手势控制的LED变形灯设计

王宁 王巍 牛萍娟

摘  要： 针对LED灯具互动性差，造型单一的现状，设计一种基于手势控制的LED吊灯。该设计以STM32为控制核心，包括无线WiFi模块、手势识别模块、灯光控制模块和电机驱动模块。所设计的LED吊灯具有手势控制和手机APP控制两种控制模式，具备亮度调节、色温调节、颜色变换等功能。灯罩的展开与闭合，改变灯具的照明角度，实现变形的效果。该设计通过WiFi技术接入家庭局域网，实现灯具的网络化、智能化。

关键词： LED照明; 手势控制; 变形灯具; 程序设计; 嵌入式系统; 智能照明

中图分类号： TN345?34; TP391.4                文献标识码： A                       文章编号： 1004?373X（2020）02?0024?05

Design of LED deformation lamp controlled by gestures

WANG Ning， WANG Wei， NIU Pingjuan

Abstract： A LED chandelier based on gesture control is designed to improve the current situation of poor interactivity and single shape of LED lamps， in which STM32 is taken as the control core， including wireless Wi?Fi module， gesture recognition module， light control module， key control module and motor drive module. The designed LED chandelier has two control modes of gesture control and mobile phone APP control， and has the functions of brightness adjustment， color temperature adjustment and color transformation. The illumination angle of lamp is changed by unfolding and closing the lampshades to achieve its deformation effect. In this design， the home LAN can be accessed with the WiFi technology to realize networking and intelligentization of the LED chandelier.

Keywords： LED lighting; gesture control; deformation lamp; program design; embedded system; intelligent lighting

0  引  言

隨着LED技术的飞速发展，LED照明灯具已经广泛应用于各种照明场合[1]。在家居照明或特定照明场合时，LED照明灯具应具备调光和调色功能，以满足照明舒适性的需求[2]。一体化灯具能够与传感器相结合、与环境变化相关联与其他设备相联动，照明灯具已经向高附加值、高技术、模块化及智能化方向发展[3]。运用物联网技术，融合造型创新的灯具设计，使灯具变得更加生动，并富有弹性[4]。随着灯具的不断创新与发展，灯具设计正逐渐摆脱传统的固定静止形态，向着多元可调控的方向发生改变[5]。手势控制技术使得人机交互更简单、自然，可以用适当的手势来控制周围的设备，不再局限于接触式操作[6]。灯具与人的交互主要体现为实物操作性和空间操作性，即灯具感知人体动作，产生外形变化和色彩变换。

本文设计一种手势控制的LED变形灯，通过手势识别，可以切换不同模式，实现不同的灯光效果;通过手势控制，只要手在空中动一动，就可以调节灯具的照明角，增强了人与灯的交互;灯具通过WiFi模块接入家庭局域网，并通过局域网连接到云平台上，可以实现手机APP远程控制灯具，提高了灯具的智能化程度。

1  灯具外观设计

1.1  结构设计

灯具变形是指灯具的外形可以改变，提高了产品的灵活性和适应性。变形效果是通过灯罩的张开与闭合实现的，通过想象，搭建的灯具骨架如图1所示。

变形灯的机械结构包括三向节、滑动连接件、龙骨。6个吊绳连接点与吊灯上部的收线器与水晶线相连。当收线器收线时，吊绳连接点被吊起;当收线器放线时，吊绳连接点被放下，进而实现了灯具的变形。

1.1.1  三向节设计

三向节用于连接3个龙骨，并使其中两个龙骨可以在水平方向转动，同时第3个龙骨可以在竖直方向上转动。三向节可以在空间多个方向同时转动，其模型图如图2所示。

1.1.2  滑动连接件结构设计

本文设计一组两个形状相同尺寸不同的滑动连接件结构，3D模型图如图3所示。零件四周有6个均匀分布的突出，用于和支撑灯罩的6根龙骨相连接。底部的连接件固定不动，以保持灯罩主体结构的稳定性。顶部连接件可以自由的上下滑动，进而带动灯罩主体框架结构上下移动，以达到灯罩的张开和闭合的效果。

1.1.3  连接件和紧固件设计

为保证龙骨和三向节、滑动连接件之间的可靠连接，使龙骨自由转动，设计了连接固定件组合，如图4所示。图4a）中，右侧部分插入空心龙骨，而左侧圆环插入滑动连接件的突起部分，并用图4b）的紧固件加以固定。

1.1.4  收线器设计

为使整个框架实现变形，在主体框架的顶部增加电机绕线装置，模型如图5所示。零件整体呈现柱状，两个电机通过两边的通孔与绕线装置相连接。收线器的两边有两个对称的深槽，用来收线并存放吊线，中间深槽是隔离装置，为避免两股水晶线缠绕在一起。电机正转，收线器执行收线操作;电机反转，收线器执行放线操作。

利用3D打印机将上述设计模型打印出来，经过组合拼装后，构成变形灯的主体结构。控制两个步进电机收放吊绳，从而实现灯罩的张开与闭合。

1.2  角度尺寸设计

基于形式美学原则[6]，在整体尺寸设计中，设计了一些特定的角度，满足大众的审美，如图6所示。满足：7≤[LS]≤9，则角度A取值可为30°，45°，60°，从而保证了设计的美观性。灯具的主体尺寸的高和灯罩最大直径之比近似为黄金分割比0.618，同时灯罩的最小直径与灯具的高之比也近似为黄金分割比0.618。由于黄金分割比例能对人的视觉产生适度的刺激，它的长短比例正好符合人的视觉习惯，所以这种比例在造型上比较悦目，符合大众对美的要求。

2  控制电路设计

手势控制变形灯，以STM32为控制核心，包括无线WiFi模块、手势识别模块、灯光控制模块、按键控制模块，其结构框图如图7所示。

电机驱动模块的IN1～IN4分别接STM32单片机的PD0～PD3。WiFi模块与STM32单片机的串行接口PB10和PB11相连。灯光控制模块的PWM1～PWM3分别接单片机的PB0，PB1，PB5。手势控制模块与单片机的I2C接口相连。

2.1  单片机系统

单片机系统由STM32F103ZET6单片机、晶振电路、复位电路、程序下载电路等部分组成，STM32F103ZET6单片机是整个设计的控制核心。

STM32F103ZET6是意法半导体（ST）公司出品。它具有64 KB SRAM，512 KB FLASH、2个基本定时器、4个通用定时器、2个高级定时器、2个DMA 控制器（共12个通道）、3个 SPI、2个I2C、5个串口、1个USB、1个CAN、3个12位ADC、1个12位DAC、1个SDIO接口、1个FSMC接口以及112个通用I/O口。时钟频率可达[7]72 MHz。单片机最小系统电路如图8所示。

2.2  手势识别模块

目前，根据硬件实现方式不同，手势识别大概分为结构光、光飞时间和多角成像。光飞时间技术是加载一个发光元件，通过CMOS传感器来捕捉计算光子的飞行时间，根据光子飞行时间推算出光子飞行的距离，也就得到了物体的深度信息。本设计采用手势识别传感器模块ATK?PAJ7620，内部集成了光学数组式传感器，内置光源和环境光抑制滤波器集成的LED、鏡头、手势感测器，以实现复杂的手势和光标模式输出。模块自带9种手势识别，支持上、下、左、右、前、后、顺时针旋转、逆时针旋转和挥动的手势动作识别，以及支持物体接近检测等功能，具有体积小、灵敏度高、支持中断输出、兼容3.3 V/5 V系统、使用方便等特点。

PAJ7620内部自带LED驱动器，传感器感应阵列、目标信息提取阵列和手势识别阵列。模块工作时，通过内部LED驱动器，驱动红外LED向外发射红外线信号，当传感器阵列在有效的距离中探测到物体时，目标信息提取阵列会对目标进行特征原始数据的提取，将数据存入寄存器中，手势识别阵列会对原始数据进行识别处理，将手势结果存到寄存器中。最终，模块通过I2C接口将原始数据和手势识别结果发送给单片机，手势识别模块如图9所示。

2.3  WiFi模块

采用ATK_ESP8266 WiFi模块与单片机通信，同时将WiFi模块连接到云平台，实现智能终端（手机或平板）对灯具的远程控制[8]。ATK?ESP8266模块采用串口（LVTTL）与MCU（或其他串口设备）通信，内置TCP/IP协议栈，能够实现串口与WiFi之间的转换。通过ATK?ESP8266模块，传统的串口设备只是需要简单的串口配置，即可通过网络（WiFi）传输数据。模块兼容3.3 V和5 V单片机系统，支持串口转WiFi STA、串口转AP和WiFi STA + WiFi AP模式。模块实物图如图10所示。

本设计采用机智云平台GAgent，主要作用是数据转发，是设备数据、机智云、应用端（APP）的数据交互桥梁。

2.4  电机及其驱动模块

采用28BYJ?48步进电机，通过吊线的收放来实现机械结构的变化。由于单片机的管脚电压不足以驱动电机，本设计采用ULN2003模块驱动[9]，模块原理图如图11所示。

3  控制程序设计

手势变形灯的控制程序主要包括手势识别程序、WiFi通信程序、灯光颜色和亮度调节程序、电机控制程序。

3.1  手势识别程序

手势动作包括上、下、左、右、接近、远离这六个动作。手势识别传感器采集相对应的手势动作信息，并通过I2C协议将数据传给单片机。设计中使用PAJ7620内部的BANK0和BANK1寄存器。单片机对数据进行处理后，调用电机控制程序、灯光颜色和亮度调节程序。工作流程如图12所示。

3.2  WiFi通信程序

为实现灯具的远程控制，需要将WiFi模块连接到无线路由器。首先，单片机进行网络初始化，等待手机联网配置;其次，配置手机和WiFi模块的无线网络连接，并将路由器的名字和密钥发送给WiFi模块，保证WiFi模块连接到无线路由器，进而连接到云平台上，以实现网络化控制。其流程图如图13所示。

3.3  灯光颜色和亮度调节程序

PWM调光的工作原理是利用脉宽调制信号反复开关LED，进而调节LED的平均电流。本设计采用脉冲宽度调制（PWM）方式，驱动RGB LED、冷白光LED和暖白光LED灯珠，实现色温、亮度的调节和颜色的变化控制。系统需要5路PWM控制信号，其中3路PWM控制RGB LED灯珠，实现颜色的变化，剩余2路控制白光LED和暖白LED，实现色温和亮度的调节，其程序的流程图如图14所示。灯光的控制效果如图15所示。其中：图15a）～图15c）代表了不同色温下的灯具的状态;图15d）～图15f）代表了不同亮度下的灯具状态;图15g）～图15i）代表了不同颜色下的灯具状态。

3.4  电机控制程序

电机控制程序实现电机的正转与反转，电机的正反转动带动电机收线器的正反转动，从而收放吊线，进而实现灯罩按照预先设定好的角度张开和闭合，电机控制流程如图16所示。灯罩的变形效果如图17所示。其中图17a）～图17c）代表了不同照明角时的灯具的状态。

4  结  语

本文设计一种灯罩外形可变的LED吊灯，具有手势控制和手机APP控制两种控制模式。灯具主光源采用冷色调和暖色调LED灯珠，以RGB三色LED灯珠作为辅助光源，具备亮度调节、色温调节、颜色变换等功能。通过手势，控制灯罩的张开和闭合，达到调节灯具照明角的效果，具有科技炫酷感，增加了人与灯的交互性。本设计实现了灯具的智能化、情景化、网络化，在现代智能家居中具有一定的应用价值。

参考文献

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作者简介：王  宁（1985—），男，辽宁锦州人，硕士，研究方向为无线电能传输、智能照明。