簡(jiǎn)單手勢喚醒便攜設備的設計思路及其代碼

本文討論如何喚醒平板電腦等觸控裝置，無(wú)需接觸設備，而是采用基本的手勢識別及新穎的接近檢測傳感器。本文討論了相關(guān)設計的物理布局、速度限制、檢測門(mén)限、系統集成，以及人為因素的影響；給出了軟件實(shí)時(shí)的例程。

廚房里的突發(fā)奇想

如果做飯時(shí)使用觸控設備，您可能會(huì )注意到按照設備列出的食譜烹飪并非想象得那么簡(jiǎn)單。技術(shù)達人(例如鄙人)走進(jìn)廚房時(shí)，喜歡看著(zhù)平板電腦或智能手機上的菜譜做飯。您可能會(huì )說(shuō)：“好吧，這有什么難度？”由于屏幕始終開(kāi)啟會(huì )消耗很大電量，通常手持裝置在1、2分鐘后沒(méi)有操作時(shí)將自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。那么，當您需要參照食譜時(shí)，設備已進(jìn)入休眠狀態(tài)。此事，您面臨兩個(gè)選擇：要么強制屏幕保持永久開(kāi)啟；要么用沾滿(mǎn)食物的手開(kāi)啟裝置，而在屏幕上留下斑斑油漬。當然，您可以在每次查看時(shí)把手清洗干凈，但不斷重復洗手、擦干即繁瑣，又費水。

我時(shí)常問(wèn)自己：“怎樣才能既不讓屏幕始終開(kāi)啟，又不會(huì )弄臟裝置？”實(shí)際上，有一種辦法一舉兩得，即通過(guò)一個(gè)手勢(不用接觸屏幕)開(kāi)啟顯示屏。聽(tīng)起來(lái)似乎很復雜，是嗎？幸運的是，做起來(lái)可能比聽(tīng)起來(lái)容易一些。

接近檢測傳感器

許多觸摸屏裝置，尤其是智能手機，內部已經(jīng)安裝了紅外(IR)接近檢測傳感器。這些傳感器一般在通話(huà)期間自動(dòng)打開(kāi)/關(guān)閉屏幕，以避免意外操作手機的輸入界面。這種傳感器，加上精明的軟件設計，就能實(shí)現利用一個(gè)手勢喚醒裝置的功能。

基本的設計思路是：設備進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)，觸摸屏關(guān)閉，應用處理器處于低功耗模式，依靠接近檢測傳感器“觀(guān)察”背景的變化，當接收到的信號足夠大時(shí)，做出適當反應。這與接近檢測傳感器在通話(huà)期間關(guān)閉屏幕的功能幾乎完全相同。只是，我們的應用對數據有了不同的解釋。

首先記錄傳感器在“正?！北尘跋碌挠嫈抵?，此時(shí)得到的數值可能為零，但實(shí)際設計中需要考慮系統失調(例如：散射或串擾)。然后將得到的數值設置為檢測門(mén)限，當接收信號超過(guò)門(mén)限時(shí)觸發(fā)中斷或向應用處理器發(fā)送信號，以喚醒系統并打開(kāi)屏幕?？傮w而言，這種方法非常簡(jiǎn)單、直觀(guān)，可利用環(huán)境光檢測器和IR接近檢測傳感器實(shí)現。

本文介紹的方案采用MAX44000，接近檢測的數據讀取時(shí)間間隔可以設置在1.56ms至100ms (與環(huán)境光檢測傳感器輪流讀取數據)。假設最大檢測距離為10cm，LED的輻射角為±15°，那么，可以覆蓋的面積大約為22cm2或跨距大約為5.35cm，只有該區域內的移動(dòng)目標才能捕捉到。由此，能夠以最慢(即最低功耗)的采樣速度可靠檢測的最快手勢動(dòng)作大約為0.53mps。在此，我們還假設傳感器只需要采集到一次高于門(mén)限的信號，即可識別經(jīng)過(guò)覆蓋區域的目標。

舉手之勞...

理論上講，該方案的實(shí)施非常簡(jiǎn)單。當裝置進(jìn)入休眠模式時(shí)，將接近檢測傳感器置為環(huán)境掃描模式，并在檢測到目標時(shí)發(fā)出中斷信號，指示捕捉到超過(guò)預設門(mén)限的信號?？赏ㄟ^(guò)I2C接口輪詢(xún)傳感器的狀態(tài)。不幸的是，這種方式會(huì )消耗過(guò)大功率，超出了大多數用戶(hù)的預期。

這也是接近檢測傳感器的設計重點(diǎn)，MAX44000傳感器能夠在許多方面擺脫應用處理器的干預，減輕處理器負荷(降低功耗)。

使能MAX44000的內部接近檢測中斷(寄存器0x01的第1位)，可將喚醒門(mén)限寫(xiě)入內部寄存器(0x0B和0x0C)。當接近檢測傳感器的讀數超過(guò)該門(mén)限時(shí)，觸發(fā)中斷標識置位，將MAX44000的/INT引腳置為低電平。當應用處理器檢測到該引腳驅動(dòng)為低電平時(shí)，可喚醒裝置退出低功耗模式，并打開(kāi)屏幕，或完成其它需要的動(dòng)作。

…但不容忽視

實(shí)際應用往往不如理論那么容易，非接觸喚醒的具體實(shí)施并非只是簡(jiǎn)單地檢測高于門(mén)限的信號。實(shí)際上，具體的設計需要考慮諸多因素。

信號電平與電路布局

最關(guān)鍵的考慮應該是觸發(fā)喚醒條件的信號電平，需要在系統響應靈敏度與誤報概率之間進(jìn)行權衡。如果門(mén)限過(guò)低，則很容易檢測到輸入(手勢工作)，但會(huì )增大瞬態(tài)噪聲或突發(fā)條件產(chǎn)生誤報的概率。反之，過(guò)高的檢測門(mén)限能夠把誤報概率降至幾乎為零，但卻只能檢測到非常接近的目標，甚至對任何輸入(即使您瘋狂晃動(dòng)手臂)都反應遲鈍。

解決這一問(wèn)題的最佳方式是：首先降低系統噪聲，可以通過(guò)光學(xué)方法或嚴謹的電路布局實(shí)現，降低的噪底有助于降低誤報概率；其次，選擇“平均”檢測距離(例如：4cm至5cm)并利用參考目標測量信號，18%的灰板比較理想，但如果觸摸屏上方安裝了黑色玻璃，測量時(shí)也應該使用這樣的玻璃，所測得的信號電平可以作為設置門(mén)限的最佳參考。通?？梢宰裱@樣的原則：即將電平設置在滿(mǎn)幅的8%至15%，即使電平發(fā)生變化。

可以按照上述經(jīng)驗數據設置MAX44000傳感器的接近檢測門(mén)限寄存器，圖1所示為信號強度隨距離變化的關(guān)系曲線(xiàn)，采用18%灰板，驅動(dòng)電流為100mA，傳感器上方?jīng)]有玻璃罩。藍線(xiàn)為可以選擇的喚醒門(mén)限。

圖1. MAX44000接近檢測傳感器信號強度隨距離變化的關(guān)系曲線(xiàn)，采用18%灰板，100mA驅動(dòng)電流，沒(méi)有玻璃罩。

噪聲和低通濾波

需要考慮噪聲問(wèn)題時(shí)，可利用低通濾波器處理信號；另外，MAX44000還有幾個(gè)控制位可以用作觸發(fā)中斷標識之前的屏蔽，采用這種設置時(shí)，需要檢測到一定數量超出門(mén)限的采樣值時(shí)才會(huì )觸發(fā)中斷標示，能夠在一定程度上降低噪聲的影響。

一種稍微復雜的方法是將傳感器的讀數儲存在數據隊列中，然后利用定制的FIR軟件對其進(jìn)行濾波處理。但這種方法需要提高接近檢測傳感器的采樣速率，否則則會(huì )降低能夠捕捉到的傳感器可視范圍內的手勢動(dòng)作速率，特別是把采樣速率設置在100ms時(shí)。利用器件的控制位屏蔽檢測時(shí)，速率可最多降低16倍(通常選擇4x屏蔽即可)。

手勢速度

手勢動(dòng)作的快慢是我們需要考慮的另一因素。最大速度取決于：1. 傳感器的可視范圍；2. 手與傳感器之間的距離；3. 采樣率；4. 檢測門(mén)限。前兩項很容易確定：傳感器的檢測角度，結合傳感器與目標之間的距離，利用基本的三角形即可計算出傳感器可視范圍內目標的移動(dòng)距離。例如，如果傳感器的視角為30度，最大有效檢測距離10cm，那么，傳感器可視范圍內允許的目標移動(dòng)距離為5.35cm，覆蓋面積大約為78cm2。直線(xiàn)距離結合采樣率，即可決定速度限值。具體地說(shuō)，如果采樣率為T(mén)，那么目標跨越可視區域的時(shí)間不得小于T。例如，如果T為100ms (MAX44000的最低采樣速率)，那么按照上例，理論上最大允許的速率為1mps (這實(shí)際上已經(jīng)相當快了)。您可能希望捕獲到多個(gè)采樣值來(lái)確認觸發(fā)喚醒，這樣的話(huà)，會(huì )降低允許的速率下限。