CN113589739A - 非接触式控制装置及方法 - Google Patents

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白晶晶
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Abstract

本发明涉及电子控制领域，具体涉及一种非接触式控制装置及方法，实现了低成本、低功耗以及快速响应的非接触式控制，提高了控制效率的同时降低了按键带来的误操作率。本发明非接触式控制装置，包括控制模块以及多个磁敏开关，各个磁敏开关的一端分别与控制模块的不同IO口连接，另一端接地，磁敏开关采用干簧管；使用时，在非接触式控制装置设定距离内使用磁性装置沿着干簧管排列方向移动，控制模块通过手势识别算法识别出磁性装置的移动方向，根据磁性装置的移动方向完成手势采集和对应功能控制。本发明适用于非接触式控制。

Description

非接触式控制装置及方法
技术领域
本发明涉及电子控制领域，具体涉及一种非接触式控制装置及方法。
背景技术
随着万物互联大潮的到来，越来越多的物联网终端设备接入网络，这些终端存在于社会各个领域，各种场景。目前常见的终端控制手段有按键、蓝牙/WIFI等无线通信、UART/RS232/RS485串行通信、USB接口等，但在很多场景中，终端设备需要高等级防水、极低成本、长时间待机等。如果通过无线/有线通信接口来控制设备，虽然功能强大容易扩展，但是防水等级不容易提高，功耗较高，控制效率低，成本也很难控制。而采用按键虽然成本低，但容易被非工作人员误操作导致故障。
发明内容
本发明的目的是提供一种非接触式控制装置及方法，实现了低成本、低功耗以及快速响应的非接触式控制，提高了控制效率的同时降低了按键带来的误操作率。
本发明采取如下技术方案实现上述目的，非接触式控制装置，包括：控制模块以及多个磁敏开关，各个磁敏开关的一端分别与控制模块的不同IO口连接，另一端接地。
进一步的是，所述磁敏开关为干簧管。
进一步的是，所述干簧管采用等间距直线排列或矩阵式排列的方式分布在控制模块的电路板上。
非接触式控制方法，应用于上述所述的非接触式控制装置，包括：
步骤1、在非接触式控制装置设定距离内使用磁性装置沿着干簧管排列方向移动；
步骤2、控制模块通过手势识别算法识别出磁性装置的移动方向；
步骤3、根据磁性装置的移动方向完成手势采集和对应功能控制。
进一步的是，步骤2中，所述手势识别算法包括：
步骤201、控制模块读取所有与干簧管连接的IO口的高低电平值，并按照预设的顺序组合成手势参考值{y1,y2,y3,...,yn}，每一组手势参考值对应一个手势，并将手势参考值保存在控制模块内存中；
步骤202、使用时，控制模块读取所有与干簧管连接的IO口的高低电平值，并按照预设的顺序组合成手势采样值{x1,x2,x3,...,xn}保存在控制模块内存中；
步骤203、将内存中的采样值与参考值进行余弦值计算，余弦值计算公式为：
Figure BDA0003204299490000021
xi为手势采样值，yi为手势参考值，n＝2k，k为干簧管的总数量；
步骤204、根据余弦值进行判定，若余弦值大于设定阈值，则手势判定成功，并输出手势判定结果；否则手势判定失败。
进一步的是，步骤201中，控制模块按照固定时间读取所有与干簧管连接的IO口的高低电平值，并按照时间顺序进行组合。
进一步的是，步骤3中，根据识别出的移动方向完成对应功能控制包括：磁性装置沿着干簧管排列方向从左往右移动执行重启功能，磁性装置沿着干簧管排列方向从右往左移动执行唤醒功能。
本发明不再采用按键控制方式，降低了按键带来的误操作率，本发明采用磁敏开关，磁敏开关与控制模块各IO口连接，使用磁性装置沿着干簧管排列方向移动，控制模块通过手势识别算法识别出磁性装置的移动方向，并根据磁性装置的移动方向完成手势采集和对应功能控制。磁敏开关采用干簧管，成本低，控制效果好，实现了低成本、低功耗以及快速响应的非接触式控制，提高了控制效率。
附图说明
图1是本发明非接触式控制装置第一结构框图。
图2是本发明非接触式控制装置第二结构框图。
具体实施方式
本发明非接触式控制装置，包括：控制模块以及多个磁敏开关，各个磁敏开关的一端分别与控制模块的不同IO口连接，另一端接地。
磁敏开关采用干簧管。
所述干簧管采用等间距直线排列或矩阵式排列的方式分布在控制模块的电路板上。
非接触式控制方法，应用于上述所述的非接触式控制装置，包括：
步骤1、在非接触式控制装置设定距离内使用磁性装置沿着干簧管排列方向移动；
步骤2、控制模块通过手势识别算法识别出磁性装置的移动方向；
步骤3、根据磁性装置的移动方向完成手势采集和对应功能控制。
步骤2中，所述手势识别算法包括：
步骤201、控制模块读取所有与干簧管连接的IO口的高低电平值，并按照预设的顺序组合成手势参考值{y1,y2,y3,...,yn}，每一组手势参考值对应一个手势，并将手势参考值保存在控制模块内存中；
步骤202、使用时，控制模块读取所有与干簧管连接的IO口的高低电平值，并按照预设的顺序组合成手势采样值{x1,x2,x3,...,xn}保存在控制模块内存中；
步骤203、将内存中的采样值与参考值进行余弦值计算，余弦值计算公式为：
Figure BDA0003204299490000031
xi为手势采样值，yi为手势参考值，n＝2k，k为干簧管的总数量；
步骤204、根据余弦值进行判定，若余弦值大于设定阈值，则手势判定成功，并输出手势判定结果；否则手势判定失败。
步骤201中，控制模块通过固定时间读取所有与干簧管连接的IO口的高低电平值，并按照时间顺序进行组合。
步骤3中，根据识别出的移动方向完成对应功能控制包括：磁性装置沿着干簧管排列方向从左往右移动执行重启功能，磁性装置沿着干簧管排列方向从右往左移动执行唤醒功能。
图1是本发明非接触式控制装置第一结构框图，控制模块采用MCU，MCU为一种通用单片机处理器或特型SOC，在电路板上间隔一定距离设置三个干簧管，且每个干簧管分别连接到上述MCU的不同IO口上。
干簧管的排列为直线且彼此间隔在1厘米以上。
干簧管一端连接到地(VCC)，另一端连接到MCU的指定IO口，IO口需要内部拉高(拉低，如果干簧管另一端接VCC)，如果MCU不支持内部拉高(拉低)，则需要电路外部拉高(拉低)。
MCU可通过IO口/UART/I2C/SPI/USB等接口对外(其他电路或设备)输出手势检测结果。
具体连接时，可以将干簧管接入同一个IO寄存器管理下的IO口，比如P0口的P0.0,P0.1,P0.2...P0.7,这样的好处是在中断回调处理中，直接读取寄存器P0的值就能知道对应IO口的电平状态，比如P0＝0X07表示P0.1,P0.2,P0.3三个IO口为高电平，其他几个IO口为低电平，大大提升处理响应速度。
使用时，在距离非接触式控制装置一定距离内，用户手持一定磁场强度的磁铁，沿着干簧管排列方向快速移动，上述电路中的MCU通过手势识别算法识别出磁铁移动的方向，进而实现手势采集和控制，比如从左往右的晃动执行重启，从右往左的晃动执行唤醒等。
其中，MCU是通过连接单簧管的IO口触发的外部中断信号来感知磁铁运动的。MCU内部程序在中断处理函数中需要读取所有干簧管连接的IO的高低电平值，并按照预置的顺序组合成整数采样值{x1,x2,x3,...,xn}并保存在内存中。
如图1所示，电路板上与控制模块连接了3个干簧管，从左到右分别是干簧管A、干簧管B、干簧管C，干簧管A映射MCU的bit0，干簧管B映射bit1，干簧管C映射bit2，这里假定IO口内部为拉高，则默认无磁铁晃动时，采样值为二进制111，对应十进制为7。
上述ABC三个单簧管，在磁铁从A->C方向移动情况下，IO口电平对应变化规律为{111,110,101,011,111}。转换为十进制则为{7,6,5,3,7}。
在磁铁从C->A方向移动情况下，IO口电平对应变化规律为{111,011,101,110,111}。转换为十进制则为{7,3,5,6,7}。
MCU通过固定时间(比如1秒)内读取的上述IO口电平整数值，将这些数值组合为按时间顺序的整数采样数据流{x1,x2,x3,...,xn}。
一个数值32bit的MCU最多支持32个干簧管组成的直线或矩阵阵列。
在采集手势时，控制模块读取所有与干簧管连接的IO口的高低电平值，并按照预设的顺序组合成手势参考值{y1,y2,y3,...,yn}，每一组手势参考值对应一个手势，并将手势参考值保存在控制模块内存中
在判定时，将内存中的采样值与参考值进行余弦值计算，余弦值计算公式为：
Figure BDA0003204299490000041
xi为手势采样值，yi为手势参考值，n＝2k，k为干簧管的总数量；余弦值越靠近1越相似，大于阈值(比如0.7)判定成功，小于阈值判定失败。依此类推，直到所有参考数据表的记录都计算对比了一边。有判定成功则中止对比输出结果，全部判定失败则检测失败。
图2是是本发明非接触式控制装置第二结构框图，与第一结构框图不同点是，干簧管的数量为4个，其余处理方式皆相同。
本发明在安全性要求较高的应用场合，可在上述MCU电路中再添加一个磁力计传感器，对磁铁的磁场强度进行验证，只有在设定的强度内的磁铁才输出最终合法的手势结果。这样可有效防止恶意破坏，意外操作等。
磁力计在磁铁晃动造成第一个干簧管中断信号时就开始采样磁场强度，到最后采样超时结束时，对采样数值进行平均计算，在阈值范围内则认为是合法操作。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
综上所述，本发明实现了低成本、低功耗以及快速响应的非接触式控制，提高了控制效率的同时降低了按键带来的误操作率。

Claims (7)

1.非接触式控制装置，其特征在于，包括：控制模块以及多个磁敏开关，各个磁敏开关的一端分别与控制模块的不同IO口连接，另一端接地。
2.根据权利要求1所述的非接触式控制装置，其特征在于，所述磁敏开关为干簧管。
3.根据权利要求2所述的非接触式控制装置，其特征在于，所述干簧管采用等间距直线排列或矩阵式排列的方式分布在控制模块的电路板上。
4.非接触式控制方法，应用于权利要求3所述的非接触式控制装置，其特征在于，包括：
步骤1、在非接触式控制装置设定距离内使用磁性装置沿着干簧管排列方向移动；
步骤2、控制模块通过手势识别算法识别出磁性装置的移动方向；
步骤3、根据磁性装置的移动方向完成手势采集和对应功能控制。
5.根据权利要求4所述的非接触式控制方法，其特征在于，步骤2中，所述手势识别算法包括：
步骤201、控制模块读取所有与干簧管连接的IO口的高低电平值，并按照预设的顺序组合成手势参考值{y1,y2,y3,...,yn}，每一组手势参考值对应一个手势，并将手势参考值保存在控制模块内存中；
步骤202、使用时，控制模块读取所有与干簧管连接的IO口的高低电平值，并按照预设的顺序组合成手势采样值{x1,x2,x3,...,xn}保存在控制模块内存中；
步骤203、将内存中的采样值与参考值进行余弦值计算，余弦值计算公式为：
Figure FDA0003204299480000011
xi为手势采样值，yi为手势参考值，n＝2k，k为干簧管的总数量；
步骤204、根据余弦值进行判定，若余弦值大于设定阈值，则手势判定成功，并输出手势判定结果；否则手势判定失败。
6.根据权利要求5所述的非接触式控制方法，其特征在于，步骤201中，控制模块按照固定时间读取所有与干簧管连接的IO口的高低电平值，并按照时间顺序进行组合。
7.根据权利要求6所述的非接触式控制方法，其特征在于，步骤3中，根据识别出的移动方向完成对应功能控制包括：磁性装置沿着干簧管排列方向从左往右移动执行重启功能，磁性装置沿着干簧管排列方向从右往左移动执行唤醒功能。
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