作者：Jacob Beningo
关键词：手势控制，传感器，单片机，设计开发
旋钮、按钮、手柄和触摸屏是人类与机器和嵌入式设备的常用交互方式。不过，传感器技术的最新进展开辟了一条全新的道路，使开发人员可为产品添加三维 (3D) 手势控制。
由于所采用的技术各不相同，购买和集成手势控制器可能成本高昂。然而，市面上手势传感器技术种类繁多，从使用红外LED和光电二极管来检测动作的经济型传感器，到昂贵的手势识别相机。红外手势传感器经济实惠，可以通过数字接口与低成本微控制器连接，只需辅以简单的软件，精度足以应对许多应用。
本文探讨了使用 Broadcom 的 APDS-9960 进行手势控制的方法。几乎所有嵌入式系统都可轻松集成这款红外 (IR) 手势控制传感器。
基于IR的手势传感器
基于 IR 的手势传感器原理十分简单。用于检测手势时，开发人员可能需要检测以下几种不同手势：
在上述每种情况下，传感器都需要检测运动方向，而这主要通过传感器的两大组件来实现：一个发光二极管 (LED) 和多个定向光电二极管。定向光电二极管由至少四个光电二极管组成，分别置于距IR LED预定义距离处。例如，Broadcom的APDS-9960环境光、接近度和手势传感器将四个光电二极管布置为菱形，每个二极管用于指示一个方向，分别为上、下、左和右（图1）。
图 1：Broadcom的 APDS-9960具有一个集成 IR LED和四个定向光电二极管，可检测反射的IR能量以分析手势。 （图片来源：Broadcom）
例如，若用户用手从传感器的顶部轻扫至底部，则在手势动作之初，下方光电二极管检测的入射光比上方光电二极管更强；在手势动作期间，手逐渐移动到两个二极管接收能量相等的点；而在手势动作完成时，下方光电二极管接收的反射光较弱，而上方光电二极管接收的更强，此时两光电二极管的曲线和相位完全反转（图2）。
图 2：Broadcom的 APDS-9960检测到向下手势将生成以上光电二极管曲线， 其中主导曲线指示手势方向。 （图片来源：Broadcom）
连接APDS-9960手势控制器
APDS-9960采用8引脚表面贴装 (SMD-8) 封装，占用印刷电路板空间极小（图3）。传感器尺寸仅为3.94 × 2.36 × 1.35mm。该封装包含正常电源和接地引脚、用于连接微控制器的I2 C数字接口，以及用于定制LED驱动电路的引脚。此外，该封装还包含中断引脚，可用于通知微控制器处理可用的手势数据。
图 3：APDS-9960采用紧凑型表面贴装 SMD-8封装， 可最大限度减少电路板空间。 （图片来源：Broadcom） SparkFun 的APDS-9960 评估板 提供了包括LED驱动电路在内的小型分线板，以便实现开箱即用（图4）。开发人员只需焊接针座以通过旁路绕过电源和接地，并将I2 C总线和可选的中断引脚连接至微控制器，即可着手开发嵌入式软件了。此外，SparkFun评估板还包含安装孔，若现有电路板有助于实现应用，则可直接运用到设计中。
图 4：SparkFun的 APDS-9960评估板包含着手开发手势控制所需的所有板载电路。 （图片来源：Digi-Key Electronics） Adafruit 的APDS-9960分线板 ，这也是一款一体化解决方案（图5）。Adafruit分线板很有意思，尽管外形小巧，却还包含3V板载稳压器，可用于为电源LED甚至低功耗微控制器等附加电路供电。最重要的是，Adafruit为开发人员提供了完善的Adafruit APDS9960分线板用户指南，以及若干软件库可用于连接Arduino板或运行Python的开发板。因此，使用APDS-9960可轻松实现开箱即用，从而大幅缩短开发人员着手使用手势传感器所花费的时间。
图 5：Adafruit的 APDS-9960分线板包括 APDS-9960、3V板载稳压器和 I2 C电压转换电路以支持 3V或 5V总线。（图片来源：Digi-Key Electronics） Molex 22-28-4255 分离式针座焊接至电路板上。最好将针座朝下焊接，可实现多种优势：首先，可将电路板直接插入某个试验板，如Digilent 的340-002-1 无焊试验板套件（图6）。其次，不要在该电路板上表面接线，以免手势动作时意外触及挂在针座上的电线。
图 6：Digilent无焊试验板上焊接好的 Adafruit APDS-9960分线板。 （图片来源：Adafruit） 2 C总线连接至所需的微控制器开发板。任何带微控制器的开发板都可使用。但最好选择STMicroelectronics 用于物联网节点的B-L475E-IOT01A2 STM32L475开发套件（图7）。该开发板具有Arduino针座，并且由MicroPython提供支持，可在该开发板上轻松编程。完成此操作后，即可使用Python脚本连接手势传感器，从而使手势控制不仅可行，而且轻而易举。
图 7：STM32L475物联网节点开发套件包含 Arduino针座，可轻松连接到APDS-9960分线板。 （图片来源：STMicroelectronics）
使用Python检测手势
从APDS-9960获取手势数据虽不复杂，却要求开发人员仔细阅读规格书。APDS-9960具有多种不同功能，其中包括：
上述功能均由状态机控制，而状态机的执行则基于应用的寄存器设置。例如，防止手势引擎一直执行的妙招是使用接近感应引擎来检测手的存在。一旦IR反射能量达到预设计数，则由接近引擎转换为手势引擎，手势引擎测量定向光电二极管并将测量值放入先进先出 (FIFO) 缓冲器。为了启用该功能，需要设置控制寄存器启用接近感应，并设置计数阈值。
开发人员可能需要编写算法以检测特定的手势，具体取决于应用所需的手势。然而，对于向上/向下和向左/向右等常见手势，开发人员可以使用Adafruit的APDS-9960 CircuitPython库 。将该库复制到Python设备后，即可使用清单1所示代码导入。该代码可导入APDS-9960库以及支持I2 C总线的多个库。
清单 1
import board import busio import
adafruit_apds9960.apds9960 i2c =
busio.I2C(board.SCL, board.SDA) sensor =
adafruit_apds9960.apds9960.APDS9960(i2c)
清单 1：用于连接APDS-9960手势控制器的 CircuitPython导入和库初始化代码。 （图片来源：Adafruit）
清单 2
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))
清单 2：只需简单重复调用单个库即可检测手势。 （图片来源：Adafruit）
图 8：Adafruit 的 APDS-9960 CircuitPython 库手势输出结果示例。 （图片来源：Adafruit）
如图所示，借助预先导入的库，只需几行代码即可轻松实现基本手势识别。识别更为复杂的手势则需要修改库以分析原始手势数据。
设计开发技巧与诀窍
构建手势控制传感器并将其集成于产品着实具有一定挑战性。使用基于红外线的手势控制器时，开发人员需要考虑使用以下几个“技巧与诀窍”：
使用手势传感器的内部接近检测器来触发手势控制引擎，从而最大限度地减少无效手势启动。 从现有手势库开始，在现有功能的基础上构建其他手势。 将光电二极管增益调整为适合最终手势应用的最佳值。 将LED输出驱动强度调整为适合应用的最佳值，或许需要稍作调整才能获得可重复使用的数值。 无论开发何种手势应用，开发人员都应从高级软件开发入手，待充分熟悉该传感器后再转而使用较低级别的代码。 遵循上述技巧有助于确保开发人员花费最短的时间来启动和运行IR手势控制器。
本文小结
人们不断追求以更自然、更直观的方式进行人机交互，而其中一种重要方式就是使用手势控制技术。尽管市面上手势控制技术种类繁多，但论及成本最低、使用最便捷的技术还属基于红外线的手势传感器。如上所述，如果开发人员利用现有的硬件和软件技术，则将手势传感器与微控制器集成在一起，亦可省时省力，简单易用。
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