基于NB-IoT的远程手势识别系统

摘要：窄带物联网技术，简称NB-IoT，正成为当下物联网通信技术的研究热点。该文基于窄带物联网技术设计了一套远程手势识别系统。系统采用PAJ7620传感器采集手势数据，以STM32L433作为主控芯片，M5311模组作为NB-IoT通信模块。系统通过NB-IoT网络连接至中国移动OneNET云平台，从而使用户可以在PC端远程查看终端设备采集的手势信息。文章给出了系统总框架设计，以及详细的硬件模块和软件流程设计。经过测试验证，系统可以准确地识别出不同手势动作并实时将对应数据上传至云平台。整套系统支持距离广，操作灵活，可靠性高，适合用于特定人群进行简单信息发送或发出警报信号。

关键词：NB-IoT;手势识别;OneNET云平台

中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）35-0185-03

1 背景

窄带物联网（Narrow-Band Internet of Things，NB-IoT）技术，以其低成本、低功耗、广覆盖、多连接和高可靠性等特点，正成为新一代物联网通信技术发展的主流趋势。与ZigBee，蓝牙等无线通信技术相比，NB-IoT技术基于现有的蜂窝网络，其通信覆盖范围得到了极大的拓展。在接入NB网络后，移动设备的通信距离可达10km以上。采用基于NB-IoT的CoAP协议与LwM2M协议，可实现终端设备与网络云平台间的互联通信，方便用户远程对终端进行监控管理、实时控制，以及开发第三方应用程序。基于NB-IoT技术所研发的智能家电、智慧仪表，可穿戴设备等嵌入式产品拥有着广阔的市场空间[1-2]。

本文基于NB-IoT技术，设计了一套远程手势识别系统。当下所流行的手势识别系统通过将手势动作转化为数据信号，与系统中预设的图像模式进行匹配，从而识别不同动作。这打破了传统的触摸屏和物理按键对于人机交互界面的限制，为越来越多的智能设备所使用[3]。但普通的手势识别设备通信距离有限，特别在野外等环境下，终端设备不能快速地实现与网络服务层间的通信。本文所设计的手势识别系统充分利用了NB-IoT技术覆盖距离广的优势。在系统通过NB网络与物联网云平台连接后，终端使用者通过简单的手势动作就能向云端管理系统实时发送不同信息。这项设计对使用者的语言和文字理解能力要求较低。在NB网络通信的支持下.系统可以很好地应用于特定人群在户外进行报警或简单数据信息的发送。

2 系统框架设计

本文所设计的远程手势识别系统，由手势识别层，NB-IoT网络层以及云端服务层组成，系统总框架如图1所示。手势识别层主要分为手势识别模块、系统主控模块和NB-IoT通信模块。手势识别模块利用光学传感器采集不同的手势数据;系统主控模块读取采集得到的手势数据并控制NB-IoT通信模块发送相关信息;NB-IoT模块根据主控模块的指令将数据发送至NB-IoT网络层中;NB-IoT網络层主要由运营商现有的基站网络构成，其根据发送数据中已设置好的目标地址的信息，将前端所采集得到的数据发送至云端服务层;云端服务层采用中国移动推出的物联网云平台OneNET，在此网络平台上可以实时浏览前端设备所上报的手势信息。

3 系统硬件设计

3.1系统主控模块

系统主控模块采用STM32L433RCT6作为主控芯片。该芯片是由意法半导体公司推出的面向低功耗需求的STM32L4系列MCU之一。芯片内部集成了先进的低功耗模拟电路，可在系统运行时根据不同的应用需求来适时调整电压以实现功耗的动态平衡。STM32L4系列芯片在动态运行模式下功耗可低至36uA/MHz，而在RTC打开的超低功耗模式下功耗可降至200nA[4]。考虑到本文所设计的系统多数时间应用于户外，续航能力是其关键指标。因此，采用具有超低功耗并同时能保持高性能的STM32L4系列芯片作为主控模块MCU。

主控模块负责前端传感器与通信模组的操作控制及数据处理，是整个系统硬件的核心部分。主控模块通过模拟I2C引脚对手势识别模块进行初始化配置，在产生手势识别中断后，主控模块通过读取传感器芯片相应地址的数据得到具体的手势动作信息;同时，主控模块通过串口与NB通信模块进行连接。根据特定的AT指令集，主控模块向NB模块发送复位、联网、登录平台等操作指令，在成功与云平台连接后再通过NB模块实时向平台上报数据。

3.2手势识别模块

手势识别模块采用PAJ7620作为手势识别芯片。PAJ7620是由原相科技公司推出的光学手势识别传感器芯片。芯片在工作时通过内部的LED，向外发射红外线信号。当在有效距离内探测到手势动作时，芯片中的识别阵列会对从探测目标上获取的特征原始数据进行识别处理。根据传感器内置的手势识别，芯片可判断上下左右等九种不同的手部姿势动作。传感器内置了光源和环境光抑制滤波器，能够在黑暗环境下工作同时也能在强光环境下抑制外部干扰[5]。

手势识别模块工作电路如图2所示[6]。手势识别模块通过I2C接口与主控模块进行通信，模块接收主控芯片发送的数据从而完成传感器的唤醒与初始化配置，而传感器在识别到手势数据后通过相应引脚对主控模块进行唤醒，从而使系统退出低功耗模式，完成手势动作信息的读取。

3.3 NB-IoT通信模块

NB-IoT通信模块核心采用中移物联网公司推出的M5311模组。M5311具有高性能，低功耗等特点，模组尺寸仅18mm x16mm x 2.2mm，Idle状态下耗流为400uA。M5311模组支持LwM2M、HTTP、MQTT以及CoAP等网络协议，可实现与OneNET云平台的直连[7]。

M5311工作电路设计如图3所示。模组通过UART接口接收主控模块发送的AT指令，再基于特定的物联网SIM卡与系统天线向网络层发送信息，完成NB网络的接入以及云平台的登录，数据上报等操作。

4 系统软件设计

系统软件设计流程如图4所示。在系统上电后，主程序首先对系统时钟以及串口等通信接口进行初始化。系统通过定义的模拟I2C引脚，对PAJ7620传感器发出唤醒指令并写入传感器芯片初始化配置数据，使芯片工作在手势检测模式。

在手势传感器配置完成后，主程序通过串口发送AT指令对M5311 NB-IoT模组进行复位以及入网连接。在接入NB网络后，程序首先创建OneNET通信实体。由于系统采用LwM2M协议作为与OneNET平台进行通信的应用层协议，因此，程序基于LwM2M协议规范对所要实现的远程手势识别应用进行Ob-ject对象与Instance实例的添加以及相应资源属性的配置[8]。在添加完毕后，模组发起OneNET平台登录请求，根据平台返回的登录结果，判断是否成功登录。若登录失败或超时，则尝试重新连接平台;若登录成功，则程序上报特定信息，表示设备初始化完成并成功注册连接至平台。之后，终端等待一段时间无检测到手势则进入低功耗模式，在保证续航能力的同时，监测是否有捕捉到外部手势动作。

在感应到手势动作后，传感器通过外部中断唤醒CPU。系统退出低功耗模式后，访问PAJ7620相应寄存器，判断手势动作。若识别数据有效，则将手势动作对应的字符通过NB模组上报OneNET平台。此时，远程用户通过访问云平台便可即时获取系统终端所捕捉的手势动作信息。动作信息上报完毕，系统定时等待是否有识别到新的手势动作并继续上报至平台;若定时时间内不产生新信息，则系统再次进入低功耗模式。

5 测试验证

系統向OneNET云平台上报数据信息的显示界面如图5所示。系统在上电登录云平台后，发送硬件初始化完成并成功连接平台的信息，随后等待约半分钟时间，无检测到手势则进入低功耗模式。在间隔一段时间后，设备使用者通过手势唤醒系统，系统退出低功耗模式，并上报对应手势数据。之后，每间隔数秒，使用者以不同手势进行测试，系统均可识别出不同手势信息并上报至平台。系统在定时时间内未识别到新手势信息，则再次进入到低功耗模式，等待唤醒。

6 结束语

从测试验证的结果看出，系统可以通过手势动作从低功耗模式中被唤醒，并将对应数据上传至云平台，符合系统预期设计的目标。借助于NB网络与物联网云平台的连接，手势识别系统的通信距离得到了很大拓展。设备使用者即使身处户外，通过简单的手势就可向云端平台发送信息;而管理者直接在PC端登录平台，就可对终端设备进行远程监控。整套系统覆盖范围广，操作简单，灵活性高，为特定人群在户外环境进行简单讯息或报警信号的发送提供了便利，具有很好的应用前景。

参考文献：

[1]解运洲.NB-IoT标准体系演进与物联网行业发展[J].物联网学报，2018， 2（1）：76-87.

[2]Abdulkadir Karaagac， Enri Dalipi， Pieter Crombez.et al.Light-weight streaming protocol for the Intemet of MultimediaThings： Voice streaming over NB-IoT[J]. Pervasive and MobileComputing， 2019（59）.

[3]袁博，查晨东.手势识别技术发展现状与展望[J].科学技术创新，2018（32）：95-96.

[4]STMicroelectronics. STM32L4系列Conex-M超低功耗微控制器[EB/OL].[2019].https：//www.stmcu.com.cn/Product/pro_de-tail/cat_code/STM32L4/family/81/sub_family/131/layout/prod-uct.

[5]牛作东，李捍东.基于STM32的手势识别控制器的设计[J].电子测试，2019（6）：20-21， 17.

[6]正点原子.ATK-PAJ7620_V1.2[EB/OL].（2017）[2019].http：//www.openedv.com/thread-233690-1-1.html.

[7]中移物联网.M5311_产品手册[EB/OL].[2019]. http：//iot.10086.cn/chipmodule/read/id/501.

[8]蔡友宏.基于NB-IoT和OneNet云平台的环境监测系统[J].电子技术与软件工程，2018（24）：51-52.

【通联编辑：谢媛媛】

收稿日期：2019-10-19

作者简介：曹飞寒（1991-），男，江苏宜兴人，助教，硕士，研究方向为嵌入式技术。