手勢繪圖鎖的應用研究

許文超　昂寅　胡大春

摘要：手勢圖案解鎖功能是將手機手勢翻頁功能和手機圖案解鎖功能合并在一起的，它既有手勢開關的酷炫功能，又有圖案解鎖的安全性我們用的是3*3的矩陣，不要小看這個矩陣它可以形成幾千種密碼。這樣，我們這款手勢繪圖鎖不僅有好看的外表，炫酷的功能還有實用的價值。我們所需要的材料有紅外避障傳感器，小型舵機，樹莓派和指示燈。我們用9個紅外避障傳感器來測出距離。

關鍵詞：樹莓派；紅外避障傳感器；手勢繪圖；方便簡潔

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）024-0028-03

1引言

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們的生活水平也不斷提高。傳統(tǒng)的門鎖已經(jīng)漸漸不能滿足人類的需求。傳統(tǒng)的門鎖有著許多弊端比如：當鑰匙丟了的時候門便打不開只有撬門這一條路可走。所以傳統(tǒng)的門鎖即不能適應時代的發(fā)展，也很不實用。因此，本人與同伴一起發(fā)明這個手勢繪圖鎖來解決大家的問題。歷史中出現(xiàn)的鎖不計其數(shù)，但是我確信我們制作的這款手勢繪圖鎖一定是最方便的，最實用的?，F(xiàn)代生活中每一件物體都在不斷地更新，功能也在不斷的提升。用手勢繪圖鎖是十分方便的，你只需要用手輕輕劃出你設計的密碼便可以將門打開。你不必會擔心你的鑰匙會丟在家中，也不必會擔心鑰匙被別人偷然后偷偷進家行竊。這款鎖可以讓你用得放心，在外玩得開心。

2總體設計分析

2.1系統(tǒng)組成部分

2.2硬件需求

2.2.1樹莓派

樹莓派作為一臺運行Linux 系統(tǒng)的臺式計算機，它不是以傳統(tǒng)的依靠硬盤來儲存數(shù)據(jù)而是以SD或外接USB 硬盤來儲存。方便編程、容易改造，十分方便。 并且 RPi 是一個相對完整的電腦，自帶的接口比較全面，USB-host、RJ45、HDMI、SD讀卡器等常用接口都有所以可以運行完整的操作系統(tǒng)。

硬件方面，樹莓派的參數(shù)如下：

? Broadcom BCM2835 700MHz ARM1176JZFS 配備 FPU 處理器，4核 GPU 處理器

? GPU 支持 Open GL ES 2.0， OpenVG 硬件加速，1080p30 H.264 高清解碼

? GPU 帶寬 1Gpixel/s， 1.5Gtexel/s or 24GFLOPs DMA 紋理解析

? 帶Micro SD 卡插槽（支持通過它啟動 Linux 操作系如 Fedora）

? 尺寸：85 x 56 x 17 mm

? 3.5 mm 音頻輸出接口

? microUSB 接口供電

? 10/100 自適應網(wǎng)卡

? USB 2.0 接口 x 4

? Micro SD 卡插槽

? 512 MB 內存

? 攝像頭接口

? 40PIN接口

? HDMI 接口

? LCD接口

2.2. 2紅外避障傳感器

紅外避障傳感器（9個）：

該傳感器模塊具有一對紅外線發(fā)射以及接收管，對周圍環(huán)境光線適應能力較強，發(fā)射管會發(fā)射出一定頻率的紅外線，紅外線反射回來被接收管接收。當檢測方向遇到障礙物（反射面）時，經(jīng)過比較器電路處理之后，綠色指示燈會亮起，同時信號輸出接口輸出數(shù)字信號（一個低電平信號），可通過電位器旋鈕調節(jié)檢測距離，有效距離范圍2～30cm，工作電壓為3.3V-5V[1]。該傳感器的探測距離可以通過電位器調節(jié)、具有便于裝配、干擾小、使用方便等特點，可以廣泛應用于避障機器人、避障小車、黑白線循跡及流水線計數(shù)等眾多場合[2]。

本文中紅外避障傳感器具有一對紅外信號發(fā)射與接收二極管，利用的紅紅外避障傳感器LDM301發(fā)射出一束紅外光，在照射到物體后形成一個反射的過程，反射到傳感器后接收信號，然后利用CCD圖像處理接收發(fā)射與接收的時間差的數(shù)據(jù)。經(jīng)信號處理器處理后計算出物體的距離。紅外信號反射回來被接收管接收。接受處理后通過數(shù)字傳感器接口返回到樹莓派中，樹莓派再利用紅外的返回信號來對舵機進行控制。

其數(shù)據(jù)參數(shù)如下：

1）當模塊檢測到前方障礙物信號時，電路板上綠色指示燈點亮電平，同時OUT

端口持續(xù)輸出低電平信號，該模塊檢測距離2～30cm，檢測角度35°，檢測距離

可以通過電位器進行調節(jié)，順時針調電位器，檢測距離增加；逆時針調電位器，

檢測距離減少。

2）傳感器主動紅外線反射探測，因此目標的反射率和形狀是探測距離的關鍵。其

中黑色探測距離最小，白色最大；小面積物體距離小，大面積距離大。

3）傳感器模塊輸出端口OUT 可直接與單片機IO 口連接即可，也可以直接驅動

一個5V 繼電器；連接方式：VCC-VCC；GND-GND；OUT-IO

4）比較器采用LM393，工作穩(wěn)定；

5）可采用3-5V 直流電源對模塊進行供電。當電源接通時，紅色電源指示燈點

亮；

6）具有3mm 的螺絲孔，便于固定、安裝；

7）電路板尺寸：3.2CM*1.4CM

8）每個模塊在發(fā)貨已經(jīng)將閾值比較電壓通過電位器調節(jié)好，非特殊情況，請勿隨意調節(jié)電位器。

模塊接口說明：

1）VCC 外接3.3V-5V電壓（可以直接與5v單片機和3.3v單片機相連）

2）GND 外接GND

3）OUT 小板數(shù)字量輸出接口（0和1）

2.2.3小型舵機

舵機主要是由齒輪、無核心馬達、電路板與位置檢測器所構成?？刂齐娐钒褰邮諄碜灾醒肟刂破餍盘柕目刂菩盘枺刂齐姍C轉動，電機帶動一系列齒輪組傳動至輸出舵盤。位置反饋電位計和舵機的輸出軸是相互連接的。舵盤轉動的同時，位置反饋電位計將輸出一個電位信號至控制電路板將其進行處理反饋，控制電路板根據(jù)所在位置決定電機轉動速度與方向，從而達到目標停止[3-4]。

本文中控制信號由接收機的通道進入信號調制芯片，獲得直流偏置電壓。它內部有一個基準電路，產(chǎn)生周期20ms，寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較獲得電壓輸出。最終使電機停止轉動。實現(xiàn)開關門。

其技術參數(shù)如下：

1）重量：9g

2）尺寸：23x12.2x29mm

3）無負載操作速度：0.12秒/60度（4.8V）；0.10秒/60度（6.0V）

4）扭矩：1.6kg·cm（4.8V）

5）使用溫度：-30～+60攝氏度

6）死區(qū)設定：5微秒

7）工作電壓：4.8V～6V

8）附件：

線長 25cm

速度： 0.23秒/60度（4.8V）

0.19秒/60度（6V）

力矩： 3.2kg/cm（4.8V）

4.1kg/cm（6V）

體積： 44L X 20W X 40H

重量： 37.2g

轉動角度：180度（左右各 90°）

技術參數(shù)：Futaba S3003標準舵機，使用在車、船等遙控模型上.可替代Futaba的S138、S148、S22、S38和S12。

3手勢解鎖的軟件設計

3.1手勢繪圖鎖系統(tǒng)流程圖

初始化后，避障傳感器處于檢測狀態(tài)，根據(jù)按鍵來選擇更正和檢測手勢。

3.2 Python

Python是一種面向對象具備動態(tài)數(shù)據(jù)類型的解釋性語言，你所編碼的腳本 或程序可以直接運行，而不需要類似其他語言把它們先編譯成機器碼。這樣使用 起來非常便捷。Raspberry Pi上也提供了與Python綁定在一塊的集成開發(fā)環(huán)境 IDLE。

開始編寫手勢繪圖程序前需要對樹莓派計算機的相關Python的庫文件進行 安裝設置，首先是GPIO，打開LX終端（LXTerminal），更新apt-get軟件安裝包 列表（注意必須要在網(wǎng)絡連接正常情況下），然后執(zhí)行安裝命令來安raspberry -gpio-python包。在安裝完成Python的GPIO庫后，接下來是安裝Python的UART庫 ，和上述之前步驟相似，更新apt-get軟件安裝包列表，后安裝Python的串口通信模塊.

3.3 檢測模塊設計

本實驗中所用的9個紅外避障傳感器可以檢測出你所繪出的圖案。為了防止用戶自己畫錯了本作品中設置了確定與取消兩個按鍵。當你畫錯了的時候你可以按取消鍵重新繪圖。這樣你就不會擔心自己畫錯了而系統(tǒng)會自動報警或者在繪圖過程中停留時系統(tǒng)會立刻自動檢測導致繪圖錯誤。當然，我們也設計了兩次繪圖機會防止你自己在少數(shù)情況下繪圖錯誤卻按了確定鍵。這樣，我們這款手勢繪圖鎖就可以說是完美之作了。如下圖所示手勢檢測過程。

4 總結

針對于傳統(tǒng)門鎖的弊端，我們的不斷努力我們終于將這款鎖給制成了。這樣傳統(tǒng)的門鎖的弊端我們就可以避免了。我們用了12個你再也不必擔心鑰匙會丟在家或者在外時丟鑰匙的情況了。用了這款手勢繪圖鎖一定會方便了許多。

參考文獻：

[1] 閆錦龍.帶自動避障系統(tǒng)的智能四軸飛行器的設計[D]. 安徽大學，2014.

[2] 俞萍.物聯(lián)網(wǎng)應用“智慧街道”的探索[J]. 哈爾濱師范大學自然科學學報，2014，30（3）.

[3] 梁少芳.仿人機器人步態(tài)規(guī)劃及其控制系統(tǒng)的研究[D]. 廣東工業(yè)大學，2010.

[4] 范強.雙足競步機器人設計及其步態(tài)規(guī)劃研究[D].山東理工大學，2009.