張昊 徐萌 孟永哲 王巖 朱文印

（1.青島海爾智慧廚房電器有限公司，266100 山東青島；2.數字化家電國家重點實驗室，266100 山東青島；3.海爾智家股份有限公司，266100 山東青島；4.青島國創(chuàng)智能家電研究院有限公司，266101 山東青島；5.數字家庭網絡國家工程研究中心，266101 山東青島）

智能交互系統作為現代家庭的一部分，通過自動化和智能化的技術，提供了更加便捷、舒適和安全的居住環(huán)境[1]。傳統的智能交互系統需要通過遙控器、手機或語音識別等方式進行操作，但這些方式無法滿足所有家電使用場景，比如廚房電器跨界式油煙機在多種場景下使用，無接觸式手勢識別智能交互系統能夠創(chuàng)新性地解決廚房電器多場景的使用問題?；谑謩葑R別的智能交互系統通過識別用戶的手勢指令，可以實現更加直觀、自然的交互方式[2]。本文旨在設計、實現和應用一種基于手勢識別的智能交互系統，以提高用戶的使用體驗。本文以深入用戶體驗，解決用戶痛點出發(fā)，創(chuàng)新性地提出一種無接觸式、多功能、智能化手勢識別交互系統設計方案，主導該方案中關鍵節(jié)點比如硬件設計、軟件開發(fā)、功能測試并通過該系統成功實現廚房電器無接觸式手勢控制。

1 智能交互系統硬件設計

1.1 嵌入式處理器

嵌入式處理器是系統的核心處理單元，負責圖像數據的處理和手勢識別算法的運算[3]。這種處理器通常具有較高的計算能力和低功耗特性。它可以集成在攝像頭或者模塊中，或者作為獨立的處理器單元連接到攝像頭模塊。ES7P7021F4SD 是一款基于高性能哈佛型RISC CPU 內核的ES7P7021 系列的8 位的微控制器，它的程序存儲器為2KWords FLash，64Words數據Flash 存儲器，128Bytes SRAM 數據存儲器；支持13 個I/O 口和1 個輸入，內部集成高頻16 MHz RC 振蕩時鐘源，ES7P7021F4SD 原理圖如圖1 所示。

圖1 ES7P7021F4SD 原理圖

1.2 手勢接收模塊

手勢接收模塊是基于手勢識別的智能交互系統的關鍵組件之一。它通常采用高性能的IR333C-A 紅外發(fā)射器和W0038NL-2-M1-W25 紅外接收器，能夠捕捉用戶手勢信息[4]。攝像頭模塊應該具備適當的視野范圍和角度，以確保能夠準確捕捉到用戶的手勢動作[5]。本設計選用 IR333C-A、W0038NL-2-M1-W25 傳感器。它可以實現7 種基本手勢動作識別，包括上下揮動、左右揮動、懸停、連續(xù)多次揮動等手勢動作，SPTCN-938-Haier 懸停手勢模塊原理圖如圖2 所示。

圖2 SPTCN-938-Haier 手勢模塊原理圖

1.3 顯示模塊

設計使用型號以ET6144Q 為處理器核心的UI 顯示器來顯示傳感器捕捉到的手勢，根據UI 顯示器中UI 變化可以判斷所輸入的指令的正確性，實現系統控制模塊，根據手勢識別結果決定對交互設備的控制操作。利用選定的藍牙通信模塊與家居設備進行通信，發(fā)送控制指令和接收設備狀態(tài)反饋。確保控制和通信的穩(wěn)定性、安全性和實時性，ET6144Q 控制核心UI 顯示器原理圖如圖3 所示。

圖3 ET6144Q 控制核心UI 顯示器原理圖

1.4 驅動模塊

本設計采用型號為R7F100GBG2DFP 主控芯片搭配SSCU2L8 驅動芯片實現控制信號輸入和終端負載控制，同時設計開關電源、硬件保護、軟件電流檢測、顯示通信電路外圍集成電路實現家用電器無線控制，R7F100GBG2DFP 主控芯片和SSCU2L8 驅動芯片如圖4、5 所示。

圖4 R7F100GBG2DFP 主控芯片圖

圖5 SSCU2L8 驅動芯片圖

2 智能交互系統軟件設計

本系統的軟件部分主要通過系統初始化、顯示器顯示、手勢識別、驅動芯片控制來實現。采用基于深度學習的卷積神經網絡（CNN）手勢識別算法。設計一個合適的模型結構，并使用大規(guī)模的手勢樣本數據進行模型訓練。通過數據增強技術、模型壓縮和量化等方法優(yōu)化算法，以提高準確性和實時性[6]，軟件設計流程圖如圖6 所示。

圖6 軟件設計流程圖

3 結束語

本文介紹了一種基于手勢識別的智能交互系統的設計、實現和應用。通過采用計算機視覺和機器學習技術，系統能夠準確識別用戶的手勢指令，并實現智能交互設備的自動化控制。實驗結果表明，該系統具有較高的識別準確性和實時性，用戶對其交互方式和控制效果普遍滿意。未來的研究可以進一步改進手勢識別算法，提高系統的性能和穩(wěn)定性，以及擴展系統的應用場景和功能。