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RF通信技術(shù)的無(wú)線(xiàn)體感控制器研究論文
摘要:隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，人們的生活方式與工作習慣在漸漸發(fā)生了改變。面對多種智能化設備，如何實(shí)現對其進(jìn)行統一化控制成了一個(gè)急需解決的問(wèn)題。本文設計了一種新型體感控制器，其使用基于射頻技術(shù)的nRF905作為通訊模塊，以STM32為主控芯片，配合使用MPU6050等多種傳感器實(shí)現對手腕動(dòng)作信息的采集。該控制器實(shí)現了對人體特征動(dòng)作的識別以及對各種智能化設備進(jìn)行控制，使用戶(hù)與智能設備的溝通更加方便，具有一定的使用價(jià)值。
關(guān)鍵詞:RFID;nRF905;無(wú)線(xiàn)體感控制器;stm32
0引言
近年來(lái)，隨著(zhù)智能電視、平板電腦等高科技數碼產(chǎn)品的普及與風(fēng)靡，通過(guò)各種人機交互的實(shí)現在用戶(hù)體驗上做到了直觀(guān)與新鮮。比如來(lái)自微軟的通過(guò)3D體感攝影實(shí)現動(dòng)態(tài)捕捉、影像辨識的Kinect;通過(guò)紅外攝像頭實(shí)現追蹤全部10只手指、識別精度高達1/100毫米的LeapMotion;以及加拿大創(chuàng )業(yè)公司ThalmicLabs推出的，通過(guò)探測用戶(hù)的肌肉產(chǎn)生的生物電活動(dòng)來(lái)達到識別用戶(hù)手勢的MYO腕帶［1］�？梢钥闯鰺o(wú)線(xiàn)體感控制設備正在發(fā)揮著(zhù)推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要實(shí)體角色作用，因而已然成為當下具有高度需求價(jià)值的熱點(diǎn)研究方向。本文即圍繞這一內容給出系統論述和應用設計。
1系統方案設計
無(wú)線(xiàn)體感控制器能夠實(shí)現通過(guò)操作者手勢控制任何具有與該設備匹配的通信設備。比如機器小車(chē)、電腦光標、無(wú)人機等等［2］。本系統用智能小車(chē)來(lái)模擬被控設備，通過(guò)智能小車(chē)的行進(jìn)軌跡來(lái)評價(jià)設備的實(shí)用性�？刂圃O備的主要工作原理是通過(guò)六軸傳感器MPU6050來(lái)進(jìn)行手勢動(dòng)作的采集，由STM32單片機處理又經(jīng)nRF905發(fā)送到被控制的設備上，受控設備配有相同的通信芯片，接收到數據之后則送入51芯片進(jìn)行處理并執行相應動(dòng)作［3］。
2系統硬件電路設計
本文設計的無(wú)線(xiàn)體感控制器可以分為兩個(gè)工作部分。發(fā)射端由主控芯片、nRF905無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊、MPU6050六軸運動(dòng)處理模塊等組成，無(wú)線(xiàn)體感控制終端框圖如圖1所示。接收端用智能小車(chē)進(jìn)行模擬，小車(chē)由51主控芯片、直流電機、nRF905無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊等組成。
2．1無(wú)線(xiàn)體感控制終端微控制器電路
對于無(wú)線(xiàn)體感控制終端，為了收獲良好的操作效果、呈現最佳用戶(hù)交互體驗，選用了六軸運動(dòng)處理組件來(lái)識別用戶(hù)手勢［4］。而且，基于需要不斷采集角度等數據并實(shí)時(shí)進(jìn)行數據處理的設計目標指向，因此上對于微控制器的工作頻率以及程序存儲器容量均將提出一定的要求。
2．2電源模塊電路
控制器采用5V聚合物鋰電池供電，由于STM32F103C8T6單片機與nRF905的工作電壓都是3．3V，研究選用了ASM1117－3．3穩壓芯片來(lái)為系統提供3．3V電壓。需要一提的是，STM32F103C8T6分為模擬地和數字地，為了保證其正常工作可將兩路電源進(jìn)行隔離設計，即在模擬地和數字地之間通過(guò)0Ω電阻實(shí)現單點(diǎn)共地。系統以STM32F103C8T6單片機為控制核心，STM32F103C8T6單片機是3．3V供電的低功耗微處理器，工作頻率最高可達到72MHz，64K程序存儲器，性能比普通8051更強大，且成本較低，能夠滿(mǎn)足更為復雜的應用系統設計。微處理器的實(shí)際具體連接布局如圖2所示。
2．3nRF905無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊電路
無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊是終端數據傳輸的，具體實(shí)施可執行流程。nRF905芯片是基于RF通信技術(shù)的一款無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，其工作電源電壓為3．3V，輸出功率可調－10～10dBm，通過(guò)SPI的接口方式能夠直接對其進(jìn)行編程配置。nRF905應用電路如圖3所示。
2．4體感檢測電路
體感檢測部分選用六軸運動(dòng)處理組件MPU－6050來(lái)進(jìn)行手勢識別，其中的三軸MEMS陀螺儀，分別檢測X軸、Y軸和Z軸的角速度［5］。
2．5接收設備
接收設備為一智能小車(chē)，實(shí)現的主要功能是作為被控設備，將無(wú)線(xiàn)體感控制終端發(fā)送的數據進(jìn)行判斷，并作出前進(jìn)、后退、左轉、右轉等響應。該設備硬件主要由51單片機、接收模塊以及四路直流電機組成。接收模塊的電路和控制終端的電路幾乎相同，直流電機需要7．2V供電，并且是以L(fǎng)293D為其核心的驅動(dòng)電路。
3系統軟件設計
本系統軟件部分包括有發(fā)送端程序和接收端程序。其中，發(fā)送端程序主要功能是完成對手勢信息的識別并控制nRF905無(wú)線(xiàn)模塊將手勢信息進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)送。接收端則主要完成數據的接收和判斷以及對不同手勢的響應。本系統所有程序均采用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現編寫(xiě)調制。
3．1終端程序設計
3．1．1MPU6050相關(guān)配置
首先進(jìn)行手勢信息的采集，并對MPU6050提供初始化配置，具體內容包括:配置REG_PWR_MGMT_1寄存器，實(shí)現軟復位MPU6050;配置REG_CONFIG寄存器分別為加速度計和為陀螺儀設置采樣率為8kHz;配置REG_GYRO_CONFIG寄存器使陀螺儀的量程為±2000(°)/s;配置加速度計的最大量程為±8g;配置REG_INT_ENABLE使其終端產(chǎn)生方式定制為Motiodetection，就是若有動(dòng)作即產(chǎn)生中斷。至此，MPU6050初始化配置結束。完成MPU6050初始化后，主控芯片將通過(guò)I2C總線(xiàn)讀取MPU6050的數據寄存器并融合相應算法得到相應歐拉角。通過(guò)對歐拉角的判別則可達成手勢識別的目的。
3．1．2nRF905相關(guān)配置
nRF905寄存器的配置內容可描述為:將nRF905初始化后的對應結果是，輸出功率為+10dB，外接16MHz晶振，發(fā)送地址寬度為4字節，數據寬度為4字節。將nRF905寄存器配置在433MHz工作頻段，并將HFREQ_PLL位置“0”，使通道間的頻差為100kHz。將nRF905的TRX_CE管腳置“1”，TX_EN置“0”使nRF905進(jìn)入發(fā)送模式，在一個(gè)動(dòng)作數據包發(fā)送完成后DR引腳將會(huì )置高，由此告知單片機已經(jīng)發(fā)送了數據。單片機判斷發(fā)送完成后，即會(huì )將nRF905配置為正常模式，并轉入檢測動(dòng)作輸入狀態(tài)，繼續進(jìn)行下一次動(dòng)作采集，如此循環(huán)往復［6］
3．2接收處理中心程序
接收處理中心是將nRF905配置成接收模式，接收到手勢信息并將其實(shí)現。在初始化時(shí)，將nRF905配置寄存器的CH_NO位設定為0X4C，使其工作在430MHz的頻點(diǎn)上，將HFREQ_PLL位則置于“0”，通道間的頻差為100kHZ。設置nRF905的TRX_CE=“1”、TX_EN=“0”使之處于接收狀態(tài)，nRF905會(huì )自動(dòng)檢測載波，接收到相同頻率載波后載波檢測引腳AM將會(huì )置為高，收到一個(gè)正確的數據后DR引腳相應也會(huì )置高。完成如上設置后，單片機將讀取接收到的手勢信息數據并根據信息執行前進(jìn)、后退、左轉、右轉的動(dòng)作。
4結束語(yǔ)
本文將STM32F103C8T6單片機、nRF905無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊、MPU6050相結合，具體設計并實(shí)現了一種新型的無(wú)線(xiàn)體感控制器，通過(guò)操作者手勢能夠控制可與其相匹配的通信設備。比如機器小車(chē)、電腦光標、無(wú)人機等等。為智能家居的理想規劃實(shí)踐奠定了基礎，具有一定的現實(shí)推廣價(jià)值。
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