手勢控制的LED變形燈設計

王寧 王巍 牛萍娟

摘 ?要： 針對LED燈具互動性差，造型單一的現(xiàn)狀，設計一種基于手勢控制的LED吊燈。該設計以STM32為控制核心，包括無線WiFi模塊、手勢識別模塊、燈光控制模塊和電機驅動模塊。所設計的LED吊燈具有手勢控制和手機APP控制兩種控制模式，具備亮度調(diào)節(jié)、色溫調(diào)節(jié)、顏色變換等功能。燈罩的展開與閉合，改變燈具的照明角度，實現(xiàn)變形的效果。該設計通過WiFi技術接入家庭局域網(wǎng)，實現(xiàn)燈具的網(wǎng)絡化、智能化。

關鍵詞： LED照明; 手勢控制; 變形燈具; 程序設計; 嵌入式系統(tǒng); 智能照明

中圖分類號： TN345?34; TP391.4 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）02?0024?05

Design of LED deformation lamp controlled by gestures

WANG Ning， WANG Wei， NIU Pingjuan

Abstract： A LED chandelier based on gesture control is designed to improve the current situation of poor interactivity and single shape of LED lamps， in which STM32 is taken as the control core， including wireless Wi?Fi module， gesture recognition module， light control module， key control module and motor drive module. The designed LED chandelier has two control modes of gesture control and mobile phone APP control， and has the functions of brightness adjustment， color temperature adjustment and color transformation. The illumination angle of lamp is changed by unfolding and closing the lampshades to achieve its deformation effect. In this design， the home LAN can be accessed with the WiFi technology to realize networking and intelligentization of the LED chandelier.

Keywords： LED lighting; gesture control; deformation lamp; program design; embedded system; intelligent lighting

0 ?引 ?言

隨著LED技術的飛速發(fā)展，LED照明燈具已經(jīng)廣泛應用于各種照明場合[1]。在家居照明或特定照明場合時，LED照明燈具應具備調(diào)光和調(diào)色功能，以滿足照明舒適性的需求[2]。一體化燈具能夠與傳感器相結合、與環(huán)境變化相關聯(lián)與其他設備相聯(lián)動，照明燈具已經(jīng)向高附加值、高技術、模塊化及智能化方向發(fā)展[3]。運用物聯(lián)網(wǎng)技術，融合造型創(chuàng)新的燈具設計，使燈具變得更加生動，并富有彈性[4]。隨著燈具的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，燈具設計正逐漸擺脫傳統(tǒng)的固定靜止形態(tài)，向著多元可調(diào)控的方向發(fā)生改變[5]。手勢控制技術使得人機交互更簡單、自然，可以用適當?shù)氖謩輥砜刂浦車脑O備，不再局限于接觸式操作[6]。燈具與人的交互主要體現(xiàn)為實物操作性和空間操作性，即燈具感知人體動作，產(chǎn)生外形變化和色彩變換。

本文設計一種手勢控制的LED變形燈，通過手勢識別，可以切換不同模式，實現(xiàn)不同的燈光效果;通過手勢控制，只要手在空中動一動，就可以調(diào)節(jié)燈具的照明角，增強了人與燈的交互;燈具通過WiFi模塊接入家庭局域網(wǎng)，并通過局域網(wǎng)連接到云平臺上，可以實現(xiàn)手機APP遠程控制燈具，提高了燈具的智能化程度。

1 ?燈具外觀設計

1.1 ?結構設計

燈具變形是指燈具的外形可以改變，提高了產(chǎn)品的靈活性和適應性。變形效果是通過燈罩的張開與閉合實現(xiàn)的，通過想象，搭建的燈具骨架如圖1所示。

變形燈的機械結構包括三向節(jié)、滑動連接件、龍骨。6個吊繩連接點與吊燈上部的收線器與水晶線相連。當收線器收線時，吊繩連接點被吊起;當收線器放線時，吊繩連接點被放下，進而實現(xiàn)了燈具的變形。

1.1.1 ?三向節(jié)設計

三向節(jié)用于連接3個龍骨，并使其中兩個龍骨可以在水平方向轉動，同時第3個龍骨可以在豎直方向上轉動。三向節(jié)可以在空間多個方向同時轉動，其模型圖如圖2所示。

1.1.2 ?滑動連接件結構設計

本文設計一組兩個形狀相同尺寸不同的滑動連接件結構，3D模型圖如圖3所示。零件四周有6個均勻分布的突出，用于和支撐燈罩的6根龍骨相連接。底部的連接件固定不動，以保持燈罩主體結構的穩(wěn)定性。頂部連接件可以自由的上下滑動，進而帶動燈罩主體框架結構上下移動，以達到燈罩的張開和閉合的效果。

1.1.3 ?連接件和緊固件設計

為保證龍骨和三向節(jié)、滑動連接件之間的可靠連接，使龍骨自由轉動，設計了連接固定件組合，如圖4所示。圖4a）中，右側部分插入空心龍骨，而左側圓環(huán)插入滑動連接件的突起部分，并用圖4b）的緊固件加以固定。

1.1.4 ?收線器設計

為使整個框架實現(xiàn)變形，在主體框架的頂部增加電機繞線裝置，模型如圖5所示。零件整體呈現(xiàn)柱狀，兩個電機通過兩邊的通孔與繞線裝置相連接。收線器的兩邊有兩個對稱的深槽，用來收線并存放吊線，中間深槽是隔離裝置，為避免兩股水晶線纏繞在一起。電機正轉，收線器執(zhí)行收線操作;電機反轉，收線器執(zhí)行放線操作。

利用3D打印機將上述設計模型打印出來，經(jīng)過組合拼裝后，構成變形燈的主體結構?？刂苾蓚€步進電機收放吊繩，從而實現(xiàn)燈罩的張開與閉合。

1.2 ?角度尺寸設計

基于形式美學原則[6]，在整體尺寸設計中，設計了一些特定的角度，滿足大眾的審美，如圖6所示。滿足：7≤[LS]≤9，則角度A取值可為30°，45°，60°，從而保證了設計的美觀性。燈具的主體尺寸的高和燈罩最大直徑之比近似為黃金分割比0.618，同時燈罩的最小直徑與燈具的高之比也近似為黃金分割比0.618。由于黃金分割比例能對人的視覺產(chǎn)生適度的刺激，它的長短比例正好符合人的視覺習慣，所以這種比例在造型上比較悅目，符合大眾對美的要求。

2 ?控制電路設計

手勢控制變形燈，以STM32為控制核心，包括無線WiFi模塊、手勢識別模塊、燈光控制模塊、按鍵控制模塊，其結構框圖如圖7所示。

電機驅動模塊的IN1～IN4分別接STM32單片機的PD0～PD3。WiFi模塊與STM32單片機的串行接口PB10和PB11相連。燈光控制模塊的PWM1～PWM3分別接單片機的PB0，PB1，PB5。手勢控制模塊與單片機的I2C接口相連。

2.1 ?單片機系統(tǒng)

單片機系統(tǒng)由STM32F103ZET6單片機、晶振電路、復位電路、程序下載電路等部分組成，STM32F103ZET6單片機是整個設計的控制核心。

STM32F103ZET6是意法半導體（ST）公司出品。它具有64 KB SRAM，512 KB FLASH、2個基本定時器、4個通用定時器、2個高級定時器、2個DMA 控制器（共12個通道）、3個 SPI、2個I2C、5個串口、1個USB、1個CAN、3個12位ADC、1個12位DAC、1個SDIO接口、1個FSMC接口以及112個通用I/O口。時鐘頻率可達[7]72 MHz。單片機最小系統(tǒng)電路如圖8所示。

2.2 ?手勢識別模塊

目前，根據(jù)硬件實現(xiàn)方式不同，手勢識別大概分為結構光、光飛時間和多角成像。光飛時間技術是加載一個發(fā)光元件，通過CMOS傳感器來捕捉計算光子的飛行時間，根據(jù)光子飛行時間推算出光子飛行的距離，也就得到了物體的深度信息。本設計采用手勢識別傳感器模塊ATK?PAJ7620，內(nèi)部集成了光學數(shù)組式傳感器，內(nèi)置光源和環(huán)境光抑制濾波器集成的LED、鏡頭、手勢感測器，以實現(xiàn)復雜的手勢和光標模式輸出。模塊自帶9種手勢識別，支持上、下、左、右、前、后、順時針旋轉、逆時針旋轉和揮動的手勢動作識別，以及支持物體接近檢測等功能，具有體積小、靈敏度高、支持中斷輸出、兼容3.3 V/5 V系統(tǒng)、使用方便等特點。

PAJ7620內(nèi)部自帶LED驅動器，傳感器感應陣列、目標信息提取陣列和手勢識別陣列。模塊工作時，通過內(nèi)部LED驅動器，驅動紅外LED向外發(fā)射紅外線信號，當傳感器陣列在有效的距離中探測到物體時，目標信息提取陣列會對目標進行特征原始數(shù)據(jù)的提取，將數(shù)據(jù)存入寄存器中，手勢識別陣列會對原始數(shù)據(jù)進行識別處理，將手勢結果存到寄存器中。最終，模塊通過I2C接口將原始數(shù)據(jù)和手勢識別結果發(fā)送給單片機，手勢識別模塊如圖9所示。

2.3 ?WiFi模塊

采用ATK_ESP8266 WiFi模塊與單片機通信，同時將WiFi模塊連接到云平臺，實現(xiàn)智能終端（手機或平板）對燈具的遠程控制[8]。ATK?ESP8266模塊采用串口（LVTTL）與MCU（或其他串口設備）通信，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠實現(xiàn)串口與WiFi之間的轉換。通過ATK?ESP8266模塊，傳統(tǒng)的串口設備只是需要簡單的串口配置，即可通過網(wǎng)絡（WiFi）傳輸數(shù)據(jù)。模塊兼容3.3 V和5 V單片機系統(tǒng)，支持串口轉WiFi STA、串口轉AP和WiFi STA + WiFi AP模式。模塊實物圖如圖10所示。

本設計采用機智云平臺GAgent，主要作用是數(shù)據(jù)轉發(fā)，是設備數(shù)據(jù)、機智云、應用端（APP）的數(shù)據(jù)交互橋梁。

2.4 ?電機及其驅動模塊

采用28BYJ?48步進電機，通過吊線的收放來實現(xiàn)機械結構的變化。由于單片機的管腳電壓不足以驅動電機，本設計采用ULN2003模塊驅動[9]，模塊原理圖如圖11所示。

3 ?控制程序設計

手勢變形燈的控制程序主要包括手勢識別程序、WiFi通信程序、燈光顏色和亮度調(diào)節(jié)程序、電機控制程序。

3.1 ?手勢識別程序

手勢動作包括上、下、左、右、接近、遠離這六個動作。手勢識別傳感器采集相對應的手勢動作信息，并通過I2C協(xié)議將數(shù)據(jù)傳給單片機。設計中使用PAJ7620內(nèi)部的BANK0和BANK1寄存器。單片機對數(shù)據(jù)進行處理后，調(diào)用電機控制程序、燈光顏色和亮度調(diào)節(jié)程序。工作流程如圖12所示。

3.2 ?WiFi通信程序

為實現(xiàn)燈具的遠程控制，需要將WiFi模塊連接到無線路由器。首先，單片機進行網(wǎng)絡初始化，等待手機聯(lián)網(wǎng)配置;其次，配置手機和WiFi模塊的無線網(wǎng)絡連接，并將路由器的名字和密鑰發(fā)送給WiFi模塊，保證WiFi模塊連接到無線路由器，進而連接到云平臺上，以實現(xiàn)網(wǎng)絡化控制。其流程圖如圖13所示。

3.3 ?燈光顏色和亮度調(diào)節(jié)程序

PWM調(diào)光的工作原理是利用脈寬調(diào)制信號反復開關LED，進而調(diào)節(jié)LED的平均電流。本設計采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式，驅動RGB LED、冷白光LED和暖白光LED燈珠，實現(xiàn)色溫、亮度的調(diào)節(jié)和顏色的變化控制。系統(tǒng)需要5路PWM控制信號，其中3路PWM控制RGB LED燈珠，實現(xiàn)顏色的變化，剩余2路控制白光LED和暖白LED，實現(xiàn)色溫和亮度的調(diào)節(jié)，其程序的流程圖如圖14所示。燈光的控制效果如圖15所示。其中：圖15a）～圖15c）代表了不同色溫下的燈具的狀態(tài);圖15d）～圖15f）代表了不同亮度下的燈具狀態(tài);圖15g）～圖15i）代表了不同顏色下的燈具狀態(tài)。

3.4 ?電機控制程序

電機控制程序實現(xiàn)電機的正轉與反轉，電機的正反轉動帶動電機收線器的正反轉動，從而收放吊線，進而實現(xiàn)燈罩按照預先設定好的角度張開和閉合，電機控制流程如圖16所示。燈罩的變形效果如圖17所示。其中圖17a）～圖17c）代表了不同照明角時的燈具的狀態(tài)。

4 ?結 ?語

本文設計一種燈罩外形可變的LED吊燈，具有手勢控制和手機APP控制兩種控制模式。燈具主光源采用冷色調(diào)和暖色調(diào)LED燈珠，以RGB三色LED燈珠作為輔助光源，具備亮度調(diào)節(jié)、色溫調(diào)節(jié)、顏色變換等功能。通過手勢，控制燈罩的張開和閉合，達到調(diào)節(jié)燈具照明角的效果，具有科技炫酷感，增加了人與燈的交互性。本設計實現(xiàn)了燈具的智能化、情景化、網(wǎng)絡化，在現(xiàn)代智能家居中具有一定的應用價值。

參考文獻

[1] 竇林平.照明行業(yè)進入LED照明時代[J].照明工程學報，2017，28（5）：88?93.

[2] 緱從軍，馮永傳.LED照明燈具調(diào)光調(diào)色技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析[J].中國照明電器，2018（2）：29?33.

[3] TANG S， KALAVALLY V， NG K Y， et al. Development of a prototype smart home intelligent lighting control architecture using sensors onboard a mobile computing system [J]. Energy and buildings， 2017 （138）： 368?376.

[4] YING F Y， LI X L， ZHANG X S， et al. Creative interaction design based on human behavior and emotion [C]// International Conference on System Science， Engineering Design and Manufacturing Informatization. Yichang： IEEE， 2010： 150?152.

[5] 黃俊，景紅.基于Leap Motion的手勢控制技術初探[J].計算機系統(tǒng)應用，2015，24（10）：259?263.

[6] POLD S. Interface realisms： the interface as aesthetic form [J]. Postmodern culture， 2005， 15（2）： 210?223.

[7] 李路遙，王志新，鄒建龍.采用STM32F103ZET6的移動應急照明電源人機交互系統(tǒng)設計[J].電源技術，2014，38（4）：697?699.

[8] 陳家明，師文慶.基于WiFi調(diào)光的LED驅動控制器的設計[J].機電工程技術，2018，47（10）：18?21.

[9] 楊海濤.一種基于STM32的智能窗簾系統(tǒng)設計[J].電子制作，2018（23）：46?47.

[10] YAO G Y， SONG L. Design of library lighting energy saving system based on Internet of Things [J]. Applied mechanics and materials， 2014（500）： 1690?1693.

作者簡介：王 ?寧（1985—），男，遼寧錦州人，碩士，研究方向為無線電能傳輸、智能照明。