基于手势识别的智能家居系统

沈宏宇，顾仪洁，仲崇喜，杨楠

（东南大学成贤学院，江苏南京，211800）

0 引言

为了解决智能家居行业中用户交互体验不佳和操作复杂等问题，本文将基于单片机的手势控制技术，获取手势数据从而控制简单的家庭常用器件。该系统操作简单，能通过简单的手势实现对窗帘、风扇和照明灯等的控制。

1 项目介绍

■1.1 项目研究背景

随着科学技术的不断进步，人们的消费能力和生活水平日益提高，因而人们不再满足于传统家居，开始追求舒适安全、智能便捷的居住环境。市面上也出现了不少智能化、便利化的家电设备，但是部分存在操作复杂、价格昂贵、实用性不强等问题。智能家居在满足年轻人对生活品质的追求的同时，也要兼顾老年人对于智能家居使用的可行性。而手势识别本身具有注重用户体验的优点，它既符合智能发展的变化趋势，又能很好地适应中国的人口老龄化市场。

■1.2 项目研究的目标

结合研究背景，在技术、资金允许的前提下如何将一些实用的创新性元素有效的有机结合为本次项目的研究目标及主要方向。主要目标暂定为实现智能家居照明控制系统、智能家居电器控制系统、智能家居窗帘控制系统、门的智能开关系统。通过一定的统筹管理，让用户体验智能家居给生活带来的便捷、舒适、安全。

■1.3 项目特色

区别于市面上现有的一些智能家居系统，它摒弃了遥控器等按实体键来操纵家电的控制方法，而是采用了手势识别，让机器识别用户的手势，根据采集到的用户的不同手势实现对各个家电设备的控制。

在日常生活中，窗帘通常是用来遮光和保护个人隐私，但是传统的窗帘需要用户手动去拉上、拉开，特别是对于居家空间比较大的用户来说，每天需要通过人力来控制长而重的窗帘是一件麻烦的事情，这也大大降低了生活质量，而对于那些行动不便的独居老人来说，手动窗帘就显得更加麻烦，甚至可能会产生安全隐患。而就灯光控制系统来说，现在家庭大多用的还是一键一灯的控制系统，对于房间较多的家庭或者空间来说开关灯就显得异常麻烦。基于以上种种因素，本次项目从智能家居方面着手，基于手势识别进行研究，期待能够改变现状，以达到便利现代社会生活的目的，从而提高人们的生活质量。

■1.4 项目总体设计

基于手势识别的智能家居系统采用C 语言编写，采用模块化设计。本项目的设计流程是：根据识别用户产生是手势指令控制不同模块的功能。

图1 总体设计图

■1.5 系统使用步骤

用户连接电源，开启系统，用户在手势传感器上方做出相应的手势，若手势识别正确，则对应的家电设备会运行；若手势识别错误，则需要用户重新做手势直至识别正确。

2 智能家居系统的硬件设计

■2.1 STM32 单片机

为了实现手势识别的通信功能，本文使用的处理器STM32 单片机的型号为STM32F103C8T6，它是一款基于ARM Cortex-M 内核的STM32 系列的32 位的微控制器，他的程序存储器容量一般是64KB。

■2.2 手势识别模块

在手势识别模块中，在实现捕捉识别手势的功能方面，本设计选用PAJ7620 传感器。它可以实现9 种基本手势，包括上、下、左、右、顺时针转圈和逆时针转圈等，并支持手势的不断输出。其使用I2C 通信接口，仅需两根信号脚即可控制。它具有识别速度快，识别准确性高和抗干扰能力强等优点。另外，还具备内置红外LED 和光学镜头，能在低光和黑暗环境下工作。在低耗能方面也有不错的表现。

图2 STM32F103C8T6 原理图

图3 PAJ7620 原理图

■2.3 显示模块

设计使用型号为4 针I2C 型的0.96 寸OLED 显示器，来显示传感器捕捉到的手势，根据显示器中手势可以判断所输入的指令的正确性。OLED 由于同时具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异之特性，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。

图4 显示屏外观

■2.4 控制模块

本设计采用型号为SRA-05VDC-CL 的小型电磁继电器实现可以实现远距离控制和自动化控制电路的功能，保护电路和设备。

图5 继电器外观

3 智能家居系统的软件设计

本系统的软件部分主要通过系统初始化、显示器显示、手势识别、继电器控制来实现。手势识别传感器采集手势动作，根据采集到的相应的手势信息执行门、灯、窗帘、风扇这些设备的打开和关闭。

图6 手势识别的流程图

4 功能测试

测试员将手放在PAJ7620 传感器正上方，通过上、下、左、右、顺时针、逆时针挥动手指来达到控制效果，本设计实现的手势识别的功能有：

（1）上—打开

（2）下—灯关闭

（3）左—风扇打开

（4）右—风扇关闭

（5）顺时针—窗帘拉开

（6）逆时针—窗帘合上

图7 手势示意图

5 总结

本设计完成了基于手势识别的智能家居系统，主要通过手势识别模块来采集用户的手势，传到STM32 处理器来控制对应的家电设备，并且配置了微信小程序的方式来控制家电设备。本设计突破了传统的家居模式，实现了智能化、便利化，也体现了“科技改变生活”的理念。当下，人口老龄化的问题日益凸显，本设计也为老人提供了生活便捷，也让老人享受到安全、舒适的居住环境，感受到科技改变生活方式、科技提高生活质量。