(jì)需要具有和計(jì)算機(jī)方便連接的USB端口，具有和功放輸入兼容的音頻端口，其作用有兩個(gè)方面：第一方面負(fù)責(zé)接收體感手環(huán)發(fā)送過來的控制數(shù)據(jù)，通過USB鍵盤接口芯片與計(jì)算機(jī)通信，從而控制PowerPoint軟件翻頁(yè)功能；第二方面負(fù)責(zé)處理無線話筒音頻信號(hào)，通過數(shù)字音量控制電路對(duì)話筒信號(hào)進(jìn)行大小處理，從而實(shí)現(xiàn)話筒音量大小的控制功能。教學(xué)接收裝置以微控制器作為核心，調(diào)動(dòng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字音量控制電路、無線數(shù)據(jù)模塊以及USB鍵盤接口芯片協(xié)調(diào)工作。接收裝置總體如圖5所示。微控制器芯片采用IAP15W4K58S4單片機(jī)，其內(nèi)部集成有4組全雙工異步串行通信口(UART)[10]，可方便與藍(lán)牙無線數(shù)據(jù)模塊交換信息，接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)體感手環(huán)與教學(xué)接收裝置之間數(shù)據(jù)的無線傳輸；當(dāng)單片機(jī)接收到控制PowerPoint軟件翻頁(yè)指令時(shí)，單片機(jī)輸出控制信號(hào)給USB鍵盤接口芯片，從而把控制指令通過USB接口傳輸給計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)翻頁(yè)功能；當(dāng)單片機(jī)接收到控制話筒音量大小指令時(shí)，單片機(jī)與數(shù)字音量控制電路串行數(shù)據(jù)通信，通過對(duì)相應(yīng)寄存器的操作，從而控制話筒音頻的衰減量，實(shí)現(xiàn)話筒音量大小控制功能；單片機(jī)內(nèi)部也集成10位精度的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，可將連續(xù)變化的話筒音頻信號(hào)模擬電壓轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)入單片機(jī)處理。當(dāng)對(duì)著無線話筒講話過程中出現(xiàn)話筒嘯叫的現(xiàn)象時(shí)，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊得到的數(shù)字量會(huì)顯著增大，并超過預(yù)設(shè)的閾值，此時(shí)單片機(jī)控制數(shù)字音量控制電路，使話筒音量迅速減小直至靜音，待嘯叫消失后，自動(dòng)恢復(fù)話筒的音量，最大程度減少話筒嘯叫對(duì)教學(xué)課堂的影響。

圖5 接收裝置總體框圖

3.2 無線數(shù)據(jù)模塊設(shè)計(jì)

無線數(shù)據(jù)模塊采用藍(lán)牙數(shù)據(jù)透?jìng)髂K實(shí)現(xiàn)，教學(xué)接收裝置和體感手環(huán)中分別設(shè)計(jì)有藍(lán)牙模塊，能滿足在教室內(nèi)隨意走動(dòng)并可靠實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，硬件電路方面相類似，藍(lán)牙數(shù)據(jù)模塊電路圖如圖6所示；軟件流程方面由于體感手環(huán)藍(lán)牙模塊工作于從模式，所以教學(xué)接收裝置藍(lán)牙模塊應(yīng)工作于主模式方能正常建立連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。單片機(jī)IAP15W4K58S4芯片內(nèi)部集成有全雙工異步串行通信口，與藍(lán)牙模塊連接實(shí)現(xiàn)體感手環(huán)手勢(shì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)浇虒W(xué)接收裝置軟件處理。藍(lán)牙模塊工作狀態(tài)通過圖6中LED的顯示狀態(tài)傳遞給用戶，當(dāng)LED以0.8秒一亮一滅均勻慢速閃爍時(shí)，表示等待體感手環(huán)配對(duì)；當(dāng)主從兩個(gè)藍(lán)牙模塊之間成功建立連接后，LED將會(huì)常亮，表示可以傳輸數(shù)據(jù)。

圖6 藍(lán)牙數(shù)據(jù)模塊電路圖

3.3 數(shù)字音量控制電路設(shè)計(jì)

數(shù)字音量控制電路原理如圖7所示，采用PT2257雙通道音量控制芯片，該芯片通過I2C控制總線技術(shù)與微控制器通信，在串行時(shí)鐘SCL為高電平期間，串行數(shù)據(jù)SDA高低電平的變化定義為總線的啟動(dòng)或者停止信號(hào)；當(dāng)SCL為低電平期間，SDA高低電平的變化作為數(shù)據(jù)的傳送。PT2257每次傳送8位數(shù)據(jù)，包含音量衰減量、聲道選擇以及靜音控制位，傳送時(shí)高位數(shù)據(jù)在前，低位數(shù)據(jù)在后，傳送完成后必須緊跟一個(gè)應(yīng)答位[11]。本系統(tǒng)中通過設(shè)置音量衰減量就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無線話筒音量的控制，在出現(xiàn)話筒嘯叫現(xiàn)象時(shí)，微控制器AD0檢測(cè)到話筒聲音直流成分幅度明顯瞬時(shí)增大，此時(shí)設(shè)置靜音控制位即可靜音話筒，消除話筒的嘯叫。

圖7 數(shù)字音量控制電路原理圖

由于無線話筒音頻信號(hào)不分左右聲道，不具備立體聲功能，所以左聲道輸入LIN和右聲道輸入RIN并聯(lián)在一起作為信號(hào)輸入端，經(jīng)過PT2257處理后的話筒音頻輸出信號(hào)分開左右聲道分別輸入功放進(jìn)行放大，從而完成無線話筒音量的控制。

3.4 教學(xué)接收裝置流程設(shè)計(jì)

當(dāng)微控制器通過無線數(shù)據(jù)模塊接收到佩戴體感手環(huán)的使用者的手向左或向右一揮對(duì)應(yīng)的數(shù)字代碼00或01時(shí)，表示使用者需要對(duì)接收裝置進(jìn)行控制了。此時(shí)微控制器輸出控制信號(hào)通過USB鍵盤接口芯片控制計(jì)算機(jī)PowerPoint軟件翻頁(yè)。教學(xué)接收裝置流程如圖8所示。同理，當(dāng)手環(huán)向上或向下一揮發(fā)出對(duì)應(yīng)的數(shù)字代碼02或03時(shí)，表示使用者正在進(jìn)行無線話筒音量增大或減小的遠(yuǎn)程控制操作。

圖8 教學(xué)接收裝置流程

3.5 消除話筒嘯叫流程設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崟r(shí)采樣無線話筒的音頻信號(hào)的變化，并輸入單片機(jī)處理。先進(jìn)行程序判斷濾波算法，剔除掉因隨機(jī)干擾、誤檢測(cè)或系統(tǒng)不穩(wěn)定等偶然因素引起的尖脈沖干擾信號(hào)；再利用滑動(dòng)平均濾波算法，抑制數(shù)據(jù)中可能出現(xiàn)的周期性干擾成分，如無線電波引起的高頻干擾[12]。

程序判斷濾波算法是通過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)估算，得到相鄰采樣數(shù)據(jù)允許的最大偏差值DT(取值為某個(gè)數(shù)字)[12]。對(duì)當(dāng)前話筒聲音A/D轉(zhuǎn)換值進(jìn)行判斷：如果當(dāng)前A/D值與之前的值相差的絕對(duì)值大于某個(gè)閾值DT，則當(dāng)前值無效，并保留之前值；否則就認(rèn)為是有效數(shù)據(jù)，當(dāng)前A/D值就成為話筒聲音最新數(shù)據(jù)，如式(1)所示：

(1)

在沒有外部額外的各種干擾的前提下，通過滑動(dòng)平均濾波算法，把連續(xù)N個(gè)對(duì)話筒聲音的采樣值(N是一個(gè)具體的數(shù)字)當(dāng)作一個(gè)具有N個(gè)元素的數(shù)組，每次A/D轉(zhuǎn)換完成就刷新最后一個(gè)數(shù)據(jù)，并剔除數(shù)組原來最前的一個(gè)數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)組中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，獲得新的話筒聲音的濾波結(jié)果。式(2)為算術(shù)平均計(jì)算公式：

(2)

此計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)用來閾值甄別。當(dāng)對(duì)著無線話筒講話過程中出現(xiàn)話筒嘯叫的現(xiàn)象時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)聲音頻率曲線上的峰點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率成分進(jìn)行提取，一旦檢測(cè)到數(shù)據(jù)達(dá)到或超過閾值信號(hào)，單片機(jī)控制數(shù)字音量控制模塊，使話筒音量迅速減小直至靜音，待嘯叫消失后，自動(dòng)恢復(fù)話筒的音量，最大程度減少話筒嘯叫對(duì)教學(xué)課堂的影響。消除話筒嘯叫流程如圖9所示。

圖9 消除話筒嘯叫流程

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

為了縮小手環(huán)體積，元器件均使用貼片封裝，經(jīng)過軟件Altium Designer進(jìn)行電路原理圖和PCB設(shè)計(jì)、發(fā)單外面公司打樣、元器件焊接與程序調(diào)試等環(huán)節(jié)，對(duì)照電路原理圖全面檢查各芯片、單元電路、模塊電路是否均正確連接，是否都能夠正常工作，特別是傳感器MPU6050、藍(lán)牙模塊、鋰電池充電芯片等。經(jīng)過多次參數(shù)調(diào)整與修正，直至系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定地工作。

測(cè)試人員佩戴體感手環(huán)，以一個(gè)100頁(yè)面的PPT幻燈片作為實(shí)驗(yàn)測(cè)試，向左、向右、向上和向下一揮的手勢(shì)動(dòng)作測(cè)試各100次，成功率在92%以上，誤動(dòng)作率在4%以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)具有一定的隨機(jī)性，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)

從表2測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，體感手環(huán)可有較高成功率識(shí)別手勢(shì)動(dòng)作，教學(xué)接收裝置能夠可靠接收數(shù)據(jù)并控制PowerPoint軟件向上或向下翻頁(yè)、控制話筒音量的大?。划?dāng)出現(xiàn)話筒嘯叫現(xiàn)象時(shí)，能夠及時(shí)有效地抑制刺耳的噪聲，保持良好的教學(xué)氛圍，提升課堂效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)課堂教學(xué)中通過體感手環(huán)遙控PPT幻燈片翻頁(yè)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，提出體感手環(huán)教學(xué)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)對(duì)手勢(shì)動(dòng)作的特征展開研究，并對(duì)系統(tǒng)硬件電路原理及軟件流程進(jìn)行設(shè)計(jì)與調(diào)試，特別是論述了話筒嘯叫的消除方法。實(shí)驗(yàn)證明體感手環(huán)教學(xué)控制系統(tǒng)在課堂教學(xué)中可以有效地識(shí)別教師遙控幻燈片翻頁(yè)的手勢(shì)動(dòng)作，能夠?qū)崟r(shí)緩解話筒嘯叫引起的干擾，把教師的雙手回歸到教學(xué)手勢(shì)的講解和演示，促進(jìn)教學(xué)效果的提升。