基于体感技术的智慧校园控制系统设计

陈海松+陈容娜

摘 要： 本项目为物联网技术、语音、体感技术在数字化校园建设中的最新应用及信息技术与教育融合的应用项目，把未来潮流的应用带入教室，告别传统的鼠标、键盘、遥控器等等。采用KINECT体感感应器、利用手持设备作为控制终端，通过利用体感技术、Android技术、WIFI网络及Zigbee无线自组织网络技术智能控制，实现让学生和教师用语音、手势和体感进行PPT的翻页控制，用智能手机作为控制终端，实现教室灯光、窗帘的智能控制和调节。

关键词： 体感技术； zigbee； Wife； 控制信号

中图分类号：TN919.5 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2016）12-49-04

Abstract： This project is the latest application of the Internet of Things technology， voice and somatosensory technology in the digital campus construction and the integration of information technology and education， which brings the upcoming application into the classroom and says goodbye to the traditional mouse， keyboard， and remote controller and so on. Using KINECT somatosensory sensors， using a hand-held device as a control terminal， and using the somatosensory technology， Android technology， WIFI network and Zigbee wireless network technology to realize intelligent control， let the students and teachers to control the PPT page by voice， gesture and body language， and to realize the intelligent control and adjustment of the classroom lighting and curtain by using a smart phone as the control terminal.

Key words： somatosensory technology； Zigbee； WiFi； control signal

0 引言

随着电子技术的飞速发展，越来越多的领域应用到体感、无线智能控制等现代化技术。体感技术一般需要借助体感设备如手柄、脚带、感应帽等完成人体动作、表情的捕捉，如最为大众所知的wii游戏。本项目采用先进的体感技术，不需要借助设备，只需动手、动脚，即能通过识别器捕捉人体的运动线程，来控制终端设备。现在体感技术还处于发展阶段，但已经广泛应用到了游戏、影视、医疗等方面，随着时代的变迁与科学技术的发展，体感技术的应用领域必将进一步扩大，如我们把它应用在教学领域，来控制教学软件PPT的自动翻页和画图功能，以及用手势和语音控制教室的智能设备。我们采用短距离无线通信Zigbee技术实现对智能教室设备的控制以及环境的监测和控制。采用无线路由器、网关设备、zigbee模块完成对智能教室设备的控制。用户通过手机或平板电脑以无线wife的形式发送控制信号至无线路由器，控制信号经网线至以太网模块后发送至zigbee模块，Zigbee模块接收控制信号后经放大后通过天线以zigbee信号的形式发送至zigbee设备，从而实现体感技术对zigbee设备的控制[1]。

1 基于体感技术的智慧校园控制系统

采用内嵌Windows操作系统，使用体感技术、语音控制技术、zigbee技术、多点触控等目前世界上先进的人机互动交流技术，建立一套软硬件结合的系统，把未来潮流的应用带入教室。本系统共由五个单元模块组成：教学互动模块，教学展示模块，教室环境控制模块，教学资源网络模块和总控制中心。我们主要介绍体感控制，语音控制及教室智能设备控制这几个部分，通过利用体感、Android技术、WIFI网络及Zigbee无线自组织网络技术控制教室内部灯光、窗帘以及利用体感技术、语音识别技术实现教室内部灯光、窗帘的控制，并实现采用体感技术实现教学辅助软件的智能控制。框图如图1所示。主要研究内容如下：

⑴ 采用体感技术实现设备智能控制等功能；

⑵ 采用体感技术实现PPT的控制、实现在屏幕上简易画图；

⑶ 采用物联网技术实现教室特设的智能设备的控制等功能；

⑷ 采用语音技术实现设备智能控制；

⑸ 采用语音技术实现PPT的控制。

在体感控制应用领域，最主流的应用当属体感游戏，体感游戏，顾名思义是通过身体运动的感应，来实现游戏中的各种操作，简单地说，就是指通过人体动作来实现游戏[2]。体感技术之所以能够受到广大玩家的推崇与喜爱，是因为其独特的形式。在教育领域，体感控制技术还未做到有效应用。我们把体感技术引入教学，增强和学生的互动，提高学生的学习自主性。其实现功能是采用体感及物联网技术，感知教学场景，通过手势及语音实现教学软件及教室教学设备智能控制。软件设计流程如图2所示。

2.1 体感控制PPT的自动翻页

体感交互是一项无需借助任何控制设备，可以直接使用肢体动作与数字设备和环境互动，随心所欲地操控的智能技术。它的核心在于让计算机有了更精准有效的“眼睛”去观察这个世界，并根据人的动作来完成各种指令，不是简单地利用体感技术代替鼠标键盘的点击操作。我们通过体感设备模拟windows操作系统的鼠标和键盘操作事件，让电脑瞬间变成体感控制，通过定义多个手势，例如向左，向右，向上，向下挥动手势对应多个鼠标键盘的左右上下箭头键盘操作响应事件，这样就可以通过手势来控制PPT的自动翻页功能了。我们可以让每一个鼠标键盘事件都对应一个体感手势，从而实现完全自定义化的通过体感手势来操作软件，完全实现体感操作代替鼠标键盘的操作。实现的功能是采用体感技术实现PPT的控制：右手向左挥动，PPT演示文稿往前翻一页；左手向右挥动，PPT演示文稿向后翻一页。采用语音技术实现PPT的控制：开口说“前”，PPT演示文稿往前翻一页；开口说“后”，PPT演示文稿向后翻一页。体感识别和控制的框图如图3所示。

体感控制PPT向前翻页的程序如图4所示。

2.2 体感控制教室智能设备

通过体感技术，实现教室内部灯光、窗帘的控制：挥动左手开灯、窗帘；挥动右手关灯、窗帘。采用语音技术实现教室内部灯光、窗帘的控制：开口说“开灯”，灯点亮，开口说“关灯”，灯熄灭；开口说“开窗帘”，窗帘打开，开口说“关窗帘”，窗帘关闭。

通过单片机接收到Kinect采集到的动作，转换成相对应的指令，然后通过Zigbee无线网络技术，以簇状连接方式组网，分别控制教室的窗帘动作、灯光亮度调节、空调的开关，系统硬件框图如图5所示。体感控制智能设备的程序如图6所示。

[开关设备终端][Zigbee][Zigbee][Kinect体感器][单片机][开关设备终端][照明控制系统][窗帘控制系统]

3 智能教室设备控制系统

系统采用Chipcon公司的CC2530，通过Zigbee无线网络技术，以星状连接方式组网。设备控制子网采用CC2530的单一I/O口控制，通过P1.0、P1.1、P1.2分别控制无线灯光、电动窗帘、空调开关，智能教室设备控制系统框图如图7所示。

[Internet][用户手机][Zigbee][Zigbee][Wife][Zigbee] [无线路由器][网关设备（Wife-zigbee）] [开关设备终端][开关设备终端] [开关设备终

3.1 无线灯控实现

采用用户终端发送开启、关闭、调光、预约开启、关闭和调光的控制信号给路由路由节点，路由节点接收到数据后，通过与WIFE转Zigbee的网关设备完成握手后，输出相应的数据来驱动双向可控硅，控制可控硅相控调光和控制灯光的开启和关闭，实现教室灯光智能控制，同时通过锁存器将上一次的数据存储，以便与下一次数据作比较，从而实现对灯光亮暗的调节。灯光调节的界面如图8所示。

3.2 电动窗帘的实现

电功窗帘控制采用自动控制和手动控制两种方式。通过对环境的光照强度、湿度的变化以及无线控制来对智能窗帘网络化控制系统进行控制，光照强度强时，窗帘关起；湿度低时，窗帘关起。反之光照强度弱时，窗帘开启；湿度高时，窗帘开启。温度传感器采用CC2530自带的温度传感器；同时还可以通过手动控制窗帘的开启和关闭。窗帘控制系统由zigbee模块和直流电机组成，用户终端发送窗帘控制命令给路由器节点，路由器和网关完成握手后，CC2530接收到协调器的控制信号，确定自己是否被呼叫，如果被呼叫，则接收发送来的数据，然后确定是电机的正转、反转还是停止，在接收数据信息的同时，与自身存储的数据作对比，确定需要的脉冲数，从而控制窗帘的开关程度[4]。

4 结束语

本系统引入先进的体感技术在教学软件、教室灯光及窗帘等控制系统中的应用，告别传统的鼠标、键盘、遥控器等，让人以更自然的方式与控制终端进行交互。利用语音交互技术控制教学软件和教室灯光，进一步提高了系统操作的便利性，而且对于一些有缺陷的人士，利用语音和手势就可以控制智能设备，非常方便；利用手机或平板电脑，采用Zigbee、WiFi技术对灯光、风扇、窗帘进行无线控制；无需布线，稳定性高，维护费用低廉，操作简单、适用性广，前景比较广阔。

参考文献（Reference）：

[1] 杨浩杰，韩秀玲.一种智能家居监控系统的设计[J].微型电脑

应用，2011.4.

[2] 张维勇，冯琳.ZigBee实现家庭组网技术的研究[J].合肥工业

大学学报（自然科学版），2005.28（7）：755-759

[3] 徐方荣.无线智能家居控制系统的设计[J].现代建筑电气，

2010.1：24-27

[4] 李兆堃.基于Kinect体感技术的人机交互环境[J].电子与金

系列工程信息，2013.9.

[5] 吴松，韩国柱，陈永才.基于Kinect的装备体感维修教学系统

研究[J].中国现代教育装备，2013.11.