基于Arduino平台多传感器融合的智能抽柜设计.pdf

基于A r d u i n o平台多传感器融合的智能抽柜设计潘 丽1,马树文1,梁语涵2(1.兰州职业技术学院 电子信息工程系,兰州 7 3 0 0 5 0;2.兰州市第一中学,兰州 7 3 0 0 5 0)摘 要:随着智能家居逐渐普及,市场细分化将成为未来发展的趋势。由于适用于残障用户的产品甚少,针对各种残障类型人士的家居需求,将蓝牙模块、手势识别模块、红外传感模块以及语音模块等多传感器融合在了一起,设计了一款智能抽柜。该智能抽柜实现了蓝牙上锁模式和手势、人体感应与语音三种开柜模式,并同时采用电机驱动滑轮完成抽柜的省力开合。关键词:智能家居;A r d u i n o;传感器;手势识别;局部二值模式 中图分类号:T S 6 6 5.2 文献标识码:A 文章编号:2 0 9 5 9 6 9 9(2 0 2 3)0 3 0 0 5 8 0 40 引言电子信息技术的飞速发展推动了家居智能化的进程,越来越多的智能家居不断在市场上涌现。抽柜作为常见的一种家具,对其进行智能化的设计研究必不可少。传统抽屉设计用手推拉进行开合,未考虑到残疾人士或行动受限人士的使用不便。本文介绍的这款智能抽柜应用电子信息技术,融合多种传感器对普通抽屉进行了智能优化设计,可以方便目标人群日常使用。截至2 0 2 2年,中国各类残疾人总数已达8 5 0 0万1,语盲障碍人数量约为8 3 0万人,每年新增语盲障碍人数量已经达到4 0万以上,此外还有大量老年人、孕妇、儿童等行动受限的社会成员。因此,为残障人士及行动受限人群服务,设计智能家居已经是刻不容缓的事情。本文研究不同类型残障人士的需求,设计了一种基于多传感器融合的无接触智能抽柜,其可通过手势、红外传感以及语音三种开合方式进行操作,同时可通过手机A P P控制蓝牙上锁。1 设计方案文中的抽柜设计以方便残障人士生活为主旨。考虑到不同残障类型人群的需求,设计与残障类型相对应的开柜形式,对应关系见表1。表1 不同开柜设计与不同残障类型对应关系开柜方式残障类型人体感应肢体障碍、失声、视觉障碍语音视觉障碍、肢体障碍手势失声 本 设 计 由A r d u i n o UNO R 3主 控 板 融 合L D 3 3 2 0语音模块、红外传感器、蓝牙模块、手势识别传感器构成。整体设计及指令、数据流向见图1。图1 整体设计框图在机械方面,本产品以万向轮和普通滑轮为承重轮,金属铝片作为滑动轨道来实现抽柜的开合功能,舵机通过识别蓝牙信号将柜子上锁。不同开柜方式通过不同传感器来实现,传感器收到命令后由第3 8卷 第3期2 0 2 3年6月 景德镇学院学报J o u r n a l o f J i n g d e z h e n U n i v e r s i t y V o l.3 8 N o.3 J u n.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 3-0 4-1 0基金项目:甘肃省高等学校创新基金项目(2 0 2 2 B-4 4 4);兰州职业技术学院科研项目(2 0 2 1 X Y-2 1);中国高校产学研创新基金 新一代信息技术创新项目(2 0 2 1 I TA 0 5 0 1 5);高校教师创新基金项目(2 0 2 3 B-4 5 1)作者简介:潘 丽(1 9 7 9-),女,甘肃定西人,副教授,主要从事电子技术、物联网、人工智能专业研究。电机驱动滑轮带动柜子抽出或关闭。在外观设计上,本产品采用透明的外壳设计以彰显机械美感,机械结构设计如图2所示。图2 机械结构三维设计图2 硬件设计本设计所采用的A r d u i n o UNO R 3是一款基于A t m e g a 3 2 8的 单 片 机 开 发 板,其 包 含 硬 件(A r d u i n o板)和软件(A r d u i n o I D E)2,板载1 4个数字I O端口,其中6个端口可以作为PWM信号输出功能使用;6个模拟输入、输出端口(A 0-A 5)可做数字信号输入和输出功能使用。在此设计中,将2号、3号作为语音模块接口,4号作为手势模块接口,5号、6号作为直流电机模块接口,7号、8号作为红外检测模块接口,1 1号作为舵机接口,蓝牙模块接在a r d u i n o专用接口。蓝牙模块用于实现上位机A P P远程遥控上锁功能。该功能通过蓝牙传输协议与自研A P P的方式实现,蓝牙模块自研A P P界面如图3所示。图3 自研A P P界面图本设计采用电机驱动板和脉宽调速(PWM调速)来控制直流减速电机,以此来带动抽柜的运行。当使能端处于高电平时,可通过改变输入引脚的电平来控制电机的运动状态。脉宽调速是通过改变PWM脉冲高电平的占空比来使抽柜运行速度发生改变的,占空比越大,运行速度越快,反之越慢。抽柜采用PWM来控制电机运行速度,因此选择高效、可靠、可 控 的 驱 动 电 路 及 方 式 至 关 重 要3。在A R DU I NO UNO R 3板上,具有脉宽调速(PWM调速)功能的端口分别为3、5、6、9、1 0、1 1口,本设计使用5、6口。A R DU I NO UNO R 3占空比1 0 0%用逻辑值2 5 5表示,占空比0%用逻辑值0表示。本研究通过调试将逻辑值设为1 9 0,抽柜速度运行适宜。语音开柜模式采用L D 3 3 2 0语音模块来实现。通过设置唤醒词与命令词来实现语音开柜功能,该模块供电电压为5 V,可识别5 0句词条,该模块通过特定的语音编程平台进行程序设计。本设计采用语音录制,将指令语句录入语音模块后,当开合模式切换至语音模式并检测到录制好的指令语句时,抽柜按指令完成抽柜开合。人体感应开柜模式采用两个红外模块来实现,红外模块安装在抽柜正面与侧面,红外模块功能见表2,其中“1”表示检测到人体,“0”表示未检测到人体。两个红外模块配合检测,完成人体红外感应开合抽柜功能。表2 红外模块设计功能表红外模块1红外模块2抽柜功能10退回01停止11前进00停止 手势识别开柜模式采用P A J 7 6 2 0 U 2传感器模块来实现。该模块内部自带 L E D 驱动器(可发射红外线信号),内置有传感器感应阵列、目标信息提取阵列和手势识别阵列。另外,P A J 7 6 2 0 U 2作为一种光学数组式传感器,其内置L E D驱动器集成了环境光和光源抑制滤波器,模块基本不受环境光干扰。3 软件设计主控程序负责系统流程执行,主要包括以下四个并行程序执行模块,分别为语音判断、红外判断、蓝牙信号判断、手势信号判断模块。语音控制模块先判断语音输入是否合法,如果合法再与语音库中存储的信息进行比对,符合条件即驱动舵机模块,完成开锁或关锁的功能。红外判断、蓝牙信号判断、手95第3期 潘 丽,马树文,梁语涵:基于A r d u i n o平台多传感器融合的智能抽柜设计势信号判断模块分别对串口接收到的数据进行判断,并根据判断结果执行抽柜抽出或关闭的动作。程序流程图见图4。图4 程序流程图A r d u i n o主控板与各模块采用串口通信,串口通信4以位(b i t)为单位发送和接收字节。尽管比以字节(b y t e)为单位的并行通信慢,但它具有同线异输的特点,且支持远距离数据输送,最大传输距离可达1 0 0 0 m左右,符合智能抽柜家居环境下通信传输的距离要求。手势识别功能的实现基于手势识别算法,O j a l a等5人在原始局部二值模式(L B P)手势识别算法的基础上采用了圆形区域改进算法,并通过改变该区域的半径决定区域范围的大小,以获得适宜的圆形邻域。若L B P(P,R)表示半径为R的圆形区域内有P个像素点,则常见的L B P有 L B P(4,1.0)、L B P(8,1.0)、L B P(1 2,1.5),如图5所示:图5 L B P圆形区域算法定义中心像素点gc所在圆周上分布的P个邻域像素的灰度值为:T=t(gc,g0gP-1)(1)其中,gc为中心像素的灰度值,gp为半径为R的圆形对称领域P等分的像素灰度。若以gc为圆心,则gp的坐标为:gp=(-R s i n(2 p/P),-Rc o s(2 p/P)(2)此圆形区域上的L B P计算公式为(3)和(4),且未在圆心点位置的区域像素灰度值采用双线性差值,公式如下:L B PP,R=P-1p=0s(gp-gc)2p (3)sx =1,x00,x0 (4)其中s(x)为符号函数6。改进算法实现了对原始的L B P模式进行信息降维,像素由原来的2P种减少为 P(P-1)+2种,在数据量减少的前提下,保证了效果最优的图像信息。本产品选用的P A J 7 6 2 0 U 2传感器模块采用了L B P改进算法,在A u d u i n o UNO R 3的算力范围内,实现了手势识别开柜功能。其中手势识别开柜功能相关代码如下:/*手势识别模块*/u i n t 8_t e r r o r=0;S e r i a l.b e g i n(9 6 0 0);S e r i a l.p r i n t l n(n G e s t u r e T E S T D EMO:R e c o g n i z e 9 g e s t u r e s.);e r r o r=G e s t u r e I n i t();w h i l e(e r r o r&(t e m p_e r r o r 1 0)e r r o r=G e s t u r e I n i t();S e r i a l.p r i n t(I N I T E R R O R,C O D E:);S e r i a l.p r i n t l n(e r r o r);t e m p_e r r o r+;d e l a y(1 0 0);t e m p_e r r o r=0;S e r i a l.p r i n t l n(I N I T OK);S e r i a l.p r i n t l n(P l e a s e i n p u t y o u r g e s t u r e s:n);/*手势识别开柜*/u i n t 8_t d a t a=0,d a t a 1=0,e r r o r;e r r o r=G e s t u r e R e a d R e g(0 x 4 3,1,&d a t a);/R e a d B a n k_0_R e g_0 x 4 3/0 x 4 4 f o r g e s t u r e r e s u l t.i f(!e r r o r)i f(d a t a=G E S_C L O C KW I S E_F L AG)a n a l o g W r i t e(5,1 9 0);a n a l o g W r i t e(6,0);d e l a y(1 3 0 0);a n a l o g W r i t e(5,0);a n a l o g W r i t e(6,0);i f(d a t a=G E S_C OUNT_C L O C KW I S E_06 景德镇学院学报 2 0 2 3年F L AG)a n a l o g W r i t e(5,0);a n a l o g W r i t e(6,1 9 0);d e l a y(1 6 0 0);a n a l o g W r i t e(5,0);a n a l o g W r i t e(6,0);d e l a y(1 0 0);4 设计结果在调试阶段,除了测试各功能模块外,还要测试各功能模块的协同工作情况。本设计中将1 6个数字数据端口及6个模拟端口合理分配,并把各传感器驱动模块程序分别定义为子程序,在主程序中按照图4流程图所示,协同调用子程序,完成主程序功能。图6 智能抽柜成品图程序通过数据线烧录至A r d u i n o主控板,进入软硬件联调阶段。通过主程序融合各个传感器模块,调用子程序,驱动硬件工作。调试者发出不同指令驱动不同传感器,智能抽柜协调运行,所有模块功能均正常,机械结构平稳工作,达到设计预期效果,设计成品的抽柜正视图如图6所示。5 总结本设计在传统抽屉的基础上,采用A r d u i n o作为主控模块,用A P P蓝牙控制开关锁,创新地融合使用多种传感器相关技术,轮式省力开合取代传统人力开合抽柜,为残障人士提供了便利的家居环境,具备一定的实用性,符合设计要求,实现设计预期。该抽柜的设计,最大限度的方便了残障人士的使用,对于特殊需求的智能家居设计有重要的启发意义。参考文献:1 我国残疾人口数量2 0 2 2(我国最新残疾人数据表)E B/O L.(2 0 2 3-0 4-0 6)2 0 2 3-0 4-1 5.h t t p s:/ww w.n u o y a h a o.c o m/p o s t/5 6 9 9 1.h t m l.2 邹伟,杨平,徐德.基于MC G S组态软件的上位机控制系统设计J.制造业自动化,2 0 0 8,3 0(1 2):1 0 3-1 0 8.3 杨 佳义.自 动 循迹 小车 控制 系 统 设 计 J.南 方 农 机,2 0 2 2,5 3(6):5 0-5 3.4 陈维刚,朱天航,吝毅.基于A r d u i n o智能小车控制系统的设计J.农业装备研发,2 0 2 2,8(下):1 4 5-1 4 8.5 解栋 文.手 势 识 别 算 法 与 研 究 D.合 肥:安 徽 大 学,2 0 1 9:3 2-6 5.6 张政.基于深度学习的手势检测和识别研究D.贵阳:贵州大学,2 0 2 1:2 7-2 8.D e s i g n o f I n t e l l i g e n t D r a w e r f o r t h e D i s a b l e d T h r o u g h M u l t i-s e n s o r F u s i o n o n A r d u i n oP A N L i1,M A S h u w e n1,L A N G Y u h a n2(1.D e p a r t m e n t o f E l e c t r o n i c I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g,L a n z h o u V o c a t i o n a l T e c h n i c a l C o l l e g e,L a n z h o u 7 3 0 0 5 0,C h i n a;2.L a n z h o u N o.1 M i d d l e S c h o o l,L a n z h o u 7 3 0 0 5 0,C h i n a)A b s t r a c t:W i t h t h e i n c r e a s i n g p o p u l a r i t y o f s m a r t h o m e,m a r k e t s e g m e n t a t i o n w i l l b e c o m e t h e t r e n d i n t h e f u t u r e.S i n c e t h e r e a r e f e w p r o d u c t s s u i t a b l e f o r d i s a b l e d u s e r s,t h i s p a p e r d e s i g n s a n i n t e l l i g e n t d r a w e r b y i n t e g r a t i n g m u l t i p l e s e n s o r s s u c h a s B l u e t o o t h m o d u l e,g e s t u r e r e c o g n i t i o n m o d u l e,i n f r a r e d s e n s o r m o d u l e a n d v o i c e m o d u l e t o m e e t t h e h o m e n e e d s o f p e o p l e w i t h v a r i o u s t y p e s o f d i s a b i l i t i e s.T h e i n t e l l i g e n t d r a w e r r e a l i z e s a B l u e t o o t h l o c k i n g m o d e a n d t h r e e d r a w e r o p e n i n g m o d e s o f g e s t u r e,h u m a n b o d y i n d u c t i o n a n d v o i c e,a n d s i m u l t a n e o u s l y a d o p t s a m o t o r t o d r i v e a p u l l e y t o c o m p l e t e t h e l a b o r-s a v i n g o p e n i n g a n d c l o s i n g o f t h e d r a w e r.K e y w o r d s:s m a r t h o m e;A r d u i n o;s e n s o r;g e s t u r e r e c o g n i t i o n;l o c a l b i n a r y p a t t e r n16第3期 潘 丽,马树文,梁语涵:基于A r d u i n o平台多传感器融合的智能抽柜设计