中心論題：
- 手勢識別的控制原理
- 系統(tǒng)描述
- 硬件描述
- 軟件描述
- 單片機硬件初始化、數(shù)據(jù)采集、動作檢測
- 演示終端
解決方案：
- 利用三軸加速度的值來判定對物體運動預(yù)定義的六種姿勢
- 系統(tǒng)由CT-298單片機、 MM-2860加速度傳感器、演示終端三個部分組成
引言
手機、MP3播放器、硬盤播放器、數(shù)碼相機、PDA等設(shè)備都是通過導(dǎo)航鍵對其進(jìn)行控制的。目前比較流行的導(dǎo)航鍵控制方式有四維鍵、搖桿，這是最常見的兩種導(dǎo)航鍵，此外還有一些手機上有很新穎的導(dǎo)航鍵設(shè)計，例如：LG-KG70的滾軸鍵、LG-KE608的轉(zhuǎn)盤設(shè)計、索愛W830的觸摸式、多普達(dá)D802的飛梭滾輪等等。這里，我們用加速度傳感器設(shè)計一種看不見的導(dǎo)航鍵來代替四維鍵的功能，這種方案更能滿足消費者的好奇心，滿足消費者追逐時尚的需求。
手勢識別的控制原理
本系統(tǒng)利用三軸加速度的值來判定對物體運動預(yù)定義的六種姿勢。首先，分別對三個軸采樣，每個軸各獲得50個數(shù)據(jù)；然后，分別對每個軸上的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來判定是否發(fā)生了預(yù)定義的動作。動作定義在下面的部分說明，這里僅用Y軸來說明判定的原理。
獲得Y軸上的50個數(shù)據(jù)存放到數(shù)組y_data[N]中，將這50個數(shù)求和取平均值。若y_data[N]中數(shù)據(jù)最大值與最小值之差在一個設(shè)定的閾值之內(nèi)，則認(rèn)為物體在Y軸向上是沒有動作的、靜止的，此時更新y_init值為y_data[N]求得的平均值；否則，y_data[N]中數(shù)據(jù)最大值與最小值之差超出一個設(shè)定的閾值，則認(rèn)為物體是運動的，y_init值不變，仍然為上一次靜止?fàn)顟B(tài)時的值。
圖1和圖2是Y軸分別向左、向右搖動時采樣得到的加速度抽樣值y_data[N]。圖中紅線代表上一次靜止時的采樣值，藍(lán)線代表運動時的采樣值。圖1為向左搖動時的值，可以明顯看出加速度的值較靜止時有明顯的變化，向著增大的方向變。
從圖1和圖2中可以看出，兩條黑線之間的數(shù)據(jù)很難斷定是哪個動作產(chǎn)生的，因為兩個動作都可能產(chǎn)生這樣的值。所以，利用黑線之外的數(shù)據(jù)來判定是向右還是向左搖。因為對于這兩個動作，黑線之外的數(shù)據(jù)有明顯的差異，數(shù)據(jù)相差很多。對于圖1這些數(shù)據(jù)大于150，圖2中這些數(shù)據(jù)小于90。因此這些數(shù)據(jù)至少相差60，可以很容易地將向左、向右的兩個動作區(qū)分開。
本系統(tǒng)就是根據(jù)這樣的原理來實現(xiàn)的，首先分別設(shè)定向左、向右搖時的閾值和兩個計數(shù)器；然后，將新采樣得到的50個值存放在y_data[N]中，將每個值與靜止時的值y_init比較，如果數(shù)據(jù)超出某個閾值，則在相應(yīng)的計數(shù)器上累加，直到所有50個數(shù)全部比較完畢；最后，根據(jù)計數(shù)器值的大小來判定執(zhí)行了某個動作。
同理，利用Z軸的采樣值來判定向上、向下?lián)u，利用X、Y兩個軸來判定執(zhí)行圖片向左翻轉(zhuǎn)還是向右翻轉(zhuǎn)，這里略去。
系統(tǒng)描述
a.系統(tǒng)組成及功能
系統(tǒng)由三個部分組成：CT-298單片機控制部分、 MM-2860加速度傳感器部分、演示終端，系統(tǒng)框圖如圖3所示。
CT-298單片機控制部分主要負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的A/D變換、動作檢測、與演示終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。MM-2860加速度傳感器部分負(fù)責(zé)加速度值的測量并將其轉(zhuǎn)換為電壓值。演示終端負(fù)責(zé)處理從單片機傳來的動作類型并執(zhí)行相應(yīng)的動作，同時向單片機返回進(jìn)出二級菜單的指令。對于CT-298單片機系統(tǒng)更詳細(xì)的設(shè)計將在下面的部分介紹，這里首先介紹一下本系統(tǒng)設(shè)計的動作姿勢及代碼，以及與演示系統(tǒng)交互的指令。
b.預(yù)定義的動作
系統(tǒng)設(shè)計了六種動作，他們分別是左搖、右搖、下?lián)u、上搖、圖片左轉(zhuǎn)、圖片右轉(zhuǎn)。圖4中的圖形象地說明了其中的兩個動作，其它的動作與此類似。
系統(tǒng)還為每個動作定義了相應(yīng)的動作代碼，見表1。
當(dāng)單片機檢測到某個動作時會將相應(yīng)的值賦給變量type_action，之后通過SCI將type_action的值發(fā)送到演示終端。如果用戶執(zhí)行的動作不在這六個動作之中，則將NO_ACTION賦給type_action，表示演示終端不執(zhí)行任何動作。
系統(tǒng)還定義了單片機與演示終端交互的指令，用于系統(tǒng)在主菜單和二級菜單之間的界面切換，指令從演示系統(tǒng)通過SCI傳給單片機，單片機接收到之后進(jìn)入或退出二級菜單，見表2。
這里僅定義了一個二級菜單，即圖片菜單，系統(tǒng)還可以定義更多的二級菜單和三級菜單。此外，需要說明動作MOVE_TURN_LEFT、MOVE_TURN_RIGHT用于圖片翻轉(zhuǎn)，僅在圖片菜單中可用，在主菜單不可用。動作下?lián)u執(zhí)行的是換下一幅圖片，動作上搖執(zhí)行的是退出圖片菜單。
c.演示終端
本系統(tǒng)目標(biāo)定位在便攜式消費類電子產(chǎn)品上，因此在軟件應(yīng)用程序上必須選擇具有廣泛基礎(chǔ)的應(yīng)用平臺。由于近年來J2ME在便攜式終端中的應(yīng)用非常廣泛，因此本系統(tǒng)也采用了J2ME平臺進(jìn)行開發(fā)。通過比較，選擇了J2ME的WTK開發(fā)包，它是專門針對移動無線設(shè)備而設(shè)計的開發(fā)包，并提供了一個統(tǒng)一的平臺。在WTK的框架下開發(fā)出來的java程序可以被眾多的移動設(shè)備所支持，所以能夠有效解決兼容性的問題。
在WTK下我們利用默認(rèn)的一個手機樣機的仿真器DefaultColorPhone進(jìn)行開發(fā)，DefaultColorPhone的樣子如圖6。
仿真器的外觀和操作類似一部移動電話，但是并不代表某個特定的設(shè)備，而是提供對其所支持的API 的正確實現(xiàn)，每個命令按鈕對應(yīng)著相應(yīng)的API函數(shù)。從圖6中可以看到手機的導(dǎo)航鍵，我們更改了導(dǎo)航鍵的API函數(shù)，使其從鼠標(biāo)單擊觸發(fā)的方式轉(zhuǎn)換為串口動作代碼控制。首先，我們編寫了J2ME的串口接收程序，用于接收從單片機傳來的單字節(jié)的type_action值；然后將type_action以參數(shù)的形式傳給API，手機根據(jù)不同的type_action值執(zhí)行不同的動作，包括菜單上下翻、進(jìn)出二級子菜單、圖片翻轉(zhuǎn)等。手機動作與type_action的對應(yīng)關(guān)系如表3。
根據(jù)type_action的值，在手機界面上產(chǎn)生相應(yīng)的動作，手機界面發(fā)送不同的變化。演示終端的具體實現(xiàn)在下面的內(nèi)容詳細(xì)介紹。
硬件描述
系統(tǒng)硬件分為兩個部分：CT-298和MM-2860。
CT-298是由MC9S08QG單片機構(gòu)成、由USB總線電源供電的小型評估板。CT-298上安裝有按鈕開關(guān)、LED燈、蜂鳴器等作為開發(fā)的輸入輸出器件。同時，USB-COM轉(zhuǎn)換電路采用了FTDI公司制造的FT232R，容許單片機與電腦之間通過USB接口進(jìn)行串行通信。BDM用于代碼的燒寫及系統(tǒng)的調(diào)試。
MM-2860是含有Freescale公司制造的MMA7260Q型三軸小量程加速度傳感器的模塊，它可以直接安裝在CT-298為其設(shè)計的插口上。MM-2860的電源是由CT-298上的MC9S08QG8單片機的PTB5端口來控制的，當(dāng)PTB5端口為L時電源接通。此外，g-SELECT開關(guān)是選擇傳感器靈敏度的開關(guān)，使用時將MM-2860插入到CT-298的接口中即可。本系統(tǒng)采用加速度傳感器的靈敏度選擇為800 mV/g。
軟件描述
單片機主程序的流程如圖7所示。
系統(tǒng)上電后，首先要對單片機的硬件系統(tǒng)進(jìn)行初始化、配置寄存器等操作，之后才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將加速度的值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到量化的值。圖片菜單是二級菜單，如果沒有接到演示系統(tǒng)傳給單片機進(jìn)入二級菜單的指令，則單片機一直在主程序運行，不斷地采集A/D值、進(jìn)行動作判定，并向演示系統(tǒng)發(fā)送type_action的指令。演示系統(tǒng)可根據(jù)接收到的type_action的類型采取相應(yīng)的動作。如果單片機接收到進(jìn)入二級菜單的命令，則進(jìn)入圖片菜單，同時也執(zhí)行類似于主程序的動作判定程序，并不斷更新A/D采樣值，發(fā)送type_action，直到接收到退出二級菜單指令才退出。下面詳細(xì)介紹一下各個功能模塊的具體設(shè)置。
單片機硬件初始化
單片機系統(tǒng)主要的工作有：將加速度傳感器的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、向演示系統(tǒng)發(fā)送type_action的動作類型、接收演示系統(tǒng)發(fā)來的進(jìn)出二級菜單的指令、設(shè)置采樣值，除此之外還需要對系統(tǒng)時鐘、外部設(shè)備（燈，buzzer）進(jìn)行配置。根據(jù)單片機的主要工作內(nèi)容選擇單片機內(nèi)部的功能設(shè)備，包括A/D轉(zhuǎn)換器、模定時器、串行通信模塊（SCI）、內(nèi)部時鐘源模塊。
數(shù)據(jù)采集
系統(tǒng)設(shè)置的采樣頻率為200Hz，每秒鐘分別對X、Y、Z 三軸采樣200個數(shù)據(jù)，因此定義了三個大小為N的數(shù)組對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，他們是：
char x_data[N];
char y_data[N];
char z_data[N];
這里N取50，每0.25s存取一次，1s鐘可以存取4次，保證采樣率為200。函數(shù)void acce_meas(void) 負(fù)責(zé)將采樣的數(shù)據(jù)分別放到這三個數(shù)組中，下面是程序的具體實現(xiàn)：
for(j=0;j<N;j++) //采集N個數(shù)據(jù)
{
for(i=0;i<3;i++)
{
if(i==0)
{
adc_go(0); //選擇A/D信道0
x_data[j]= ADC_val_L; //X軸
}
else if(i==1 )
{
adc_go(6); //選擇A/D信道6
y_data[j]= ADC_val_L; //Y軸
}
else
{
adc_go(7); //選擇A/D信道7
z_data[j]= ADC_val_L; //Z軸
}
}
delay(); //延時函數(shù)，用來設(shè)定采樣率
}
動作檢測
動作檢測主要是用獲得的三組數(shù)據(jù)值x_data[N]、y_data[N]、z_data[N]來判定當(dāng)前動作是系統(tǒng)設(shè)定動作中的哪一個，如果符合，則發(fā)送這個動作對應(yīng)的預(yù)定義值給演示終端，否則發(fā)送NO_ACTION。type_dectction()用來實現(xiàn)動作檢測，其中type_move為函數(shù)內(nèi)部變量，用于記錄動作代碼。type_dectction()進(jìn)行動作檢測的流程如圖8所示。
演示終端
a.J2ME平臺開發(fā)環(huán)境配置
進(jìn)行J2ME的開發(fā)需要從網(wǎng)絡(luò)上下載免費的開發(fā)環(huán)境。運行Eclipse后進(jìn)行最后的配置：Window->preferences->J2ME->Platform Component然后右鍵選擇 Wireless Toolkil，再選擇彈出菜單中的 Add Wireless Toolkil，選擇剛剛安裝的J2ME Toolkit的安裝路徑: C:\WTK22，這樣基本配置就完成了。
J2ME的WTK開發(fā)包是專門針對移動無線設(shè)備而設(shè)計的開發(fā)包，并提供了一個統(tǒng)一的平臺。在WTK的框架下開發(fā)出來的java程序可以被眾多的移動設(shè)備所支持，能夠有效解決兼容性的問題。
b.軟件應(yīng)用程序
程序分為主進(jìn)程、串口監(jiān)視模塊和定制化用戶界面三大部分，分別基于J2ME不同的類庫派生而成，三部分之間通過消息機制相互聯(lián)系，共同構(gòu)成整個程序的運行周期。具體每個模塊所實現(xiàn)的功能參考下節(jié)內(nèi)容。
c.軟件應(yīng)用程序的組織結(jié)構(gòu)
本軟件應(yīng)用程序在WTK的手機仿真器下進(jìn)行設(shè)計，分為Base和display兩個package。在Base Package中包含MainRoutine.java和RS232Port.java兩個java文件；在display Package中的文件較多，主要實現(xiàn)了UI和基本的key響應(yīng)。下面介紹軟件部分的實現(xiàn)方法：
MainRoutine類:MainRoutine為程序的入口類，它整合了程序中的所有的對象。MainRoutine派生于MIDlet類，重載實現(xiàn)了MIDlet中的startApp、pauseApp、destroyApp等方法，并且在constructor中加入了exitCommand命令，從而實現(xiàn)了手機的關(guān)機功能。
可以看出MainRoutine實現(xiàn)了程序的入口和退出，并同時標(biāo)志了程序的基本框架，給具體的功能應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。
vCanvas類:vCanvas繼承了Canvas類，并增加了externalMsg方法。之所以在其中增加externalMsg方法，是因為其超類Canvas不能動態(tài)地響應(yīng)key，而我們對Canvas的要求是能夠通過對串口導(dǎo)入的數(shù)據(jù)（或按鍵）得到的keyCode做出相應(yīng)的動作，比如圖片的翻轉(zhuǎn)、文本的滾動等等。于是，我們可以通過vCanvas派生出一系列的子類，實現(xiàn)我們的具體要求，為將來的開發(fā)提供了方便。
DisplayItem類:DisplayItem是基礎(chǔ)類，提供了通用的string數(shù)據(jù)組合。該類的構(gòu)造方法中需要輸入shortText、longText和extra三個string參數(shù)，這樣就保證了每個DisplayItem都可以返回三個不同長度的文本信息，在不同的場合使用。其中shortText用于UI中的標(biāo)題顯示，longText為Item的主體內(nèi)容，extra為Item的附加信息。 DisplayItem類在本系統(tǒng)中會被例化來描述菜單和子功能的內(nèi)容，是應(yīng)用廣泛的一個基礎(chǔ)類。
ImageCanvas類:ImageCanvas同樣繼承于基礎(chǔ)類vCanvas，它的主要功能是實現(xiàn)了對圖片的瀏覽及旋轉(zhuǎn)、鏡像等基本操作。
考慮到目前使用手機瀏覽圖片、拍攝圖片的多方向性，如果能夠通過加速度傳感器自動校正圖片的方向，使它自動滿足我們想要的方向，那么我們就免除了很多不必要的麻煩。于是我們對圖片的瀏覽功能模塊增加了向左或者向右旋轉(zhuǎn)90°的功能。這樣用戶就會驚喜地發(fā)現(xiàn)無論他的手機怎樣擺放，顯示的圖片將永遠(yuǎn)保持與地面垂直。
ListCanvas類:ListCanvas提供了主畫面的顯示能力，并將用戶操作派生到內(nèi)部聚合成員上面去。具體功能的Item將包含在ListCanvas之中，每一個Item擁有顯示在屏幕上的ShortItem，顯示在detail screen中的LongText，還有不被顯示的ExtraText，當(dāng)然其信息我們也是可以得到的。在ListCanvas中，我們可以用“右鍵”顯示Item的詳細(xì)信息，也可以用SELECT鍵來標(biāo)記每個Item。
ItemListCanvas類:ItemListCanvas同樣繼承了vCanvas類，實現(xiàn)了多條目文本瀏覽的功能，構(gòu)造方法的輸入依次為Display、Displayable、Font、Title和ItemVector。將多條String構(gòu)造為一個Vector傳遞給ItemListCanvas后，該類能夠提供一個多條目文本實現(xiàn)的用戶界面。本系統(tǒng)的“關(guān)于本系統(tǒng)”子功能就是通過實例化該類得到的。
結(jié)論
本系統(tǒng)采用Freescale的單片機MC9S08QG和加速度傳感器MMA7260Q實現(xiàn)了便攜式手持設(shè)備的手勢控制，并采用了開放的J2ME平臺實現(xiàn)了終端應(yīng)用程序。系統(tǒng)完整，實用性強，成本低廉，在滿足用戶基本操作需要的同時，增加了移動設(shè)備操作的趣味性和靈活性。同時，加速度傳感器MMA7260Q較小的體積和獨特的節(jié)電模式更使其在移動設(shè)備的應(yīng)用中有著極大的優(yōu)勢。可以預(yù)見，在未來的手持設(shè)備系統(tǒng)中會大量采用類似的手勢識別功能，因此具有廣闊的市場應(yīng)用前景。
