基于RF通信技术的无线体感控制器的研究

陈浩文　刘忠富　曹天麟　赵爽

摘 要：随着物联网技术快速发展，人们的生活方式与工作习惯在渐渐发生了改变。面对多种智能化设备，如何实现对其进行统一化控制成了一个急需解决的问题。本文设计了一种新型体感控制器其使用基于射频技术的NRF905作为通讯模块，以STM32为主控芯片，配合使用MPU6050等多种传感器实现对手腕动作信息的采集。该控制器实现了对人体特征动作的识别以及对各种智能化设备进行控制，使用户与智能设备的沟通更加方便，具有一定的使用价值。

关键词：RFID；NRF905；无线体感控制器；stm32

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-2163（2016）01-

Abstract： With the rapid development of Internet of Things technology， the lifestyles and working habits have been gradually changed. In view of a variety of intelligent devices， how to achieve the unified control has become an urgent problem. In this paper， a novel somatosensory controller is presented， which adopts NRF905 based on radio frequency technology as the communication module， and STM32 as the master chip， to realize the information collection of wrist actions in conjunction with many other sensors such as MPU6050. The controller realizes the recognition of human characteristic actions and the operation of various intelligent control devices， which allows the users to communicate with intelligent devices more conveniently. So the controller has a certain application value.

Keywords： RFID； NRF905； wireless somatosensory controller； stm32

0引 言

近年来，随着智能电视、平板电脑等高科技数码产品的普及与蜂蜜，通过各种人机交互的实现在用户体验上做到了直观与新鲜。比如来自微软的通过3D体感摄影实现动态捕捉、影像辨识的Kinect；通过红外摄像头实现追踪全部 10 只手指、识别精度高达 1/100 毫米的LeapMotion；以及加拿大创业公司Thalmic Labs推出的，通过探测用户的肌肉产生的生物电活动来达到识别用户手势的MYO腕带[1]。可以看出无线体感控制设备正在发挥着推动物联网发展的重要实体作用，因而成为当下具有高度需求价值的热点。本文即围绕这一内容给出系统论述和应用设计。

1系统方案设计

无线体感控制器能够实现通过操作者手势控制任何具有与该设备匹配的通信设备。比如机器小车，电脑光标，无人机等等[2]。本系统用智能小车来模拟被控设备，通过智能小车的行进轨迹来评价设备的实用性。控制设备的主要工作原理是通过六轴传感器MPU6050来进行手势动作的采集，由STM32单片机处理又经RF905发送到被控制的设备上，受控设备配有相同的通信芯片，接收到数据之后则送入51芯片进行处理并执行相应动作[3]。

2 系统硬件电路设计

本文设计的无线体感控制器可以分为两个工作部分。发射端由主控芯片、NRF905无线发射模块、MPU6050六轴运动处理模块等组成，无线体感控制终端框图如图1所示。接收端用智能小车进行模拟，小车由51主控芯片、直流电机、NRF905无线发射模块等组成。

2.1 无线体感控制终端微控制器电路

对于无线体感控制终端，为了收获良好的操作效果、呈现最佳用户交互体验，选用了6轴运动处理组件来识别用户手势[4]。而且，基于需要不断采集角度等数据并实时进行数据处理的设计目标指向，因此上对于微控制器的工作频率以及程序存储器容量均将提出一定的要求。

系统以STM32F103C8T6单片机为控制核心，STM32F103C8T6单片机是3.3V供电的低功耗微处理器，工作频率最高可达到72MHz，64K程序存储器，性能比普通8051更强大，且成本较低，能够满足更为复杂的应用系统设计。微处理器的实际具体连接布局如图2所示。

2. 2 电源模块电路

控制器采用5V聚合物锂电池供电，由于STM32F103C8T6单片机与NRF905的工作电压都是3.3V，研究选用了ASM1117-3.3稳压芯片来为系统提供3.3V电压。需要一提的是，STM32F103C8T6分为模拟地和数字地，为了保证其正常工作可将两路电源进行隔离设计，即在模拟地和数字地之间通过0Ω电阻实现单点共地。

2. 3 NRF905无线发射模块电路

无线发射模块是终端数据传输的具体实施可执行流程。NRF905芯片是基于RF通信技术的一款无线收发芯片，其工作电源电压为3.3V，输出功率可调-10～10dBm，通过SPI的接口方式能够直接对其进行编程配置。NRF905应用电路如图3所示。

2. 4 体感检测电路

体感检测部分选用六轴运动处理组件MPU-6050来进行手势识别，其中的三轴MEMS陀螺仪，分别检测X轴、Y轴和Z轴的角速度[5]。体感检测电路如图4所示。

2.5 接收设备

接收设备为一智能小车，实现的主要功能是作为被控设备，将无线体感控制终端发送的数据进行判断，并作出前进、后退、左转、右转等响应。该设备硬件主要由51单片机、接收模块以及四路直流电机组成，接收模块的电路和控制终端的电路几乎相同，直流电机需要7.2V供电，并且是以L293D为其核心的驱动电路。

3系统软件设计

本系统软件部分包括有发送端程序和接收端程序。其中，发送端程序主要功能是完成对手势信息的识别并控制NRF905无线模块将手势信息进行实时发送。接收端则主要完成数据的接收和判断以及对不同手势的响应。本系统所有程序均采用C语言来实现编写调制。

3.1 终端程序设计

3.1.1 MPU6050相关配置

首先进行手势信息的采集，并对MPU6050提供初始化配置，具体内容包括：配置REG_PWR_MGMT_1寄存器，实现软复位MPU6050；配置REG_ CONFIG寄存器分为加速度计和为陀螺仪设置采样率为8Khz；配置REG_ GYRO_CONFIG寄存器使陀螺仪的量程为±2000°/s；配置加速度计的最大量程为±8g；配置REG_ INT_ENABLE使其终端产生方式定制为Motio detectoin，就是若有动作即产生中断。至此，MPU6050初始化配置结束。

完成MPU6050初始化后，主控芯片将通过I2C总线读取MPU6050的数据寄存器并融合相应算法得到相应欧拉角。通过对欧拉角的判别则可达成到手势识别的目的。

3.1.2 NRF905相关配置

NRF905寄存器的配置内容可描述为：将NRF905初始化后，对应结果是输出功率为+10dB，外接16MHZ晶振，发送地址宽度为4字节，数据宽度为4字节。将NRF905寄存器配置在433MHZ工作频段，并将HFREQ_PLL位置“0”，使通道间的频差为100KHZ。将NRF905的TRX_CE管脚置“1”，TX_EN置“0”使NRF905进入发送模式，在一个动作数据包发送完成后DR引脚将会置高来通知，由此告知单片机已经发送了数据。单片机判断发送完成后，即将NRF905配置为正常模式，并转入检测动作输入状态，继续进行下一次动作采集，如此循环往复[6]。控制终端程序框图如图5所示。

3.2 接收处理中心程序

接收处理中心是将NRF905配置成接收模式，接收到手势信息并将其实现。

在初始化时，将NRF905配置寄存器的CH_NO位设定为0X4C，使其工作在430MHz的频点上，将HFREQ_PLL位则置于“0”，通道间的频差为100KHZ。设置NRF905的TRX_CE=“1”、TX_EN=“0”使之处于接收状态，NRF905会自动检测载波，接收到相同频率载波后载波检测引脚AM将会置为高，收到一个正确的数据后DR引脚相应也会置高。完成如上设置后，单片机将读取接收到的手势信息数据并根据信息执行前进、后退、左转、右转的动作。

4 结束语

本文将STM32F103C8T6单片机、NRF905无线发射模块、MPU6050相结合，具体设计并实现了一种新型的无线体感控制器，通过操作者手势能够控制可与其相匹配的通信设备。比如机器小车、电脑光标、无人机等等。为智能家居的理想规划实践奠定了基础，具有一定的现实推广价值。

参考文献：

[1] 王娟.基于RFID的新型交互式生命搜救仪器[J].电子技术，2010，37（12）：47-49.

[2] 潘新民，王燕芳.微型计算机控制技术[M].北京：高等教育出版社，2002：232-243.

[3] 孙利民，李建中.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.

[4] 蒋海涛，郭站营.基于 MEMS 加速度传感器的飞行器倾角测量系统设计[J] .计算机测量与控制，2010，18（1）：107-109.

[5] 邰莉.三维磁阻式电子罗盘的设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009：1-4.

[6] 彭军.传感器与检测技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.