【導(dǎo)讀】智能手勢識別輸入系統(tǒng)分為兩種形式，一種是手持端即手勢數(shù)據(jù)采集模塊，一種是主機端即數(shù)據(jù)接收處理模塊。這兩種形式都是通過無線方式連接，區(qū)別在于手持端佩戴在手指上對手勢數(shù)據(jù)進行采集，主機端則與PC機接口，能夠接受手勢數(shù)據(jù)并智能處理。
Smartmouse智能手勢輸入裝置，可準確識別人的各種手勢并依據(jù)手勢流暢的進行如移動鼠標、左鍵、右鍵、刪除、確定、取消、移動文件等等相應(yīng)操作。信號采集端可實時完整的采集人手部動作的信息，經(jīng)整理后以相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式通過2.4G無線頻段傳輸給PC或接收機上的主機端；主機端可在無需任何驅(qū)動程序的前提下將自身例化為USB接口形式的鼠標鍵盤復(fù)合設(shè)備；接收數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行智能化處理，識別出手勢所表達的意義，同時將相應(yīng)操作反饋給PC或接收機。對手勢的識別率應(yīng)達到消費類電子的水平。
圖1 系統(tǒng)原理框圖
1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理
Smartmouse智能輸入系統(tǒng)采用加速度傳感器對使用者的手部動作數(shù)據(jù)進行采集和初步識別，結(jié)合無線通信和USB接口技術(shù)，通過自創(chuàng)的簡單且智能的手勢識別處理算法，將得到的手部動作信息通過USB接口傳輸給PC或接收機，使用戶能夠以更符合肢體動作習(xí)慣的方式對PC進行控制，給用戶帶來全新的操作體驗。
Smartmouse智能輸入系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如下圖2所示。
圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
（1）手勢數(shù)據(jù)采集
Smartmouse智能手勢輸入系統(tǒng)的手持端需對使用者手部動作數(shù)據(jù)進行連續(xù)且準確的采樣，并將采集到的手部動作數(shù)據(jù)通過無線形式傳輸給連接在PC機USB接口上的主機端。本系統(tǒng)采用美新公司生產(chǎn)的雙軸MEMS加速度傳感器芯片MXC6202xMP作為主要的手勢動作感知器件，在正確感知手部動作數(shù)據(jù)的同時，達到低功耗、高精度的要求。
（2）數(shù)據(jù)接收與處理
連接在PC機USB口上的主機端，即數(shù)據(jù)接收與處理模塊，將自身例化為PC機的鼠標和鍵盤復(fù)合設(shè)備，同時將通過無線方式接收到的手勢數(shù)據(jù)通過識別算法進行智能處理，將處理后的結(jié)果以鼠標鍵盤操作數(shù)據(jù)的形式傳輸給PC機。數(shù)據(jù)接收與處理模塊與PC機的連接過程無需安裝任何驅(qū)動，可實現(xiàn)即插即用。對手勢數(shù)據(jù)的識別率能夠滿足消費類電子要求。本系統(tǒng)中以AVR單片機為核心處理單元，負責(zé)將設(shè)備按照USB協(xié)議枚舉為USB復(fù)合設(shè)備，管理無線收發(fā)模塊，并通過無線模塊對手持端進行管理，同時將接收到的手勢數(shù)據(jù)通過自創(chuàng)的手勢識別算法進行分析，將結(jié)果發(fā)送給主機端。
（3）數(shù)據(jù)的傳輸
采集的手勢數(shù)據(jù)的傳輸采用當前在消費類電子產(chǎn)品領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛的2.4G頻段，在保證帶寬的前提下準確傳輸數(shù)據(jù)和控制信息，同時可實現(xiàn)設(shè)備休眠等降低功耗的操作。
（4）主機端與PC接口
主機端即手勢數(shù)據(jù)處理模塊通過USB接口與PC機進行連接，將自身例化為PC機的鍵盤鼠標復(fù)合設(shè)備，在不需要任何驅(qū)動的前提下實現(xiàn)即插即用。
（5）電源供給
手持端采用微型鋰電池作為電源，體積較小并可進行重復(fù)充電與使用。同時通過休眠、停機等操作降低系統(tǒng)功耗。
主機端通過主機USB接口供電，在長時間不使用情況下可進行休眠操作。
（6）智能識別率
Smartmouse智能手勢輸入系統(tǒng)需要流暢的對PC機進行操作，對手勢的識別率有較高要求，同時能對現(xiàn)今比較流行的演示軟件進行復(fù)雜操作。本設(shè)計中通過32位AVR單片機對接收到的手勢數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)合本團隊自創(chuàng)的手勢識別算法，識別出手勢具有的意義。
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2 硬件平臺選用及資源配置
由于本系統(tǒng)所包含的模塊眾多、算法復(fù)雜，同時對功耗、穩(wěn)定性又有很高要求，所以在平臺的選擇時分兩個步驟進行：
功能實現(xiàn)階段，主要為完善手勢識別算法、USB接口協(xié)議、無線通訊協(xié)議等。各個部分均使用現(xiàn)成模塊。無線收發(fā)部分采用TI公司生產(chǎn)的eZ430無線收發(fā)模塊；算法硬件實現(xiàn)和USB接口等的管理采用Atmel公司提供的EVK1100開發(fā)板。
作品完善階段，在實現(xiàn)手勢識別算法、USB接口協(xié)議、無線通訊協(xié)議等的基礎(chǔ)上，使用Atmel公司的生產(chǎn)的ATXMEGA32D4單片機和無線收發(fā)芯片AT86RF212自制手持端；采用AT32UC3L064單片機和無線收發(fā)芯片AT86RF212實現(xiàn)主機端的數(shù)據(jù)接收、手勢識別算法和USB接口管理。
3 系統(tǒng)程序架構(gòu)
本系統(tǒng)中，軟件設(shè)計主要分為手勢數(shù)據(jù)采集、無線通訊協(xié)議、手勢數(shù)據(jù)識別算法和USB接口協(xié)議幾部分。
手勢數(shù)據(jù)采集：在主機端的控制下對手勢數(shù)據(jù)進行采集并按一定的格式打包準備進行傳輸；
無線通訊協(xié)議：管理手持端與主機端之間的連接和數(shù)據(jù)傳輸；
手勢識別算法：為本系統(tǒng)中的算法核心，采用一種自創(chuàng)的基于加速度傳感器數(shù)據(jù)的智能識別算法，對手勢數(shù)據(jù)進行處理，得出手勢所具有的意義；
USB接口協(xié)議：管理主機端與PC或接收機之間的連接，將主機端枚舉為電腦的鼠標鍵盤復(fù)合設(shè)備，實現(xiàn)在無驅(qū)動條件下的即插即用。
4 系統(tǒng)程序流程
本系統(tǒng)中程序主要分為手持端程序和主機端程序，程序流程圖如下圖3所示。
圖3 程序運行流程圖
5 系統(tǒng)預(yù)計實現(xiàn)結(jié)果
借助Atmel提供的EVK1100系列開發(fā)板和TieZ430無線模塊實現(xiàn)樣機一套，實現(xiàn)鼠標所有功能，并能對簡單的瀏覽軟件進行控制，同時達到識別準確率90%以上。自制產(chǎn)品初級模型一套，實現(xiàn)鼠標所有功能，同時具有“空中畫筆”功能，能對簡單的瀏覽軟件進行流暢的控制，達到準確識別90%以上。
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