快速設計您自己的低成本 3D 手勢控制器

旋鈕、按鈕、手柄和觸摸屏是人類與機器和嵌入式設備的常用交互方式。不過，傳感器技術的最新進展開辟了一條全新的道路，使開發人員可為產品添加三維 (3D) 手勢控制。

由于所采用的技術各不相同，購買和集成手勢控制器可能成本高昂。然而，市面上手勢傳感器技術種類繁多，從使用紅外 LED 和光電二極管來檢測動作的經濟型傳感器，到昂貴的手勢識別相機。紅外手勢傳感器經濟實惠，可以通過數字接口與低成本微控制器連接，只需輔以簡單的軟件，精度足以應對許多應用。

本文探討了使用Broadcom的APDS-9960進行手勢控制的方法。幾乎所有嵌入式系統都可輕松集成這款紅外 (IR) 手勢控制傳感器。

基于 IR 的手勢傳感器

基于 IR 的手勢傳感器原理十分簡單。用于檢測手勢時，開發人員可能需要檢測以下幾種不同手勢：

向上/向下

向左/向右

向前/向后

在上述每種情況下，傳感器都需要檢測運動方向，而這主要通過傳感器的兩大組件來實現：一個發光二極管 (LED) 和多個定向光電二極管。定向光電二極管由至少四個光電二極管組成，分別置于距 IR LED 預定義距離處。例如，Broadcom 的 APDS-9960 環境光、接近度和手勢傳感器將四個光電二極管布置為菱形，每個二極管用于指示一個方向，分別為上、下、左和右（圖 1）。

圖 1：Broadcom 的 APDS-9960 具有一個集成 IR LED 和四個定向光電二極管，可檢測反射的 IR 能量以分析手勢。（圖片來源：Broadcom）

當 LED 發射紅外能量時，除非遇到手等物體發生反射，否則能量就會發射至空氣中。光電二極管將檢測到不同強度的反射能量，具體取決于物體的位置。例如，相比位于手勢后邊緣的光電二極管，前邊緣光電二極管最初接收的反射能量較少，從而導致一個光電二極管的計數值比另一個高。在手勢動作過程中，連續測量將導致不同位置的光電二極管檢測的反射能量強度不同，而分析該方向信息流即可確定手勢。

例如，若用戶用手從傳感器的頂部輕掃至底部，則在手勢動作之初，下方光電二極管檢測的入射光比上方光電二極管更強；在手勢動作期間，手逐漸移動到兩個二極管接收能量相等的點；而在手勢動作完成時，下方光電二極管接收的反射光較弱，而上方光電二極管接收的更強，此時兩光電二極管的曲線和相位完全反轉（圖 2）。

圖 2：Broadcom 的 APDS-9960 檢測到向下手勢將生成以上光電二極管曲線，其中主導曲線指示手勢方向。（圖片來源：Broadcom）

了解手勢數據的生成原理后，下一步就來看看如何連接到 APDS-9960。

連接 Broadcom 的 APDS-9960 手勢控制器

APDS-9960 采用 8 引腳表面貼裝 (SMD-8) 封裝，占用印刷電路板空間極?。▓D 3）。傳感器尺寸僅為 3.94 × 2.36 × 1.35 mm。該封裝包含正常電源和接地引腳、用于連接微控制器的 I2C 數字接口，以及用于定制 LED 驅動電路的引腳。此外，該封裝還包含中斷引腳，可用于通知微控制器處理可用的手勢數據。

圖 3：APDS-9960 采用緊湊型表面貼裝 SMD-8 封裝，可最大限度減少電路板空間。（圖片來源：Broadcom）

構建原型并連接 APDS-9960 有幾種不同選項可供選擇。例如，SparkFun的APDS-9960 評估板提供了包括 LED 驅動電路在內的小型分線板，以便實現開箱即用（圖 4）。開發人員只需焊接針座以通過旁路繞過電源和接地，并將 I2C 總線和可選的中斷引腳連接至微控制器，即可著手開發嵌入式軟件了。此外，SparkFun 評估板還包含安裝孔，若現有電路板有助于實現應用，則可直接運用到設計中。

圖 4：SparkFun 的 APDS-9960 評估板包含著手開發手勢控制所需的所有板載電路。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

或者，開發人員也可使用Adafruit的APDS-9960 分線板，這也是一款一體化解決方案（圖 5）。Adafruit 分線板很有意思，盡管外形小巧，卻還包含 3 V 板載穩壓器，可用于為電源 LED 甚至低功耗微控制器等附加電路供電。最重要的是，Adafruit 為開發人員提供了完善的 Adafruit APDS9960 分線板用戶指南，以及若干軟件庫可用于連接 Arduino 板或運行 Python 的開發板。因此，使用 APDS-9960 可輕松實現開箱即用，從而大幅縮短開發人員著手使用手勢傳感器所花費的時間。

圖 5：Adafruit 的 APDS-9960 分線板包括 APDS-9960、3 V 板載穩壓器和 I2C 電壓轉換電路以支持 3 V 或 5 V 總線。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

連接上述分線板的最簡單方法是將Molex22-28-4255分離式針座焊接至電路板上。最好將針座朝下焊接，可實現多種優勢：首先，可將電路板直接插入某個試驗板，如Digilent的340-002-1無焊試驗板套件（圖 6）。其次，不要在該電路板上表面接線，以免手勢動作時意外觸及掛在針座上的電線。

圖 6：Digilent 無焊試驗板上焊接好的 Adafruit APDS-9960 分線板。（圖片來源：Adafruit）

此時，需要連接電源和接地，并將 I2C 總線連接至所需的微控制器開發板。任何帶微控制器的開發板都可使用。但最好選擇STMicroelectronics用于物聯網節點的B-L475E-IOT01A2STM32L475 開發套件（圖 7）。該開發板具有 Arduino 針座，并且由 MicroPython 提供支持，可在該開發板上輕松編程。完成此操作后，即可使用 Python 腳本連接手勢傳感器，從而使手勢控制不僅可行，而且輕而易舉。

圖 7：STM32L475 物聯網節點開發套件包含 Arduino 針座，可輕松連接到 APDS-9960 分線板。（圖片來源：STMicroelectronics）

使用 Python 檢測手勢

從 APDS-9960 獲取手勢數據雖不復雜，卻要求開發人員仔細閱讀規格書。APDS-9960 具有多種不同功能，其中包括：

手勢感應

環境光感應

RGB 顏色感應

接近感應

上述功能均由狀態機控制，而狀態機的執行則基于應用的寄存器設置。例如，防止手勢引擎一直執行的妙招是使用接近感應引擎來檢測手的存在。一旦 IR 反射能量達到預設計數，則由接近引擎轉換為手勢引擎，手勢引擎測量定向光電二極管并將測量值放入先進先出 (FIFO) 緩沖器。為了啟用該功能，需要設置控制寄存器啟用接近感應，并設置計數閾值。

開發人員可能需要編寫算法以檢測特定的手勢，具體取決于應用所需的手勢。然而，對于向上/向下和向左/向右等常見手勢，開發人員可以使用 Adafruit 的 APDS-9960CircuitPython 庫。將該庫復制到 Python 設備后，即可使用清單 1 所示代碼導入。該代碼可導入 APDS-9960 庫以及支持 I2C 總線的多個庫。

副本 import board import busio import adafruit_apds9960.apds9960 i2c = busio.I2C(board.SCL, board.SDA) sensor = adafruit_apds9960.apds9960.APDS9960(i2c)

清單 1：用于連接 APDS-9960 手勢控制器的 CircuitPython 導入和庫初始化代碼。（圖片來源：Adafruit）

傳感器對象是 APDS-9960 庫中一個實例。稍后，我們將看到其易用性。為了啟用手勢，開發人員只需使用以下代碼啟用手勢功能：

副本 sensor.enable_gesture = True The main program loop setup to read the gesture is itself just a few lines of code (Listing 2).gesture = sensor.gesture() while gesture == 0: gesture = sensor.gesture() print('Saw gesture: {0}'.format(gesture))

清單 2：只需簡單重復調用單個庫即可檢測手勢。（圖片來源：Adafruit）

閱讀該代碼后，您定會發現若感測到手勢，則將在屏幕上打印檢測的手勢（圖 8）。

圖 8：Adafruit 的 APDS-9960 CircuitPython 庫手勢輸出結果示例。（圖片來源：Adafruit）

手勢可以數字形式輸出，使用以下鍵值即可輕松轉換：

0 = 未檢測到手勢

1 = 檢測到向上手勢

2 = 檢測到向下手勢

3 = 檢測到向左手勢

4 = 檢測到向右手勢

如圖所示，借助預先導入的庫，只需幾行代碼即可輕松實現基本手勢識別。識別更為復雜的手勢則需要修改庫以分析原始手勢數據。

構建手勢控制器的技巧與訣竅

構建手勢控制傳感器并將其集成于產品著實具有一定挑戰性。使用基于紅外線的手勢控制器時，開發人員需要考慮使用以下幾個“技巧與訣竅”：

使用手勢傳感器的內部接近檢測器來觸發手勢控制引擎，從而最大限度地減少無效手勢啟動。

從現有手勢庫開始，在現有功能的基礎上構建其他手勢。

將光電二極管增益調整為適合最終手勢應用的最佳值。

將 LED 輸出驅動強度調整為適合應用的最佳值，或許需要稍作調整才能獲得可重復使用的數值。

無論開發何種手勢應用，開發人員都應從高級軟件開發入手，待充分熟悉該傳感器后再轉而使用較低級別的代碼。

遵循上述技巧有助于確保開發人員花費最短的時間來啟動和運行 IR 手勢控制器。

總結

人們不斷追求以更自然、更直觀的方式進行人機交互，而其中一種重要方式就是使用手勢控制技術。盡管市面上手勢控制技術種類繁多，但論及成本最低、使用最便捷的技術還屬基于紅外線的手勢傳感器。如上所述，如果開發人員利用現有的硬件和軟件技術，則將手勢傳感器與微控制器集成在一起，亦可省時省力，簡單易用。