基于A(yíng)rduino平臺(tái)多傳感器融合的智能抽柜設(shè)計(jì)

潘 麗,馬樹(shù)文,梁語(yǔ)涵

(1.蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系,蘭州 730050;2.蘭州市第一中學(xué),蘭州 730050)

0 引言

電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展推動(dòng)了家居智能化的進(jìn)程,越來(lái)越多的智能家居不斷在市場(chǎng)上涌現(xiàn)。抽柜作為常見(jiàn)的一種家具,對(duì)其進(jìn)行智能化的設(shè)計(jì)研究必不可少。傳統(tǒng)抽屜設(shè)計(jì)用手推拉進(jìn)行開(kāi)合,未考慮到殘疾人士或行動(dòng)受限人士的使用不便。本文介紹的這款智能抽柜應(yīng)用電子信息技術(shù),融合多種傳感器對(duì)普通抽屜進(jìn)行了智能優(yōu)化設(shè)計(jì),可以方便目標(biāo)人群日常使用。

截至2022年,中國(guó)各類(lèi)殘疾人總數(shù)已達(dá)8500萬(wàn)[1],語(yǔ)盲障礙人數(shù)量約為830萬(wàn)人,每年新增語(yǔ)盲障礙人數(shù)量已經(jīng)達(dá)到40萬(wàn)以上,此外還有大量老年人、孕婦、兒童等行動(dòng)受限的社會(huì)成員。因此,為殘障人士及行動(dòng)受限人群服務(wù),設(shè)計(jì)智能家居已經(jīng)是刻不容緩的事情。

本文研究不同類(lèi)型殘障人士的需求,設(shè)計(jì)了一種基于多傳感器融合的無(wú)接觸智能抽柜,其可通過(guò)手勢(shì)、紅外傳感以及語(yǔ)音三種開(kāi)合方式進(jìn)行操作,同時(shí)可通過(guò)手機(jī)APP控制藍(lán)牙上鎖。

1 設(shè)計(jì)方案

文中的抽柜設(shè)計(jì)以方便殘障人士生活為主旨?？紤]到不同殘障類(lèi)型人群的需求,設(shè)計(jì)與殘障類(lèi)型相對(duì)應(yīng)的開(kāi)柜形式,對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 不同開(kāi)柜設(shè)計(jì)與不同殘障類(lèi)型對(duì)應(yīng)關(guān)系

本設(shè)計(jì)由Arduino UNO R3主控板融合LD3320語(yǔ)音模塊、紅外傳感器、藍(lán)牙模塊、手勢(shì)識(shí)別傳感器構(gòu)成。整體設(shè)計(jì)及指令、數(shù)據(jù)流向見(jiàn)圖1。

在機(jī)械方面,本產(chǎn)品以萬(wàn)向輪和普通滑輪為承重輪,金屬鋁片作為滑動(dòng)軌道來(lái)實(shí)現(xiàn)抽柜的開(kāi)合功能,舵機(jī)通過(guò)識(shí)別藍(lán)牙信號(hào)將柜子上鎖。不同開(kāi)柜方式通過(guò)不同傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn),傳感器收到命令后由電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑輪帶動(dòng)柜子抽出或關(guān)閉。在外觀(guān)設(shè)計(jì)上,本產(chǎn)品采用透明的外殼設(shè)計(jì)以彰顯機(jī)械美感,機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 機(jī)械結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)所采用的Arduino UNO R3是一款基于A(yíng)tmega328的單片機(jī)開(kāi)發(fā)板,其包含硬件(Arduino板)和軟件(Arduino IDE)[2],板載14個(gè)數(shù)字IO端口,其中6個(gè)端口可以作為PWM信號(hào)輸出功能使用;6個(gè)模擬輸入、輸出端口(A0-A5)可做數(shù)字信號(hào)輸入和輸出功能使用。在此設(shè)計(jì)中,將2號(hào)、3號(hào)作為語(yǔ)音模塊接口,4號(hào)作為手勢(shì)模塊接口,5號(hào)、6號(hào)作為直流電機(jī)模塊接口,7號(hào)、8號(hào)作為紅外檢測(cè)模塊接口,11號(hào)作為舵機(jī)接口,藍(lán)牙模塊接在arduino專(zhuān)用接口。

藍(lán)牙模塊用于實(shí)現(xiàn)上位機(jī)APP遠(yuǎn)程遙控上鎖功能。該功能通過(guò)藍(lán)牙傳輸協(xié)議與自研APP的方式實(shí)現(xiàn),藍(lán)牙模塊自研APP界面如圖3所示。

圖3 自研APP界面圖

本設(shè)計(jì)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)板和脈寬調(diào)速(PWM調(diào)速)來(lái)控制直流減速電機(jī),以此來(lái)帶動(dòng)抽柜的運(yùn)行。當(dāng)使能端處于高電平時(shí),可通過(guò)改變輸入引腳的電平來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。脈寬調(diào)速是通過(guò)改變PWM脈沖高電平的占空比來(lái)使抽柜運(yùn)行速度發(fā)生改變的,占空比越大,運(yùn)行速度越快,反之越慢。抽柜采用PWM來(lái)控制電機(jī)運(yùn)行速度,因此選擇高效、可靠、可控的驅(qū)動(dòng)電路及方式至關(guān)重要[3]。在A(yíng)RDUINO UNO R3板上,具有脈寬調(diào)速(PWM調(diào)速)功能的端口分別為3、5、6、9、10、11口,本設(shè)計(jì)使用5、6口。ARDUINO UNO R3占空比100%用邏輯值255表示,占空比0%用邏輯值0表示。本研究通過(guò)調(diào)試將邏輯值設(shè)為190,抽柜速度運(yùn)行適宜。

語(yǔ)音開(kāi)柜模式采用LD3320語(yǔ)音模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)設(shè)置喚醒詞與命令詞來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音開(kāi)柜功能,該模塊供電電壓為5 V,可識(shí)別50句詞條,該模塊通過(guò)特定的語(yǔ)音編程平臺(tái)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用語(yǔ)音錄制,將指令語(yǔ)句錄入語(yǔ)音模塊后,當(dāng)開(kāi)合模式切換至語(yǔ)音模式并檢測(cè)到錄制好的指令語(yǔ)句時(shí),抽柜按指令完成抽柜開(kāi)合。

人體感應(yīng)開(kāi)柜模式采用兩個(gè)紅外模塊來(lái)實(shí)現(xiàn),紅外模塊安裝在抽柜正面與側(cè)面,紅外模塊功能見(jiàn)表2,其中“1”表示檢測(cè)到人體,“0”表示未檢測(cè)到人體。兩個(gè)紅外模塊配合檢測(cè),完成人體紅外感應(yīng)開(kāi)合抽柜功能。

表2 紅外模塊設(shè)計(jì)功能表

手勢(shì)識(shí)別開(kāi)柜模式采用PAJ7620U2傳感器模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。該模塊內(nèi)部自帶 LED 驅(qū)動(dòng)器(可發(fā)射紅外線(xiàn)信號(hào)),內(nèi)置有傳感器感應(yīng)陣列、目標(biāo)信息提取陣列和手勢(shì)識(shí)別陣列。另外,PAJ7620U2作為一種光學(xué)數(shù)組式傳感器,其內(nèi)置LED驅(qū)動(dòng)器集成了環(huán)境光和光源抑制濾波器,模塊基本不受環(huán)境光干擾。

3 軟件設(shè)計(jì)

主控程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)流程執(zhí)行,主要包括以下四個(gè)并行程序執(zhí)行模塊,分別為語(yǔ)音判斷、紅外判斷、藍(lán)牙信號(hào)判斷、手勢(shì)信號(hào)判斷模塊。語(yǔ)音控制模塊先判斷語(yǔ)音輸入是否合法,如果合法再與語(yǔ)音庫(kù)中存儲(chǔ)的信息進(jìn)行比對(duì),符合條件即驅(qū)動(dòng)舵機(jī)模塊,完成開(kāi)鎖或關(guān)鎖的功能。紅外判斷、藍(lán)牙信號(hào)判斷、手勢(shì)信號(hào)判斷模塊分別對(duì)串口接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,并根據(jù)判斷結(jié)果執(zhí)行抽柜抽出或關(guān)閉的動(dòng)作。程序流程圖見(jiàn)圖4。

圖4 程序流程圖

Arduino主控板與各模塊采用串口通信,串口通信[4]以位(bit)為單位發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比以字節(jié)(byte)為單位的并行通信慢,但它具有同線(xiàn)異輸?shù)奶攸c(diǎn),且支持遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)輸送,最大傳輸距離可達(dá)1000 m左右,符合智能抽柜家居環(huán)境下通信傳輸?shù)木嚯x要求。

手勢(shì)識(shí)別功能的實(shí)現(xiàn)基于手勢(shì)識(shí)別算法,Ojala等[5]人在原始局部二值模式(LBP)手勢(shì)識(shí)別算法的基礎(chǔ)上采用了圓形區(qū)域改進(jìn)算法,并通過(guò)改變?cè)搮^(qū)域的半徑?jīng)Q定區(qū)域范圍的大小,以獲得適宜的圓形鄰域。若LBP(P,R)表示半徑為R的圓形區(qū)域內(nèi)有P個(gè)像素點(diǎn),則常見(jiàn)的LBP有 LBP(4,1.0)、LBP(8,1.0)、LBP(12,1.5),如圖5所示:

圖5 LBP圓形區(qū)域算法

定義中心像素點(diǎn)gc所在圓周上分布的P個(gè)鄰域像素的灰度值為:

T=t(gc,g0…gP-1)

(1)

其中,gc為中心像素的灰度值,gp為半徑為R的圓形對(duì)稱(chēng)領(lǐng)域P等分的像素灰度。若以gc為圓心,則gp的坐標(biāo)為:

gp=(-Rsin(2πp/P),-Rcos(2πp/P))

(2)

此圓形區(qū)域上的LBP計(jì)算公式為(3)和(4),且未在圓心點(diǎn)位置的區(qū)域像素灰度值采用雙線(xiàn)性差值,公式如下:

其中s(x)為符號(hào)函數(shù)[6]。

改進(jìn)算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)原始的LBP模式進(jìn)行信息降維,像素由原來(lái)的2P種減少為 P ( P-1)+2種,在數(shù)據(jù)量減少的前提下,保證了效果最優(yōu)的圖像信息。

本產(chǎn)品選用的PAJ7620U2傳感器模塊采用了LBP改進(jìn)算法,在A(yíng)uduino UNO R3的算力范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)了手勢(shì)識(shí)別開(kāi)柜功能。其中手勢(shì)識(shí)別開(kāi)柜功能相關(guān)代碼如下:

/*******************

手勢(shì)識(shí)別模塊

*******************/

uint8_t error = 0;

Serial.begin(9600);

Serial.println(" Gesture TEST DEMO:Recognize 9 gestures.");

error = GestureInit();

while (error &&(temp_error<10)){

error = GestureInit();

Serial.print("INIT ERROR,CODE:");

Serial.println(error);

temp_error++;

delay(100);

}

temp_error = 0;

Serial.println("INIT OK");

Serial.println("Please input your gestures: ");

}

/******************

手勢(shì)識(shí)別開(kāi)柜

******************/

uint8_t data = 0,data1 = 0,error;

error = GestureReadReg(0x43,1,&data); //Read Bank_0_Reg_0x43/0x44 for gesture result.

if (!error){

if(data == GES_CLOCKWISE_FLAG)

{

analogWrite(5,190);

analogWrite(6,0);

delay(1300);

analogWrite(5,0);

analogWrite(6,0);

}

if(data ==GES_COUNT_CLOCKWISE_FLAG)

{

analogWrite(5,0);

analogWrite(6,190);

delay(1600);

analogWrite(5,0);

analogWrite(6,0);

}

}

delay(100);

4 設(shè)計(jì)結(jié)果

在調(diào)試階段,除了測(cè)試各功能模塊外,還要測(cè)試各功能模塊的協(xié)同工作情況。本設(shè)計(jì)中將16個(gè)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)端口及6個(gè)模擬端口合理分配,并把各傳感器驅(qū)動(dòng)模塊程序分別定義為子程序,在主程序中按照?qǐng)D4流程圖所示,協(xié)同調(diào)用子程序,完成主程序功能。

程序通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)燒錄至Arduino主控板,進(jìn)入軟硬件聯(lián)調(diào)階段。通過(guò)主程序融合各個(gè)傳感器模塊,調(diào)用子程序,驅(qū)動(dòng)硬件工作。調(diào)試者發(fā)出不同指令驅(qū)動(dòng)不同傳感器,智能抽柜協(xié)調(diào)運(yùn)行,所有模塊功能均正常,機(jī)械結(jié)構(gòu)平穩(wěn)工作,達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期效果,設(shè)計(jì)成品的抽柜正視圖如圖6所示。

圖6 智能抽柜成品圖

5 總結(jié)

本設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)抽屜的基礎(chǔ)上,采用Arduino作為主控模塊,用APP藍(lán)牙控制開(kāi)關(guān)鎖,創(chuàng)新地融合使用多種傳感器相關(guān)技術(shù),輪式省力開(kāi)合取代傳統(tǒng)人力開(kāi)合抽柜,為殘障人士提供了便利的家居環(huán)境,具備一定的實(shí)用性,符合設(shè)計(jì)要求,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)預(yù)期。該抽柜的設(shè)計(jì),最大限度的方便了殘障人士的使用,對(duì)于特殊需求的智能家居設(shè)計(jì)有重要的啟發(fā)意義。