開源硬件編程實現(xiàn)“手勢操控”三例

牟曉東

在Arduino、樹莓派、掌控板等常見的開源硬件編程中，我們可以通過功能豐富的外接或內(nèi)置式傳感器，借助于代碼編程或圖形化編程，最終可以制作出非常多創(chuàng)意十足的創(chuàng)客作品。以“手勢操控”為例，根據(jù)“捕捉”到的不同手勢（比如不同方向的揮手動作、順時針或逆時針畫圈動作等），做出預(yù)先設(shè)置的不同響應(yīng)動作，比如控制PPT課件的上下翻頁、燈帶中不同燈珠的亮滅、OLED顯示屏出現(xiàn)對應(yīng)的信息提示等。

一、樹莓派+Python“手勢操控”PPT課件翻頁

實驗器材包括：樹莓派3B+和古德微擴展板各一塊，HC-SR04超聲波傳感器一個，綠色和紅色LED燈各一支。

1.實驗裝置連接

首先，將古德微擴展板正確安裝在樹莓派上，注意四周小心均勻用力;接著，將超聲波傳感器安裝于擴展板的20號和21號插孔，注意VCC、Trig、Echo和GND引腳要一一對應(yīng)，負責超聲波發(fā)射和接收的兩個“圓孔”方向朝外;然后，將綠色LED燈插入5號插孔，將紅色LED燈插入6號插孔，注意“長腿正、短腿負”的規(guī)則;最后，給樹莓派通電，啟動操作系統(tǒng)（如圖1）。

2.安裝PyAutoGUI庫模塊

運行Windows的“遠程桌面連接”，輸入樹莓派的IP地址（比如：192.168.1.116）登錄進入樹莓派的操作系統(tǒng)。由于手勢操控是通過將超聲波傳感器所檢測到的測距數(shù)據(jù)作為輸入控制信號，然后“驅(qū)動”系統(tǒng)的鍵盤上下方向鍵（或者鼠標的左鍵單擊），因此需要安裝PyAutoGUI庫模塊——點擊運行樹莓派的“LX終端”進入命令行模式，輸入“pip3 install pyautogui”命令進行安裝（如圖2）。

3.進行Python代碼編程

運行Thonny Python IDE，新建文件hand_PPT.py，輸入代碼開始編程：

首先，通過四行import代碼導(dǎo)入待用的庫模塊：“from gpiozero import DistanceSensor，LED”、“import pyautogui”、“from signal import pause”和“from time import sleep”;接著，分別為插接在5號、6號、20和21號引腳的綠色和紅色LED燈、超聲波傳感器建立對應(yīng)的變量：“green = LED（5）”、“red = LED（6）”、“sensor = DistanceSensor（21， 20）”;然后建立“while True：”循環(huán)結(jié)構(gòu)，為變量dis進行超聲波傳感器測距賦值（取兩位小數(shù)）：“dis = round（sensor.distance，2）”，并且打印輸出：“print（dis）”;接著通過if語句進行測距值是否在0.2-0.5米區(qū)間內(nèi)的判斷：“if （dis > 0.2 and dis <= 0.5）：”，如果條件成立，則先調(diào)用PyAutoGUI庫執(zhí)行按下鍵盤的向下方向鍵操作——對應(yīng)PPT課件播放時的向下翻頁操作：“pyautogui.press（'down'）”，再亮綠色LED燈進行提醒：“green.on（）”，0.2秒鐘之后再將其關(guān)閉：“sleep（0.2）”、“green.off（）”;再建立elif判斷語句，對測距值是否在0.2米內(nèi)進行判斷：“elif dis <= 0.2：”，條件成立的話則先按下鍵盤的向上方向鍵——對應(yīng)PPT播放時的“回翻”操作：“pyautogui.press（'up'）”，然后亮紅色LED燈，持續(xù)0.2秒鐘后關(guān)閉：“red.on（）”、“sleep（0.2）”、“red.off（）”;最后，為循環(huán)結(jié)構(gòu)再添加一個等待0.5秒鐘的語句：“sleep（0.5）”（如圖3）。

4.測試PPT課件播放時的手勢操控

程序代碼保存后點擊“運行”按鈕，接著打開待測試的“Python數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ).pptx”文件播放（如圖4）。

此時在Python IDE下方的Shell區(qū)每隔0.5秒鐘就會生成一個測距值，如果在超聲波傳感器前方0.2-0.5米的區(qū)間范圍內(nèi)揮手，PPT課件就會向下翻頁，揮一次手就會翻一頁PPT，與使用鼠標點擊或是翻頁筆遙控的效果是完全一致的;如果翻頁錯誤，想“回翻”的話，則在0.2米內(nèi)的范圍內(nèi)揮手，PPT課件就會切換至上一頁;在超過0.5米的范圍外，手勢操控是“無效”的不響應(yīng)狀態(tài)。

二、樹莓派+圖形化編程“手勢操控”交通多變燈帶

實驗器材包括：樹莓派3B+和古德微擴展板各一塊，GY-PAJ7620手勢傳感器一個，60個燈珠的可編程ws281x燈帶一條。

1.實驗裝置連接

保持擴展板插接在樹莓派上不動，將手勢傳感器插接至擴展板的I2C引腳區(qū)，注意VIN接VCC電源正極、GND接地、SCL與CLK連接、SDA與DATA連接;然后將燈帶的輸入端插入擴展板的18號引腳，注意檢查三根引線的標注（+5V、GND和Din）與擴展板的VCC、GND和D端必須一一對應(yīng);最后，給樹莓派通電，啟動操作系統(tǒng)（如圖5）。

2.在古德微機器人網(wǎng)站進行圖形化編程

在瀏覽器中訪問古德微機器人網(wǎng)站（http：//www.gdwrobot.cn/），登錄賬號后進入“積木”編程區(qū)，開始拖動對應(yīng)的功能模塊語句進行圖形化編程：

首先，分別新建六個最“底層”的功能函數(shù)，分別是“左右方向”、“上下方向”、“順時針”、“逆時針”、“靠近”和“遠離”，對應(yīng)的手勢操控動作分別是向左或向右、向上或向下四個方向的揮手動作，順時針、逆時針轉(zhuǎn)動和靠近與遠離動作，顯示效果分別是：左右兩組共30個燈珠發(fā)綠光、上下兩組的其他30個燈珠發(fā)紅光——“左右綠燈通行、上下紅燈禁行”，上下兩組的30個燈珠發(fā)綠光、左右兩組的30個燈珠發(fā)紅光——“上下綠燈通行、左右紅燈禁行”，“順時針”和“逆時針”函數(shù)則是分別控制四組燈珠從第一個燈珠同時出現(xiàn)（發(fā)黃光）“跑馬燈”的順時針、逆時針效果，而“靠近”和“遠離”函數(shù)分別控制隨機色的“花燈”效果和熄滅所有燈珠的效果（如圖6）。

接著，在主程序中先對燈帶和PAJ7620超聲波傳感器進行初始化操作;然后，添加一個名為“燈帶顯示”的子線程，對應(yīng)的同名函數(shù)是一個六分支選擇結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)的功能是對在“重復(fù)當‘真”循環(huán)結(jié)構(gòu)中每隔0.1秒鐘就檢測一次的變量“手勢信息”進行判斷，并且根據(jù)其返回的數(shù)據(jù)值進行對應(yīng)函數(shù)的調(diào)用，比如當其值為“l(fā)eft”或“right”時，說明手勢傳感器檢測到用戶發(fā)出了向左或向右的揮手指令，此時便調(diào)用“左右方向”函數(shù)，出現(xiàn)“左右綠燈通行、上下紅燈禁行”的燈帶顯示效果（如圖7）。

3.測試“手勢操控”交通多變燈帶

將程序保存為“‘手勢操控交通多變燈帶”，點擊“連接設(shè)備”后再點擊“運行”按鈕，對程序進行各種手勢操控的測試，燈帶會隨之顯示出各種預(yù)設(shè)的效果（如圖8）。

三、掌控板Mind+圖形化編程：“手勢操控”交通信號

實驗器材包括：掌控板2.0和百靈鴿擴展板各一塊，GY-PAJ7620手勢傳感器一個，小型面包板一個，公對母異色杜邦線四根。

1.實驗裝置連接

首先，將手勢傳感器插接至面包板上;接著，從百靈鴿擴展板（與掌控板已經(jīng)插接好）的I2C區(qū)域接出四根杜邦線，根據(jù)G（接地）、V（電源正極）、SCL（控制線）和SDA（數(shù)據(jù)線）的標注分別插接至面包板，與手勢傳感器的GND、VIN、SCL和SDA一一對應(yīng);最后，通過數(shù)據(jù)線將掌控板與電腦的USB接口連接（如圖9）。

2.在Mind+中進行圖形化編程

運行Mind+，首先通過點擊左下角的“擴展”按鈕將“掌控板”和“PAJ7620U2手勢傳感器”庫添加至左側(cè)模塊區(qū)域;接著，在“ESP32主程序”和“循環(huán)執(zhí)行”之間進行初始化設(shè)置，包括關(guān)閉全部的LED燈、屏幕第2行顯示“‘手勢操控交通信號”提示信息、設(shè)置手勢傳感器的運行模式為“高速”;然后，在循環(huán)體中控制手勢傳感器進行“獲取一次數(shù)據(jù)”的動作，并且對該動作的返回數(shù)據(jù)進行判斷：當用戶發(fā)出“向左揮手”或“向右揮手”動作時，程序調(diào)用執(zhí)行“左右方向”函數(shù);當用戶發(fā)出“向上揮手”或“向下?lián)]手”動作時，程序則調(diào)用執(zhí)行“上下方向”函數(shù);兩個函數(shù)的代碼非常相似，執(zhí)行的動作分別是在掌控板的OLED屏上顯示“紅燈，停！”、“綠燈，行！”文字信息，三支LED燈發(fā)紅光、發(fā)綠光，蜂鳴器發(fā)出“滴”的提醒音。

值得注意的是，在Mind+的窗口右側(cè)會自動生成與圖形化編程對應(yīng)的Arduino C代碼，比如程序先是通過“#include ”和“#include ”導(dǎo)入庫文件，然后就像是在Arduino的IDE中進行編程一樣，有“void setup（）”和“void loop（）”函數(shù)，分別對應(yīng)程序的初始化設(shè)置和循環(huán)體執(zhí)行（如圖10）。

3.測試“手勢操控”個性交通信號

將程序保存后點擊“連接設(shè)備”按鈕，出現(xiàn)類似于“COM8-CP210x”的掌控板設(shè)備名稱后再點擊“上傳到設(shè)備”按鈕，右下角的窗口就會提示開始向掌控板中寫入代碼（同時有上傳進度條）。當代碼寫入完畢后，在掌控板的OLED屏上先顯示有“‘手勢操控交通信號”的文字提示信息;接著，嘗試在手勢傳感器的上方感應(yīng)區(qū)進行向左或向右揮手、向上或向下?lián)]手，掌控板就會隨之做出不同的亮燈、顯示提示信息和蜂鳴器提醒音的響應(yīng)（如圖11）。