手势绘图锁的应用研究

许文超　昂寅　胡大春

摘要：手势图案解锁功能是将手机手势翻页功能和手机图案解锁功能合并在一起的，它既有手势开关的酷炫功能，又有图案解锁的安全性我们用的是3*3的矩阵，不要小看这个矩阵它可以形成几千种密码。这样，我们这款手势绘图锁不仅有好看的外表，炫酷的功能还有实用的价值。我们所需要的材料有红外避障传感器，小型舵机，树莓派和指示灯。我们用9个红外避障传感器来测出距离。

关键词：树莓派；红外避障传感器；手势绘图；方便简洁

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）024-0028-03

1引言

随着经济的不断发展，人们的生活水平也不断提高。传统的门锁已经渐渐不能满足人类的需求。传统的门锁有着许多弊端比如：当钥匙丢了的时候门便打不开只有撬门这一条路可走。所以传统的门锁即不能适应时代的发展，也很不实用。因此，本人与同伴一起发明这个手势绘图锁来解决大家的问题。历史中出现的锁不计其数，但是我确信我们制作的这款手势绘图锁一定是最方便的，最实用的。现代生活中每一件物体都在不断地更新，功能也在不断的提升。用手势绘图锁是十分方便的，你只需要用手轻轻划出你设计的密码便可以将门打开。你不必会担心你的钥匙会丢在家中，也不必会担心钥匙被别人偷然后偷偷进家行窃。这款锁可以让你用得放心，在外玩得开心。

2总体设计分析

2.1系统组成部分

2.2硬件需求

2.2.1树莓派

树莓派作为一台运行Linux 系统的台式计算机，它不是以传统的依靠硬盘来储存数据而是以SD或外接USB 硬盘来储存。方便编程、容易改造，十分方便。 并且 RPi 是一个相对完整的电脑，自带的接口比较全面，USB-host、RJ45、HDMI、SD读卡器等常用接口都有所以可以运行完整的操作系统。

硬件方面，树莓派的参数如下：

? Broadcom BCM2835 700MHz ARM1176JZFS 配备 FPU 处理器，4核 GPU 处理器

? GPU 支持 Open GL ES 2.0， OpenVG 硬件加速，1080p30 H.264 高清解码

? GPU 带宽 1Gpixel/s， 1.5Gtexel/s or 24GFLOPs DMA 纹理解析

? 带Micro SD 卡插槽（支持通过它启动 Linux 操作系如 Fedora）

? 尺寸：85 x 56 x 17 mm

? 3.5 mm 音频输出接口

? microUSB 接口供电

? 10/100 自适应网卡

? USB 2.0 接口 x 4

? Micro SD 卡插槽

? 512 MB 内存

? 摄像头接口

? 40PIN接口

? HDMI 接口

? LCD接口

2.2. 2红外避障传感器

红外避障传感器（9个）：

该传感器模块具有一对红外线发射以及接收管，对周围环境光线适应能力较强，发射管会发射出一定频率的红外线，红外线反射回来被接收管接收。当检测方向遇到障碍物（反射面）时，经过比较器电路处理之后，绿色指示灯会亮起，同时信号输出接口输出数字信号（一个低电平信号），可通过电位器旋钮调节检测距离，有效距离范围2～30cm，工作电压为3.3V-5V[1]。该传感器的探测距离可以通过电位器调节、具有便于装配、干扰小、使用方便等特点，可以广泛应用于避障机器人、避障小车、黑白线循迹及流水线计数等众多场合[2]。

本文中红外避障传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，利用的红红外避障传感器LDM301发射出一束红外光，在照射到物体后形成一个反射的过程，反射到传感器后接收信号，然后利用CCD图像处理接收发射与接收的时间差的数据。经信号处理器处理后计算出物体的距离。红外信号反射回来被接收管接收。接受处理后通过数字传感器接口返回到树莓派中，树莓派再利用红外的返回信号来对舵机进行控制。

其数据参数如下：

1）当模块检测到前方障碍物信号时，电路板上绿色指示灯点亮电平，同时OUT

端口持续输出低电平信号，该模块检测距离2～30cm，检测角度35°，检测距离

可以通过电位器进行调节，顺时针调电位器，检测距离增加；逆时针调电位器，

检测距离减少。

2）传感器主动红外线反射探测，因此目标的反射率和形状是探测距离的关键。其

中黑色探测距离最小，白色最大；小面积物体距离小，大面积距离大。

3）传感器模块输出端口OUT 可直接与单片机IO 口连接即可，也可以直接驱动

一个5V 继电器；连接方式：VCC-VCC；GND-GND；OUT-IO

4）比较器采用LM393，工作稳定；

5）可采用3-5V 直流电源对模块进行供电。当电源接通时，红色电源指示灯点

亮；

6）具有3mm 的螺丝孔，便于固定、安装；

7）电路板尺寸：3.2CM*1.4CM

8）每个模块在发货已经将阈值比较电压通过电位器调节好，非特殊情况，请勿随意调节电位器。

模块接口说明：

1）VCC 外接3.3V-5V电压（可以直接与5v单片机和3.3v单片机相连）

2）GND 外接GND

3）OUT 小板数字量输出接口（0和1）

2.2.3小型舵机

舵机主要是由齿轮、无核心马达、电路板与位置检测器所构成。控制电路板接收来自中央控制器信号的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组传动至输出舵盘。位置反馈电位计和舵机的输出轴是相互连接的。舵盘转动的同时，位置反馈电位计将输出一个电位信号至控制电路板将其进行处理反馈，控制电路板根据所在位置决定电机转动速度与方向，从而达到目标停止[3-4]。

本文中控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较获得电压输出。最终使电机停止转动。实现开关门。

其技术参数如下：

1）重量：9g

2）尺寸：23x12.2x29mm

3）无负载操作速度：0.12秒/60度（4.8V）；0.10秒/60度（6.0V）

4）扭矩：1.6kg·cm（4.8V）

5）使用温度：-30～+60摄氏度

6）死区设定：5微秒

7）工作电压：4.8V～6V

8）附件：

线长 25cm

速度： 0.23秒/60度（4.8V）

0.19秒/60度（6V）

力矩： 3.2kg/cm（4.8V）

4.1kg/cm（6V）

体积： 44L X 20W X 40H

重量： 37.2g

转动角度：180度（左右各 90°）

技术参数：Futaba S3003标准舵机，使用在车、船等遥控模型上.可替代Futaba的S138、S148、S22、S38和S12。

3手势解锁的软件设计

3.1手势绘图锁系统流程图

初始化后，避障传感器处于检测状态，根据按键来选择更正和检测手势。

3.2 Python

Python是一种面向对象具备动态数据类型的解释性语言，你所编码的脚本 或程序可以直接运行，而不需要类似其他语言把它们先编译成机器码。这样使用 起来非常便捷。Raspberry Pi上也提供了与Python绑定在一块的集成开发环境 IDLE。

开始编写手势绘图程序前需要对树莓派计算机的相关Python的库文件进行 安装设置，首先是GPIO，打开LX终端（LXTerminal），更新apt-get软件安装包 列表（注意必须要在网络连接正常情况下），然后执行安装命令来安raspberry -gpio-python包。在安装完成Python的GPIO库后，接下来是安装Python的UART库 ，和上述之前步骤相似，更新apt-get软件安装包列表，后安装Python的串口通信模块.

3.3 检测模块设计

本实验中所用的9个红外避障传感器可以检测出你所绘出的图案。为了防止用户自己画错了本作品中设置了确定与取消两个按键。当你画错了的时候你可以按取消键重新绘图。这样你就不会担心自己画错了而系统会自动报警或者在绘图过程中停留时系统会立刻自动检测导致绘图错误。当然，我们也设计了两次绘图机会防止你自己在少数情况下绘图错误却按了确定键。这样，我们这款手势绘图锁就可以说是完美之作了。如下图所示手势检测过程。

4 总结

针对于传统门锁的弊端，我们的不断努力我们终于将这款锁给制成了。这样传统的门锁的弊端我们就可以避免了。我们用了12个你再也不必担心钥匙会丢在家或者在外时丢钥匙的情况了。用了这款手势绘图锁一定会方便了许多。

参考文献：

[1] 闫锦龙.带自动避障系统的智能四轴飞行器的设计[D]. 安徽大学，2014.

[2] 俞萍.物联网应用“智慧街道”的探索[J]. 哈尔滨师范大学自然科学学报，2014，30（3）.

[3] 梁少芳.仿人机器人步态规划及其控制系统的研究[D]. 广东工业大学，2010.

[4] 范强.双足竞步机器人设计及其步态规划研究[D].山东理工大学，2009.