基于體感技術(shù)的智慧校園控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳海松+陳容娜

摘 要： 本項(xiàng)目為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、語(yǔ)音、體感技術(shù)在數(shù)字化校園建設(shè)中的最新應(yīng)用及信息技術(shù)與教育融合的應(yīng)用項(xiàng)目，把未來(lái)潮流的應(yīng)用帶入教室，告別傳統(tǒng)的鼠標(biāo)、鍵盤、遙控器等等。采用KINECT體感感應(yīng)器、利用手持設(shè)備作為控制終端，通過(guò)利用體感技術(shù)、Android技術(shù)、WIFI網(wǎng)絡(luò)及Zigbee無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)智能控制，實(shí)現(xiàn)讓學(xué)生和教師用語(yǔ)音、手勢(shì)和體感進(jìn)行PPT的翻頁(yè)控制，用智能手機(jī)作為控制終端，實(shí)現(xiàn)教室燈光、窗簾的智能控制和調(diào)節(jié)。

關(guān)鍵詞： 體感技術(shù)； zigbee； Wife； 控制信號(hào)

中圖分類號(hào)：TN919.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2016）12-49-04

Abstract： This project is the latest application of the Internet of Things technology， voice and somatosensory technology in the digital campus construction and the integration of information technology and education， which brings the upcoming application into the classroom and says goodbye to the traditional mouse， keyboard， and remote controller and so on. Using KINECT somatosensory sensors， using a hand-held device as a control terminal， and using the somatosensory technology， Android technology， WIFI network and Zigbee wireless network technology to realize intelligent control， let the students and teachers to control the PPT page by voice， gesture and body language， and to realize the intelligent control and adjustment of the classroom lighting and curtain by using a smart phone as the control terminal.

Key words： somatosensory technology； Zigbee； WiFi； control signal

0 引言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的領(lǐng)域應(yīng)用到體感、無(wú)線智能控制等現(xiàn)代化技術(shù)。體感技術(shù)一般需要借助體感設(shè)備如手柄、腳帶、感應(yīng)帽等完成人體動(dòng)作、表情的捕捉，如最為大眾所知的wii游戲。本項(xiàng)目采用先進(jìn)的體感技術(shù)，不需要借助設(shè)備，只需動(dòng)手、動(dòng)腳，即能通過(guò)識(shí)別器捕捉人體的運(yùn)動(dòng)線程，來(lái)控制終端設(shè)備?，F(xiàn)在體感技術(shù)還處于發(fā)展階段，但已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了游戲、影視、醫(yī)療等方面，隨著時(shí)代的變遷與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，體感技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域必將進(jìn)一步擴(kuò)大，如我們把它應(yīng)用在教學(xué)領(lǐng)域，來(lái)控制教學(xué)軟件PPT的自動(dòng)翻頁(yè)和畫圖功能，以及用手勢(shì)和語(yǔ)音控制教室的智能設(shè)備。我們采用短距離無(wú)線通信Zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)智能教室設(shè)備的控制以及環(huán)境的監(jiān)測(cè)和控制。采用無(wú)線路由器、網(wǎng)關(guān)設(shè)備、zigbee模塊完成對(duì)智能教室設(shè)備的控制。用戶通過(guò)手機(jī)或平板電腦以無(wú)線wife的形式發(fā)送控制信號(hào)至無(wú)線路由器，控制信號(hào)經(jīng)網(wǎng)線至以太網(wǎng)模塊后發(fā)送至zigbee模塊，Zigbee模塊接收控制信號(hào)后經(jīng)放大后通過(guò)天線以zigbee信號(hào)的形式發(fā)送至zigbee設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)體感技術(shù)對(duì)zigbee設(shè)備的控制[1]。

1 基于體感技術(shù)的智慧校園控制系統(tǒng)

采用內(nèi)嵌Windows操作系統(tǒng)，使用體感技術(shù)、語(yǔ)音控制技術(shù)、zigbee技術(shù)、多點(diǎn)觸控等目前世界上先進(jìn)的人機(jī)互動(dòng)交流技術(shù)，建立一套軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)，把未來(lái)潮流的應(yīng)用帶入教室。本系統(tǒng)共由五個(gè)單元模塊組成：教學(xué)互動(dòng)模塊，教學(xué)展示模塊，教室環(huán)境控制模塊，教學(xué)資源網(wǎng)絡(luò)模塊和總控制中心。我們主要介紹體感控制，語(yǔ)音控制及教室智能設(shè)備控制這幾個(gè)部分，通過(guò)利用體感、Android技術(shù)、WIFI網(wǎng)絡(luò)及Zigbee無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)控制教室內(nèi)部燈光、窗簾以及利用體感技術(shù)、語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)教室內(nèi)部燈光、窗簾的控制，并實(shí)現(xiàn)采用體感技術(shù)實(shí)現(xiàn)教學(xué)輔助軟件的智能控制?？驁D如圖1所示。主要研究?jī)?nèi)容如下：

⑴ 采用體感技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能控制等功能；

⑵ 采用體感技術(shù)實(shí)現(xiàn)PPT的控制、實(shí)現(xiàn)在屏幕上簡(jiǎn)易畫圖；

⑶ 采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)教室特設(shè)的智能設(shè)備的控制等功能；

⑷ 采用語(yǔ)音技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能控制；

⑸ 采用語(yǔ)音技術(shù)實(shí)現(xiàn)PPT的控制。

在體感控制應(yīng)用領(lǐng)域，最主流的應(yīng)用當(dāng)屬體感游戲，體感游戲，顧名思義是通過(guò)身體運(yùn)動(dòng)的感應(yīng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)游戲中的各種操作，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是指通過(guò)人體動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)游戲[2]。體感技術(shù)之所以能夠受到廣大玩家的推崇與喜愛，是因?yàn)槠洫?dú)特的形式。在教育領(lǐng)域，體感控制技術(shù)還未做到有效應(yīng)用。我們把體感技術(shù)引入教學(xué)，增強(qiáng)和學(xué)生的互動(dòng)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性。其實(shí)現(xiàn)功能是采用體感及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，感知教學(xué)場(chǎng)景，通過(guò)手勢(shì)及語(yǔ)音實(shí)現(xiàn)教學(xué)軟件及教室教學(xué)設(shè)備智能控制。軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

2.1 體感控制PPT的自動(dòng)翻頁(yè)

體感交互是一項(xiàng)無(wú)需借助任何控制設(shè)備，可以直接使用肢體動(dòng)作與數(shù)字設(shè)備和環(huán)境互動(dòng)，隨心所欲地操控的智能技術(shù)。它的核心在于讓計(jì)算機(jī)有了更精準(zhǔn)有效的“眼睛”去觀察這個(gè)世界，并根據(jù)人的動(dòng)作來(lái)完成各種指令，不是簡(jiǎn)單地利用體感技術(shù)代替鼠標(biāo)鍵盤的點(diǎn)擊操作。我們通過(guò)體感設(shè)備模擬windows操作系統(tǒng)的鼠標(biāo)和鍵盤操作事件，讓電腦瞬間變成體感控制，通過(guò)定義多個(gè)手勢(shì)，例如向左，向右，向上，向下?lián)]動(dòng)手勢(shì)對(duì)應(yīng)多個(gè)鼠標(biāo)鍵盤的左右上下箭頭鍵盤操作響應(yīng)事件，這樣就可以通過(guò)手勢(shì)來(lái)控制PPT的自動(dòng)翻頁(yè)功能了。我們可以讓每一個(gè)鼠標(biāo)鍵盤事件都對(duì)應(yīng)一個(gè)體感手勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)完全自定義化的通過(guò)體感手勢(shì)來(lái)操作軟件，完全實(shí)現(xiàn)體感操作代替鼠標(biāo)鍵盤的操作。實(shí)現(xiàn)的功能是采用體感技術(shù)實(shí)現(xiàn)PPT的控制：右手向左揮動(dòng)，PPT演示文稿往前翻一頁(yè)；左手向右揮動(dòng)，PPT演示文稿向后翻一頁(yè)。采用語(yǔ)音技術(shù)實(shí)現(xiàn)PPT的控制：開口說(shuō)“前”，PPT演示文稿往前翻一頁(yè)；開口說(shuō)“后”，PPT演示文稿向后翻一頁(yè)。體感識(shí)別和控制的框圖如圖3所示。

體感控制PPT向前翻頁(yè)的程序如圖4所示。

2.2 體感控制教室智能設(shè)備

通過(guò)體感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)教室內(nèi)部燈光、窗簾的控制：揮動(dòng)左手開燈、窗簾；揮動(dòng)右手關(guān)燈、窗簾。采用語(yǔ)音技術(shù)實(shí)現(xiàn)教室內(nèi)部燈光、窗簾的控制：開口說(shuō)“開燈”，燈點(diǎn)亮，開口說(shuō)“關(guān)燈”，燈熄滅；開口說(shuō)“開窗簾”，窗簾打開，開口說(shuō)“關(guān)窗簾”，窗簾關(guān)閉。

通過(guò)單片機(jī)接收到Kinect采集到的動(dòng)作，轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的指令，然后通過(guò)Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以簇狀連接方式組網(wǎng)，分別控制教室的窗簾動(dòng)作、燈光亮度調(diào)節(jié)、空調(diào)的開關(guān)，系統(tǒng)硬件框圖如圖5所示。體感控制智能設(shè)備的程序如圖6所示。

[開關(guān)設(shè)備終端][Zigbee][Zigbee][Kinect體感器][單片機(jī)][開關(guān)設(shè)備終端][照明控制系統(tǒng)][窗簾控制系統(tǒng)]

3 智能教室設(shè)備控制系統(tǒng)

系統(tǒng)采用Chipcon公司的CC2530，通過(guò)Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以星狀連接方式組網(wǎng)。設(shè)備控制子網(wǎng)采用CC2530的單一I/O口控制，通過(guò)P1.0、P1.1、P1.2分別控制無(wú)線燈光、電動(dòng)窗簾、空調(diào)開關(guān)，智能教室設(shè)備控制系統(tǒng)框圖如圖7所示。

[Internet][用戶手機(jī)][Zigbee][Zigbee][Wife][Zigbee] [無(wú)線路由器][網(wǎng)關(guān)設(shè)備（Wife-zigbee）] [開關(guān)設(shè)備終端][開關(guān)設(shè)備終端] [開關(guān)設(shè)備終

3.1 無(wú)線燈控實(shí)現(xiàn)

采用用戶終端發(fā)送開啟、關(guān)閉、調(diào)光、預(yù)約開啟、關(guān)閉和調(diào)光的控制信號(hào)給路由路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)與WIFE轉(zhuǎn)Zigbee的網(wǎng)關(guān)設(shè)備完成握手后，輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)來(lái)驅(qū)動(dòng)雙向可控硅，控制可控硅相控調(diào)光和控制燈光的開啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)教室燈光智能控制，同時(shí)通過(guò)鎖存器將上一次的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以便與下一次數(shù)據(jù)作比較，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光亮暗的調(diào)節(jié)。燈光調(diào)節(jié)的界面如圖8所示。

3.2 電動(dòng)窗簾的實(shí)現(xiàn)

電功窗簾控制采用自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種方式。通過(guò)對(duì)環(huán)境的光照強(qiáng)度、濕度的變化以及無(wú)線控制來(lái)對(duì)智能窗簾網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，光照強(qiáng)度強(qiáng)時(shí)，窗簾關(guān)起；濕度低時(shí)，窗簾關(guān)起。反之光照強(qiáng)度弱時(shí)，窗簾開啟；濕度高時(shí)，窗簾開啟。溫度傳感器采用CC2530自帶的溫度傳感器；同時(shí)還可以通過(guò)手動(dòng)控制窗簾的開啟和關(guān)閉。窗簾控制系統(tǒng)由zigbee模塊和直流電機(jī)組成，用戶終端發(fā)送窗簾控制命令給路由器節(jié)點(diǎn)，路由器和網(wǎng)關(guān)完成握手后，CC2530接收到協(xié)調(diào)器的控制信號(hào)，確定自己是否被呼叫，如果被呼叫，則接收發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，然后確定是電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)還是停止，在接收數(shù)據(jù)信息的同時(shí)，與自身存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)作對(duì)比，確定需要的脈沖數(shù)，從而控制窗簾的開關(guān)程度[4]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)引入先進(jìn)的體感技術(shù)在教學(xué)軟件、教室燈光及窗簾等控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，告別傳統(tǒng)的鼠標(biāo)、鍵盤、遙控器等，讓人以更自然的方式與控制終端進(jìn)行交互。利用語(yǔ)音交互技術(shù)控制教學(xué)軟件和教室燈光，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)操作的便利性，而且對(duì)于一些有缺陷的人士，利用語(yǔ)音和手勢(shì)就可以控制智能設(shè)備，非常方便；利用手機(jī)或平板電腦，采用Zigbee、WiFi技術(shù)對(duì)燈光、風(fēng)扇、窗簾進(jìn)行無(wú)線控制；無(wú)需布線，穩(wěn)定性高，維護(hù)費(fèi)用低廉，操作簡(jiǎn)單、適用性廣，前景比較廣闊。

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