家用电器智能体感操控技术简介

陈建伟

（广东海信家电有限公司，广东佛山 528333）

家用电器智能体感操控技术简介

陈建伟

（广东海信家电有限公司，广东佛山 528333）

本文介绍了一种家用电器上使用的智能体感操控技术，该技术是基于光学原理，通过光学隔离结构、红外线发射二极管、红外线接收感应器，以及红外开关控制基板等组成一个综合控制系统，可实现对家用电器非接触方式的智能体感操控，并已经在吸油烟机产品上实现该技术的开发与应用。

家用电器 体感操控 手势控制 滤光结构 红外线感应控制

1 前言

经常下厨的人都知道，在烹饪过程中，双手往往需要频繁地与食物进行接触，因此保持手部的卫生变得尤其重要。在炒菜过程中，根据灶具火力、食材，以及烹饪手法的不同，用户时常需要用手去触碰吸油烟机，以达到调节吸油烟机吸排效果或照明灯亮度的目的。由于目前市场上所有的烟机操控基本都需要人手与产品相接触，因此，用户每次在调节吸油烟机时，经常需要通过洗手或擦手的方式来保持双手的干净卫生，每一次洗手不仅是过程繁琐，而且还是对水资源和时间的浪费，不利于节能环保。

本研究的设计初衷是为了解决这一不良的用户体验，最终研究的成果是使得用户可以在不接触产品的前提下，实现对产品的操作控制，且该技术的应用可不仅仅局限于吸油烟机类，在其他家用电器，甚至是设备、机器上，均可得到科学、合理地应用。

2 当前家用电器控制方式分析

目前市场上的家用电器控制方式主要分为四种：触摸控制、轻触按键控制、琴键开关控制、遥控开关控制等。其中触摸按键和遥控开关成本较高，科技感较强，一般用于中高端产品。轻触按键价格适中，但结构较为复杂，一般是在中端产品上使用。琴键开关成本低廉，结构安全可靠，适合在低端的产品上使用。而这四种控制方式无一例外，在使用过程中，均需要人体与产品发生直接的接触，无法实现产品非接触方式的体感操控。

3 体感操控设计原理

图1 总体控制逻辑原理图

图2 红外收发电路图

本非接触式的智能体感操控方案，主要是利用红外信号收发电路、光学隔离装置，以及手势识别运算等核心技术，通过对人手或运动物体在红外信号收发电路前方的运动过程产生的光信号变化，触发红外传感器，控制系统通过对手势或物体运动轨迹识别运算后，对信号进行判断，从而给产品下发控制指令，以便达到操控产品或机器的目的。以下是各个主要设计模块的概述。

3.1 红外信号收发电路设计原理

本红外信号收发电路，其主要模块依次包括辅助电源、红外发射电路、驱动电路、控制电路和红外接收电路等，其总体控制逻辑原理如图一所示。其中红外线接收和发射电路均具有数量一致的红外线收发器，且红外线发射和接收器一一对应。

红外线发射器通过限流电阻与辅助电源串联，每个红外线接收器均通过一组运算放大器和控制电路连接，每个红外线接收器的阴极与运算放大器的反相输入端连接，红外线接收器的阳极与运算放大器的同相输入端连接，每个运算放大器的反相输入端和输出端分别连接一个反馈放大电阻的两端，每个运算放大器的输出端还连接至控制电路。每个运算放大器的反相输入端和输出端还分别连接一个滤波电容的两端。通过不同IO口的连接，控制电路实现与各个运算放大器的输出端和驱动电路三者之间的通讯，其电路图如图二所示。

完成上述设计后，可依靠红外线发射和接收电路对外部人体手势或物体的运动进行识别，从而达到通过红外线感应对产品进行控制的目的，最终实现人机非接触式的体感操控。

3.2 光学隔离结构设计

由于本研究是基于红外线控制原理，对红外线光的收发检测是逻辑控制开关的触发源，因此如何避免日常生活中的其他光线对控制系统的干扰和影响成为了该研究的核心技术难点之一，为此手势控制系统的光学隔离结构设计变得尤为重要。为了解决该问题，本研究将光学隔离结构分为两大模块：滤光结构模块和隔光结构模块。

3.2.1 滤光结构模块

图3 滤光结构示意图

图4 控制盒剖面示意图

出于过滤其他干扰光线的考虑，红外线收发器（即红外线传感器）在使用过程中需要搭配有滤光装置，较为常见的红外线滤光装置是在产品控制开关的面板位置开孔，然后将红外线滤光片镶嵌在面板开孔内，这种传统的做法工艺复杂、密封困难、成本较高，且对产品外观和表面具有一定的破坏性。

为此本研究提出了一种新的滤光结构，其结构主要包括透明或半透明丝印的面板和透红外光线的滤光层。滤光层设计结构位于红外线收发器（即控制盒）和面板之间，其结构方案如图三所示，该滤光层的材料可以是只能透红外光线的油墨涂层、膜片、玻璃或塑料材质的滤光片等。通过该滤光层，可以对进入开关控制盒的光线进行选择性过滤，确保红外线收发器接收到的光线为红外光。本新结构的主要特点在于滤光层能有效地紧贴在面板和控制盒之间，可大大降低了滤光装置由于结构配合间隙所产生的漫反射对其灵敏度的影响，从而提高信号接收与判断的灵敏度和准确性。

3.2.2 隔光结构模块

上文所述的滤光结构主要是解决了外部因素对系统的影响，除此之外，红外线控制系统还可能受到来自系统自身内部的干扰。一方面，由于家电产品内部往往带有很多指示灯、显示屏幕等光源，另一方面，红外线收发电路上的各组红外线传感器，它们在工作过程中需要频繁地收发红外线，这两方面是影响整个控制系统稳定性的主要内部因素。为此，本研究提出了一种独立分隔式控制盒隔光结构，可保证各组红外线传感器在工作过程中，相互之间不会产生影响，同时也可以有效防止内部光源对红外线传感器的影响。

独立分隔式控制盒的隔光结构主要是在控制盒上，针对各个红外线传感器设计独立的格位，通过每一个半封闭的独立格位对各个传感器和外部光源进行阻隔，并由各个格位给每一组红外线传感器制造出相互独立的导光通道，以便保证系统内部不产生相互干扰，其结构如图4所示。

4 操控方式简要说明

该智能体感操控在应用过程中，首先需要对人体手势或物体运动的轨迹进行定义，通过红外线传感器对已经下好定义的人体手势或物体运动轨迹进行判断，并将传感器采集到的控制信号反馈到控制电路中，控制电路根据已经汇编好逻辑程序的控制信号对产品施以指令，进而实现对产品进行操控。

人体手势或物体运动的轨迹可以有多种定义方式，比如本研究在吸油烟机产品上应用时，就根据产品操控需求和人机交互界面设计原理定义了以下几种操控指令：（1）当人手在红外线传感器电源通断控制组正前方悬停2秒时，定义为产品开机或关机指令，可实现产品的开机或关机功能；（2）在产品开机状态下，当人手在红外线传感器电机调速控制组正前方向左或向右挥动时，定义为吸油烟机排风档位的增加或减小，可实现对吸油烟机排风量大小的调节；（3）当人手在红外线传感器照明灯通断控制组正前方悬停2秒时，定义为照明灯打开或关闭指令，可实现照明灯的开关功能。为不影响红外线开关的灵敏度和信号判定，人手在产品控制界面正前方的悬停或挥动时，要求距离红外线传感器（或面板）的安全距离为1～5cm。

5 结语

通过本智能体感操控技术的研究和应用，为家用电器产品提出了一种新的控制方式，不仅科技感十足，而且具有很强的实用价值。实现了家用电器产品的非接触式操控，其智能独特、轻松便捷的操控方式能更好地提高用户体验。经过在家用吸油烟机产品上的应用，其安全性和稳定性均已经得到验证，整体设计方案科学可行。

［1］陈永甫，主编.红外探测与控制电路.2004.

［2］机械工程手册编辑委员会 主编.机械工程师手册，1995.