摘要：窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，簡稱NB-IoT，正成為當(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的研究熱點(diǎn)。該文基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一套遠(yuǎn)程手勢識別系統(tǒng)。系統(tǒng)采用PAJ7620傳感器采集手勢數(shù)據(jù)，以STM32L433作為主控芯片，M5311模組作為NB-IoT通信模塊。系統(tǒng)通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)連接至中國移動(dòng)OneNET云平臺，從而使用戶可以在PC端遠(yuǎn)程查看終端設(shè)備采集的手勢信息。文章給出了系統(tǒng)總框架設(shè)計(jì)，以及詳細(xì)的硬件模塊和軟件流程設(shè)計(jì)。經(jīng)過測試驗(yàn)證，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地識別出不同手勢動(dòng)作并實(shí)時(shí)將對應(yīng)數(shù)據(jù)上傳至云平臺。整套系統(tǒng)支持距離廣，操作靈活，可靠性高，適合用于特定人群進(jìn)行簡單信息發(fā)送或發(fā)出警報(bào)信號。

關(guān)鍵詞：NB-IoT;手勢識別;OneNET云平臺

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）35-0185-03

1 背景

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow-Band Internet of Things，NB-IoT）技術(shù)，以其低成本、低功耗、廣覆蓋、多連接和高可靠性等特點(diǎn)，正成為新一代物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)發(fā)展的主流趨勢。與ZigBee，藍(lán)牙等無線通信技術(shù)相比，NB-IoT技術(shù)基于現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，其通信覆蓋范圍得到了極大的拓展。在接入NB網(wǎng)絡(luò)后，移動(dòng)設(shè)備的通信距離可達(dá)10km以上。采用基于NB-IoT的CoAP協(xié)議與LwM2M協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)云平臺間的互聯(lián)通信，方便用戶遠(yuǎn)程對終端進(jìn)行監(jiān)控管理、實(shí)時(shí)控制，以及開發(fā)第三方應(yīng)用程序?；贜B-IoT技術(shù)所研發(fā)的智能家電、智慧儀表，可穿戴設(shè)備等嵌入式產(chǎn)品擁有著廣闊的市場空間[1-2]。

本文基于NB-IoT技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套遠(yuǎn)程手勢識別系統(tǒng)。當(dāng)下所流行的手勢識別系統(tǒng)通過將手勢動(dòng)作轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信號，與系統(tǒng)中預(yù)設(shè)的圖像模式進(jìn)行匹配，從而識別不同動(dòng)作。這打破了傳統(tǒng)的觸摸屏和物理按鍵對于人機(jī)交互界面的限制，為越來越多的智能設(shè)備所使用[3]。但普通的手勢識別設(shè)備通信距離有限，特別在野外等環(huán)境下，終端設(shè)備不能快速地實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層間的通信。本文所設(shè)計(jì)的手勢識別系統(tǒng)充分利用了NB-IoT技術(shù)覆蓋距離廣的優(yōu)勢。在系統(tǒng)通過NB網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)云平臺連接后，終端使用者通過簡單的手勢動(dòng)作就能向云端管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)送不同信息。這項(xiàng)設(shè)計(jì)對使用者的語言和文字理解能力要求較低。在NB網(wǎng)絡(luò)通信的支持下.系統(tǒng)可以很好地應(yīng)用于特定人群在戶外進(jìn)行報(bào)警或簡單數(shù)據(jù)信息的發(fā)送。

2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程手勢識別系統(tǒng)，由手勢識別層，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)層以及云端服務(wù)層組成，系統(tǒng)總框架如圖1所示。手勢識別層主要分為手勢識別模塊、系統(tǒng)主控模塊和NB-IoT通信模塊。手勢識別模塊利用光學(xué)傳感器采集不同的手勢數(shù)據(jù);系統(tǒng)主控模塊讀取采集得到的手勢數(shù)據(jù)并控制NB-IoT通信模塊發(fā)送相關(guān)信息;NB-IoT模塊根據(jù)主控模塊的指令將數(shù)據(jù)發(fā)送至NB-IoT網(wǎng)絡(luò)層中;NB-IoT網(wǎng)絡(luò)層主要由運(yùn)營商現(xiàn)有的基站網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，其根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)中已設(shè)置好的目標(biāo)地址的信息，將前端所采集得到的數(shù)據(jù)發(fā)送至云端服務(wù)層;云端服務(wù)層采用中國移動(dòng)推出的物聯(lián)網(wǎng)云平臺OneNET，在此網(wǎng)絡(luò)平臺上可以實(shí)時(shí)瀏覽前端設(shè)備所上報(bào)的手勢信息。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)主控模塊

系統(tǒng)主控模塊采用STM32L433RCT6作為主控芯片。該芯片是由意法半導(dǎo)體公司推出的面向低功耗需求的STM32L4系列MCU之一。芯片內(nèi)部集成了先進(jìn)的低功耗模擬電路，可在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)根據(jù)不同的應(yīng)用需求來適時(shí)調(diào)整電壓以實(shí)現(xiàn)功耗的動(dòng)態(tài)平衡。STM32L4系列芯片在動(dòng)態(tài)運(yùn)行模式下功耗可低至36uA/MHz，而在RTC打開的超低功耗模式下功耗可降至200nA[4]?？紤]到本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)多數(shù)時(shí)間應(yīng)用于戶外，續(xù)航能力是其關(guān)鍵指標(biāo)。因此，采用具有超低功耗并同時(shí)能保持高性能的STM32L4系列芯片作為主控模塊MCU。

主控模塊負(fù)責(zé)前端傳感器與通信模組的操作控制及數(shù)據(jù)處理，是整個(gè)系統(tǒng)硬件的核心部分。主控模塊通過模擬I2C引腳對手勢識別模塊進(jìn)行初始化配置，在產(chǎn)生手勢識別中斷后，主控模塊通過讀取傳感器芯片相應(yīng)地址的數(shù)據(jù)得到具體的手勢動(dòng)作信息;同時(shí)，主控模塊通過串口與NB通信模塊進(jìn)行連接。根據(jù)特定的AT指令集，主控模塊向NB模塊發(fā)送復(fù)位、聯(lián)網(wǎng)、登錄平臺等操作指令，在成功與云平臺連接后再通過NB模塊實(shí)時(shí)向平臺上報(bào)數(shù)據(jù)。

3.2手勢識別模塊

手勢識別模塊采用PAJ7620作為手勢識別芯片。PAJ7620是由原相科技公司推出的光學(xué)手勢識別傳感器芯片。芯片在工作時(shí)通過內(nèi)部的LED，向外發(fā)射紅外線信號。當(dāng)在有效距離內(nèi)探測到手勢動(dòng)作時(shí)，芯片中的識別陣列會(huì)對從探測目標(biāo)上獲取的特征原始數(shù)據(jù)進(jìn)行識別處理。根據(jù)傳感器內(nèi)置的手勢識別，芯片可判斷上下左右等九種不同的手部姿勢動(dòng)作。傳感器內(nèi)置了光源和環(huán)境光抑制濾波器，能夠在黑暗環(huán)境下工作同時(shí)也能在強(qiáng)光環(huán)境下抑制外部干擾[5]。

手勢識別模塊工作電路如圖2所示[6]。手勢識別模塊通過I2C接口與主控模塊進(jìn)行通信，模塊接收主控芯片發(fā)送的數(shù)據(jù)從而完成傳感器的喚醒與初始化配置，而傳感器在識別到手勢數(shù)據(jù)后通過相應(yīng)引腳對主控模塊進(jìn)行喚醒，從而使系統(tǒng)退出低功耗模式，完成手勢動(dòng)作信息的讀取。

3.3 NB-IoT通信模塊

NB-IoT通信模塊核心采用中移物聯(lián)網(wǎng)公司推出的M5311模組。M5311具有高性能，低功耗等特點(diǎn)，模組尺寸僅18mm x16mm x 2.2mm，Idle狀態(tài)下耗流為400uA。M5311模組支持LwM2M、HTTP、MQTT以及CoAP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)與OneNET云平臺的直連[7]。

M5311工作電路設(shè)計(jì)如圖3所示。模組通過UART接口接收主控模塊發(fā)送的AT指令，再基于特定的物聯(lián)網(wǎng)SIM卡與系統(tǒng)天線向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送信息，完成NB網(wǎng)絡(luò)的接入以及云平臺的登錄，數(shù)據(jù)上報(bào)等操作。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。在系統(tǒng)上電后，主程序首先對系統(tǒng)時(shí)鐘以及串口等通信接口進(jìn)行初始化。系統(tǒng)通過定義的模擬I2C引腳，對PAJ7620傳感器發(fā)出喚醒指令并寫入傳感器芯片初始化配置數(shù)據(jù)，使芯片工作在手勢檢測模式。

在手勢傳感器配置完成后，主程序通過串口發(fā)送AT指令對M5311 NB-IoT模組進(jìn)行復(fù)位以及入網(wǎng)連接。在接入NB網(wǎng)絡(luò)后，程序首先創(chuàng)建OneNET通信實(shí)體。由于系統(tǒng)采用LwM2M協(xié)議作為與OneNET平臺進(jìn)行通信的應(yīng)用層協(xié)議，因此，程序基于LwM2M協(xié)議規(guī)范對所要實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程手勢識別應(yīng)用進(jìn)行Ob-ject對象與Instance實(shí)例的添加以及相應(yīng)資源屬性的配置[8]。在添加完畢后，模組發(fā)起OneNET平臺登錄請求，根據(jù)平臺返回的登錄結(jié)果，判斷是否成功登錄。若登錄失敗或超時(shí)，則嘗試重新連接平臺;若登錄成功，則程序上報(bào)特定信息，表示設(shè)備初始化完成并成功注冊連接至平臺。之后，終端等待一段時(shí)間無檢測到手勢則進(jìn)入低功耗模式，在保證續(xù)航能力的同時(shí)，監(jiān)測是否有捕捉到外部手勢動(dòng)作。

在感應(yīng)到手勢動(dòng)作后，傳感器通過外部中斷喚醒CPU。系統(tǒng)退出低功耗模式后，訪問PAJ7620相應(yīng)寄存器，判斷手勢動(dòng)作。若識別數(shù)據(jù)有效，則將手勢動(dòng)作對應(yīng)的字符通過NB模組上報(bào)OneNET平臺。此時(shí)，遠(yuǎn)程用戶通過訪問云平臺便可即時(shí)獲取系統(tǒng)終端所捕捉的手勢動(dòng)作信息。動(dòng)作信息上報(bào)完畢，系統(tǒng)定時(shí)等待是否有識別到新的手勢動(dòng)作并繼續(xù)上報(bào)至平臺;若定時(shí)時(shí)間內(nèi)不產(chǎn)生新信息，則系統(tǒng)再次進(jìn)入低功耗模式。

5 測試驗(yàn)證

系統(tǒng)向OneNET云平臺上報(bào)數(shù)據(jù)信息的顯示界面如圖5所示。系統(tǒng)在上電登錄云平臺后，發(fā)送硬件初始化完成并成功連接平臺的信息，隨后等待約半分鐘時(shí)間，無檢測到手勢則進(jìn)入低功耗模式。在間隔一段時(shí)間后，設(shè)備使用者通過手勢喚醒系統(tǒng)，系統(tǒng)退出低功耗模式，并上報(bào)對應(yīng)手勢數(shù)據(jù)。之后，每間隔數(shù)秒，使用者以不同手勢進(jìn)行測試，系統(tǒng)均可識別出不同手勢信息并上報(bào)至平臺。系統(tǒng)在定時(shí)時(shí)間內(nèi)未識別到新手勢信息，則再次進(jìn)入到低功耗模式，等待喚醒。

6 結(jié)束語

從測試驗(yàn)證的結(jié)果看出，系統(tǒng)可以通過手勢動(dòng)作從低功耗模式中被喚醒，并將對應(yīng)數(shù)據(jù)上傳至云平臺，符合系統(tǒng)預(yù)期設(shè)計(jì)的目標(biāo)。借助于NB網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)云平臺的連接，手勢識別系統(tǒng)的通信距離得到了很大拓展。設(shè)備使用者即使身處戶外，通過簡單的手勢就可向云端平臺發(fā)送信息;而管理者直接在PC端登錄平臺，就可對終端設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。整套系統(tǒng)覆蓋范圍廣，操作簡單，靈活性高，為特定人群在戶外環(huán)境進(jìn)行簡單訊息或報(bào)警信號的發(fā)送提供了便利，具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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[7]中移物聯(lián)網(wǎng).M5311_產(chǎn)品手冊[EB/OL].[2019]. http：//iot.10086.cn/chipmodule/read/id/501.

[8]蔡友宏.基于NB-IoT和OneNet云平臺的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（24）：51-52.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】

收稿日期：2019-10-19

作者簡介：曹飛寒（1991-），男，江蘇宜興人，助教，碩士，研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)。