激光飞秒手势识别算法建模及其简易导航微系统实现

怯肇乾，史继峰

(南昌职业大学 信息技术学院，南昌 330500)

0 引言

现有手势识别导航，最常见的是红外收发/分析识别，虽然经典，但距离短，通常最远只有150 mm，若作为论坛、会展、会议等演示场合应用，使用局限，不现实际；更有传统的激光笔导航，虽然简便，但需要正对接收操作，客户体验不佳；还有重大国际/国家类论坛、会展中运用的摄像识别，尽管操控便捷而且技术高大上，但价格不匪，难以拓展应用到广泛的课堂教学等寻常场景。

教学、论坛、会展、会议市场需求空间巨大，寻找和建立更为可靠、准确、高效、廉价的检测传感器和手势识别算法模型意义重大。经反复查阅和对比，最终聚焦了激光飞秒测距ToF(Time of Flight)传感器和“人工智能AI(Artificial Intelligence)深度学习自适应”算法建模，于是有了这个省厅科技项目——激光飞秒手势导航简易微系统实现。

1 激光飞秒手势识别算法建模

采用高性价比的激光飞秒测距ToF传感器，得到原始距离数据。客户体验考虑，使用3个传感器呈上、左、右布局[避免1个传感器不合常规的特定手势定义与强制学习]，以此3路距离数据组成采集数据输入。以最简洁的“人工智能AI(Artificial Intelligence)深度学习自适应”算法模型——“后向反馈神经元网络BP_NN(Back Propagation Neural Networks)”为核心，辅以“智能模糊控制”和“专家经验控制”，构成“运算处理分析”中心，最终得到并输出“手势数据信息”[1-3，18]。整个“ToF手势识别算法”模型如图1所示。BP_NN运算处理分析框架，主要由适配器和调整器构成；适配器，前向传输(Feed Forward)，逐层波浪式的传递输出值[左右、上下、前后]；调整器，逆向反馈(Back Propagation)，反向逐层调整权重和阈值，修正误差至最小。“智能模糊控制”和“专家经验控制”，进行前级“预处理”和后级“结果识别”；前级“预处理”，通过“滤波”，得到50～600 mm内的传感器“视场出入及其运动的距离和时刻数据”，并对快速移动情形完成数据插入，便利BP_NN更加有效运算；后级“结果识别”处理，即后处理，对BP_NN运算得到的左右、上下、前后数据进一步处理分析，得到左右、上下、点击等手势直接数据。借助专家经验，可以把实际操控中多数习惯的“斜上再斜下”的动作解释为前后运动的“点击”。

图1 激光飞秒手势识别算法模型框图

BP_NN框架，选用3-4-3层次，如图2所示，3个输入层，4个隐藏层，3个输出层，便于常用的Cortex-Mx/RISC-V类型的微控制器MCU (Microcontroller Unit)在软件层次上进行快速高效的实现[MCU，优势在控制，数字信号处理是弱势]。BP_NN运算，经典成熟，不再赘述相关过程的各个离散处理公式，其关键是误差计算及其对各层权值和阀值的修正，尽管已经采用最简层次框架，放在MCU上实现仍然运算繁锁、耗时、耗资源，便于MCU硬软件进一步最简化及其成本最少考虑起见，借助Mablib、Maple等的NN工具函数和仿真功能，针对实际测量数据，训练各层的权值和阀值，形成表格，缩短训练和学习时间，即采用Mablib实现适配器，MCU仅做调整器实现。环境光的变化是手势准确度的最大影响因素，从系统实用和精简方面考虑，训练4种常用光环境：夜晚、白炽灯、日光灯、太阳光，MCU系统在硬件上采用以光敏电阻-模数转换ADC(Analog-to-Digital Converter)电路进行选择识别。

图2 后向反馈神经元网络层次构成示意图

MCU在BP_NN中执行前向输出的运算公式如下，这里激励函数采用修正线性单元ReLU(Rectified Linear Unit)，其中x/h/y分别对应输入/隐藏/输出各层神经元节点，w/θ表示相应前级的权重和阀值。

2 激光飞秒手势导航微系统构造

系统由三部分组成：信号采集识别发送终端(以下简称采发终端)、手势数据收集转发终端(以下简称收转终端)和视窗展示服务软件(以下简称视窗展示软件)。短距离无线通信采用抗干扰强、传输距离大、穿墙能力强、功耗低(发射最大功耗35 mA)的远距无线LoRa通信(Long Range Radio)形式。由于系统主要工作在Windows、UOS等通用操作系统下，并且服务以优秀的微软office等办公软件，转换接口采用精简易用的WinUSB形式。终端微控制核心MCU，选用高性价比的32位的GD32F103TB(Cortex-M3内核)或GD32VF103TB(RISC-V内核)，以C语言编程实现BP_NN适配器及其TOF数据采集与LoRa、USB传输通信。视窗展示软件，以C++语言编程实现WinUSB驱动，以C++或Python语言编程实现手势随动的各个视窗切换，伴随视窗上隐含的微透明动态指示，既可完成基本的PPT幻灯选择播放，也可完成包括office(word、excel、ppt等)、acrobat(pdf电子文档)在内常用办公软件的远程切换翻页操作，更可完成涵盖办公软件在内包括eclipse、notepad等集成开发环境的远程研发演示，即3个版本：幻灯播放版、办公播控版和开发播控版[4-5，17]。完整的系统构成及其核心算法模型与语言编程实现，如图3所示，详细的微产品系统如图4演示PPT截图所示，图4还示意了产品系统化的生产测试与配置的演示软件。

图3 微系统构成及其核心技术手段示意图

图4 微产品系统应用及其测试与配置示意图

3 激光飞秒手势导航微系统设计

3.1 采集识别发送电子终端构造

3.1.1 电子电路设计

核心功能实现，以MCU片上接口——内部集成电路IIC(Inter-Integrated Circuit)挂接ToF传感器、异同步串行收发器USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter)挂接LoRa无线模块和ADC片上外设连接光敏电阻，同时以其片内实时时钟RTC(Real_Time Clock)完成ToF测距时刻记录。便携低功耗设计考虑，采用1 000～2 500 mA扁平锂电池供电，以高性价比的ETA7640芯片作为充供电管理，同时设置按钮唤醒重启电路。ToF激光发射测距和LoRa数据发送，最大功耗达100 mA，供电转换电路选用性能优良的大功率LM1117_3V3，无检测传感时必须预以关断，因而设计10 min内无动作时通过软件关闭系统，再次使用时以上述按钮唤醒重启。由于采用QFN36最小MCU封装，此类MCU无VB电池待机/休眠管理脚，则控制关断时直接切断LM117供电电路。电源开关选用P沟通MOS场效应管PDN304P。ToF传感器2.8 V供电时性能最佳，选用XC6206P28MR为其集群独立供电，3.3 V与2.8 V之间的IIC总线采用N沟通MOS场效应管2N7002过渡。模块化电路设计，MCU与ToF传感器及其唤醒按钮构成小顶板，大底板携带锂电池及其充供电路，并背附LoRa无线通信模块。一大一小两板在两侧通过“信号排针”连通[5，11，17]。终端平面大小不超过锂电池大小35 mm×50 mm，包括锂电池在内整体厚度控制在8 mm内，“胸针”或“别针”形式，供胸前佩带，充分体现“便携”。选用透明热缩管外封，既时尚大方又可免去昂贵的模具设制费用。识别模块设计最大持续工作时间不低于8h@1 000 mA，总体重量控制在250 gf内。电路原理及其整体外观造型如图5所示。

图5 采发终端电路原理及其整体造型示意图

3.1.2 软件体系构造及其编制

稳定高效设计及其开发考虑，基于MCU寄存器和多中断处理机制，构造嵌入式软件应用体系，这里采用项目主持人的发明专利——ARM/RISC-V系列微控制处理器软件架构工具，快速得到包括启动代码、系统时钟变换配置、片内接口/外设驱动程序、中断分配及其处理程序、多任务调度程序等的基本框架代码，直接在此基础上展开填空式的功能代码设计。

3.1.2.1 TOF测距及其BP_NN手势识别

TOF测距，采用意法半的VL53L0X模块，需要两级驱动，一级驱动IIC传输完成数据读写，二级驱动，移植相应的应用程序接口API(Application Programming Interface)，配合模块内嵌算法处理得到最终距离数据。采用两个中断处理完成核心操作：IIC中断和距离获取事件中断，优先级最高，仅次任务调度的时钟节拍中断。两级中断的使用，把单次测距时间提升了18 ms内(厂家提供的最小值为22 ms)。

中断处理IIC操作，效率最优，但时序节点把握要求苛刻，特别是单字节的读操作，很难驾驭，常常因此造成系统停滞，多采用通用输入输出GPIO(General-Purpose Input/Output)模拟实现，软件架构工具得到的IIC驱动程序，很好解决了这个问题[19-21]。核心的底层IIC驱动程序流程如图6所示。

图6 IIC中断收发驱动程序流程图

关键的单字节读取IIC操控时序如图7所示，先写指定寄存器地址，再从中读出数据。

图7 恰当的片内IIC驱动程序流程图

距离获取事件中断，设置任务启动标识，处理程序在滤波插值、BP_NN适配输出、手势识别3个顺序任务中实现，首先是滤波插值，依据专家经验，只取连续(最大时间间隔100 ms)有效手势距离(110～550 mm内)构成原始数据队列(长度30内)，且每个传感器应用至少3个数据，数量不足按照进出计量场的数据变化规律插入，然后是BP_NN适配和手势识别[8-9，19-21]，核心的处理函数代码如下：

char vldDtLgth = 0, vldDtFlg = 0, lstGst =‘z’; // 有效数据数量、标识、上次手势值

VL53L0X_RangingPoint vldDt[30] = {0}; // 有效数据存储

unsigned int lstTs = 0; // 最近测量活动时间记录

void tof_bpnn_process(char maxNum) { // ToF数据分析处理[传感器最大数量]

uint8_t i, m; unsigned short v; unsigned int ts;

VL53L0X_RangingMeasurementData_t msData[maxNum];

for(i=0; i

if(((alarm_flag>>i)&1) 1) { alarm_flag &= ～(1 << i);

VL53L0X_GetRangingMeasurementData(&vl53l0x_dev[i], &msData[i]); // 获取测量距离

msData[i].TimeStamp = RTC_GetCounter();

ts = msData[i].TimeStamp;

v = msData[i].RangeMilliMeter;

if((v>110)&&(v<550)) {

if((vldDtLgth 0)&&(vldDtFlg 0)) {

vldDt[vldDtLgth].dvcNum = i;

vldDt[vldDtLgth].TimeStamp = msData[i].TimeStamp;

vldDt[vldDtLgth].RangeMilliMeter = msData[i].RangeMilliMeter;

vldDtLgth += 1; lstTs = ts; vldDtFlg = 1;

if((optFlg>>1)&1)

printf("**%d-%d: %4dmm,%8d; ",vldDtLgth, i, v, ts);

}

else {

if(((ts-lstTs)<10)&&(vldDtLgth<30)&&(vldDtFlg 1)) {

vldDt[vldDtLgth].dvcNum = i;

vldDt[vldDtLgth].TimeStamp = msData[i].TimeStamp;

vldDt[vldDtLgth].RangeMilliMeter = msData[i].RangeMilliMeter;

vldDtLgth += 1; lstTs = ts;

if((optFlg>>1)&1)

printf("**%d-%d: %4dmm,%8d; ",vldDtLgth, i, v, ts);

}

else vldDtFlg = 2;

}

}

VL53L0X_ClearInterruptMask(&vl53l0x_dev[i],0); // 清除VL53L0X中断标志位

}

}

if((vldDtFlg 1)&&((RTC_GetCounter()-lstTs)>53)) vldDtFlg = 2;

if(vldDtFlg 2) { // 手势分析识别

VL53L0X_DtSetInterpolation (); // 插值

VL53L0X_BpNnAdepter(); // BP_NN适配输出

VL53L0X_gestureRecognition(); // 手势识别

if(gestureFlg) { // Lora外传

printf(" gesture:%d ", m);

gesture[5] = m | 0x30;

USART1_SendData(gesture, 6);

}

}

}

3.1.2.2 LoRa配置及其有效数据无线发送

配置包括LoRa地址、通道、升级通信速率，并进入易用的透明传输方式，需要反复写入验证特别耗时，仅做一次即可，无需每次启动时都执行，设计快速启动运行，运行中需要修改时通过UART串口或USB接口通信实现，尽管耗时，却一劳永逸，相关操控函数代码如下：

void Lora2G4_smpInit(void) { // Lora2G4模块快速常规初始化

PIO_DataOutput(0, 5, 1); // 设置进入连续透传工作模式

PIO_DataOutput(0, 6, 0);

PIO_DataOutput(0, 7, 0);

while(PIO_DataInput(0, 4) 0); // 等待模块有效

}

void Lora2G4_vInit(void) { // Lora2G4模块配置初始化

unsigned char i, b[15] = {0};

unsigned char a[6] = { 0xC0, // 工作模式: 参数掉电保存

{0x30, 0x31}, 0x28, 0x03, 0x04 }; // 地址, 波特率, 通道号,透传/功耗

inFlshByteRead(0, AddrChnl, 3); // Lora地址通道号

a[1] = AddrChnl[0]; a[2] = AddrChnl[1]; // Lora地址通道号

a[4] = AddrChnl[2];

PIO_DataOutput(0, 5, 1); // 设置模块进入配置模式

PIO_DataOutput(0, 6, 1);

PIO_DataOutput(0, 7, 1);

while(PIO_DataInput(0, 4) 0); // 等待模块有效

do { // 配置参数及其验证

Delay(300); USART1_SendData(a, 6); // 发送配置参数

Delay(300); b[0] = b[1] = b[2] = 0xC1; // 验证配置

USART1_SendData(b, 3);

Delay(100); i = USART1_QueueRcvData(b);

}while((b[0]!=a[0]) || (b[1]!=a[1]) || (b[2]!=a[2]) || (b[3]!=a[3]) ||

(b[4]!=a[4]) || (b[5]!=a[5]) || (i!=6) );

PIO_DataOutput(0, 6, 0); // 设置进入连续透传模式

PIO_DataOutput(0, 7, 0);

USART1_CR1 &= ～6; // USART波特率调整: 禁止收发

USART1_BRR = 0x00000138; // 波特率115200

USART1_CR1 |= 6; // 收发使能

while(PIO_DataInput(0, 4) 0); // 等待模块有效

}

void USART0_Process(void) // USART0数据收发处理

{ unsigned int status = USART0_SR;

if(status&15) return; // 异常处理: 校验错, 帧错, 噪声, 溢出

else if((status>>5)&1) // 数据接收(环形队列存放, 队列满则抛掉)

{ status = Usart0RcvPrt + 1;

if(status>Usart0QueueLth) status = 0;

if(status!=Usart0AppPrt) { status = USART0_DR;

switch(Usart0RcvFlg) {

case 0: if(status '*') Usart0RcvFlg += 1; break;

case 1: if(status ' ') Usart0RcvFlg += 1;

else Usart0RcvFlg = 0; break;

case 2: case 3: case 4: Usart0RcvFlg += 1; break;

default: break;

}

Usart0RcvQueue[Usart0RcvPrt++] = status;

if(Usart0RcvPrt>=Usart0QueueLth) Usart0RcvPrt = 0;

}

else USART0_DR;

}

}

3.2 接收转换传输电子终端构造

3.2.1 电子电路设计

收转终端，USART串口无线LoRa接收，通用串行总线USB(Universal Serial Bus )“二传”并供电，采用MCU片内外设——USB2.0全速模块[5-8][10-12]，电路原理及其正反面mini造型如图8所示。

图8 收转终端原理及其正反面mini造型图

3.2.2 软件体系构造及其编制

仍然采用项目主持人的发明专利——ARM/RISC-V系列微控制处理器软件架构工具，快速得到基本框架代码(包括USB驱动程序)，在此基础上展开填空式的功能代码设计。采用USART中断和USB中断进行LoRa无线透传信息接收和USB收发通信，中断里接收，相应任务中分析处理[17，22]。

LoRa手势信息接收，在中断处理程序中设置环形队列高效接收识别，相应任务中转包调用USB发送任务上传，关键程序代码如下：

int USART1_QueueRcvData(unsigned char *Data) // 环形队列中断数据接收

{ int i = 0;

USART1_CR1 |= 1 << 2; // 使能启动接收

if(Usart1AppPrt

{ do { i++;

*Data++ = Usart1RcvQueue[Usart1AppPrt++];

} while(Usart1AppPrt!=Usart1RcvPrt);

}

else if(Usart1AppPrt>Usart1RcvPrt) // 队列反向增长数据接收

{ do

{ *Data++ = Usart1RcvQueue[Usart1AppPrt++]; i++;

if(Usart1AppPrt Usart1QueueLth) Usart1AppPrt = 0;

} while(Usart1AppPrt!=Usart1RcvPrt);

}

return i; // 返回数据接收量

}

void USART1_Process(void) // USART1数据收发处理

{ unsigned int status = USART1_SR;

if(status&15) return; // 异常处理: 校验错, 帧错, 噪声

if((status>>5)&1) // 数据接收(环形队列存放,满则抛掉)

{ status = Usart1RcvPrt + 1;

if(status>Usart1QueueLth) status = 0;

if(status!=Usart1AppPrt) {

status = USART1_DR;

switch(Usart1RcvFlg) {

case 0: if(status '*') Usart1RcvFlg += 1; break;

case 1: if(status '&') Usart1RcvFlg += 1;

else Usart1RcvFlg = 0; break;

case 2: if(status '^') Usart1RcvFlg += 1;

else Usart1RcvFlg = 0; break;

case 3: if(status ' ') Usart1RcvFlg += 1;

else Usart1RcvFlg = 0; break;

case 4: if(status '@') Usart1RcvFlg += 1;

else Usart1RcvFlg = 0; break;

case 5: Usart1RcvFlg += 1; break;

default: break;

}

Usart1RcvQueue[Usart1RcvPrt++] = status;

if(Usart1RcvPrt>=Usart1QueueLth) Usart1RcvPrt = 0;

}

else USART1_DR;

}

}

while(1) {

m = DrvUSB_EpRead(2, tmp, 6); // USB接收数据处理

if(m 0) {

DrvUSB_EpWrite(1, tmp, 5); // 通过USB上传

if((tmp[0] '*')&&(tmp[1] ' ')) { // Lora地址通道号变更

AddrChnl[0] = tmp[2] & 0x0F;

AddrChnl[1] = tmp[3] & 0x0F;

AddrChnl[2] = tmp[4] & 0x0F;

inFlshPageErase(); // 闪存记录修正

inFlshByteWrite(0, AddrChnl, 3);

USART1_CR1 &= ～6; // USART波特率调整

USART1_BRR = 0x00000E98; // 波特率9600

USART1_CR1 |= 6;

Lora2G4_vInit(); // Lora重新初始化

}

}

if(Usart1RcvFlg 6) { // Lora收到有效数据

m = USART1_QueueRcvData(tmp);

Usart1RcvFlg = 0;

if(m 6) DrvUSB_EpWrite(1, tmp, 6); // 通过USB上传

}

}

USB收发传输，不以传统的人机接口设备HID(Human Interface Device)/配合主机USART转USB做“借尸还魂”，直接采用高效的WinUSB格式，增加特定的操作系统描述、兼容ID特征描述和设备接口GUID描述符，并对收发任务函数做超时处理以避免程序阻塞，主要程序代码如下：

const unsigned char OsDscrptStr[] = // 操作系统描述字符串

{ USBStrDscrpt_Lth(8), 3,

USBStrDscrpt_Uncd('M'), USBStrDscrpt_Uncd('S'),

USBStrDscrpt_Uncd('F'), USBStrDscrpt_Uncd('T'),

USBStrDscrpt_Uncd('1'), USBStrDscrpt_Uncd('0'),

USBStrDscrpt_Uncd('0'), USBStrDscrpt_Uncd(1)

};

const CptbIdDscrpt cptbIdDscrpt = // 兼容ID特征描述符

{0x28, 0x100, 4, 1, // dwLength, bcdVersion, wIndex, wCount

{0, 0, 0, 0, 0, 0, 0}, // Reserved[7]

0, 1, // bFirstInterfaceNumber, RESERVED

{'W', 'I', 'N', 'U', 'S', 'B', 0, 0}, // compactiableID[8]

{0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0}, // subCompactiableID[8]

{0, 0, 0, 0, 0, 0} // Reserved[6]

};

const ItfcGuidDscrpt itfcGuidDscrpt = // 设备接口GUID描述符

{ 0x8E, 0x100, 5, 1, // dwTotalSize, bcdVersion, wIndex, wCount

0x84, 1, 0x28, // dwSize, dwPropertyDataType, wPropertyNameLength

USBStrDscrpt_Uncd('DeviceInterfaceGUID'), // bProperytName

0x4E, // dwPropertyDataLength

USBStrDscrpt_Uncd('{12345678-1234-1344-1234-12345678ABCD}0') // bPropertyData

};

// 单缓端点数据发送(查询激发中断发出), 参数: 端点号1-7, 预发数据, 数量, 返回[0-正确/-1超时]

char DrvUSB_EpWrite(char EpNum, unsigned char* data, unsigned int counts) {

unsigned int i; short sz;

if(EpNum 1) sz = CfgDscrpts.EpIn1.wMaxPcktSz;

while(counts) { i = 0;

do { i++;

if(i>maxTmOut) return 0xFF; // 超时退出

} while((EpDtSts>>EpNum)&1); // 时机查询: 等待USBD空闲

if(counts>sz) // 超过最大包尺寸的发送

{ USBD_BasicWrite(EpNum, 0, data, sz);

data += sz; counts -= sz;

}

else // 最大包尺寸内的发送

{ USBD_BasicWrite(EpNum, 0, data, counts);

counts = 0;

}

EpDtSts |= 1 << EpNum; // 标识需要数据发送

}

return 0;

}

// 端点数据接收, 参数: 端点号1-7, 预发数据, 数量, 返回[0-正确/-1超时]

char DrvUSB_EpRead(char EpNum, unsigned char* data, unsigned int counts) {

unsigned int i; RcvPt = data;

while(counts) { i = 0;

do { i++;

if(i>maxTmOut) return 0xFF; // 超时退出

} while(!((EpDtSts>>EpNum)&1)); // 等待USB数据到来

counts -= RcvCnt;

EpDtSts &= ～(1 << EpNum); // 标识已经取得USBD收到数据

}

return 0;

}

3.3 WinUSB接收及其视窗展示控制实现

3.3.1 WinUSB驱动及其数据接收实现

针对常规Windows、UOS操作系统应用，直接调用Win7以上内嵌的WinUSB.dll动态库实现，主要是操控句柄的开关和接收监听，采用两个定时器分别开关线程实现收转USB终端的即插即用和动态接收监听。只要底层嵌入式应用软件中添加特定描述支持，Windows就可以自动识其为WinUSB设备，上层可视化测试/应用程序就可以通过WinUSB.dll与其进行USB数据传输通信。这样， USB设备的数据采集、监视控制、配置参数、软件刷新等编程操控，就同传统的“RS-232C通信”一样了，无需USB转串口作硬软件转接，而且速度快、实时性强，直截了当[6][10-15]。相关关键代码如下：

HANDLE hDeviceHandle = INVALID_HANDLE_VALUE; // 设备文件句柄

WINUSB_INTERFACE_HANDLE hWinUSBHandle // WinUSB操作句柄

= INVALID_HANDLE_VALUE;

OVERLAPPED overlapped; // 异步收发缓存结构变量

BOOL flgWinUSB = false; // WinUSB设备存在与否[true存在]

char thrdStt = 0; // 线程建立标识状态[0-无/1-建]

void __fastcall TfmShow::SystemInit(void) { // 系统初始化

static const GUID stm32F1xxDvcItfc = { 0x12345678, 0x1234, 0x1344,

{ 0x12, 0x34, 0x12, 0x34, 0x56, 0x78, 0x9A, 0xBC } };

GUID guidDeviceInterface = stm32F1xxDvcItfc;

BOOL bResult = TRUE; AnsiString str;

bResult = GetDeviceHandle(guidDeviceInterface, &hDeviceHandle);

if (!bResult) { inOutTmr->Enabled = true;

sttFlg->Font->Color = clGray; return;

}

bResult = GetWinUSBHandle(hDeviceHandle, &hWinUSBHandle);

if (!bResult) { inOutTmr->Enabled = true;

sttFlg->Font->Color = clGray; return;

}

flgWinUSB = true; // 设备已经正常寻址到

inOutTmr->Enabled = false;

sttFlg->Font->Color = clRed;

if(thrdStt 0) { // 启动并运行线程

rcvThrdDt = new rcvThrd(true, imgDrct,

sttFlg, spcTmr, inOutTmr); thrdStt = 1;

}

rcvThrdDt->FreeOnTerminate = true;

rcvThrdDt->Resume(); UINT timeout = 100; // 最大传输时间[ms]

bResult = WinUsb_SetPipePolicy(hWinUSBHandle,

0x81, PIPE_TRANSFER_TIMEOUT, sizeof(timeout), &timeout);

if(!bResult)

{ str = "设置超时错误:"; str += GetLastError();

ShowMessage(str); return;

}

ZeroMemory(&overlapped, sizeof(overlapped));

overlapped.hEvent = CreateEvent(NULL, TRUE, FALSE, NULL);

}

void __fastcall rcvThrd::RcvDt()

{ if(hWinUSBHandle INVALID_HANDLE_VALUE) return;

ULONG cbRead = 0; UCHAR szBffr[20] = {'0'}; AnsiString str;

BOOL bResult = WinUsb_ReadPipe(hWinUSBHandle, 0x81,

szBffr, 15, &cbRead, &overlapped);

if(bResult) { const char* t = szBffr; str = t; windowChange(str); }

else if(ERROR_IO_PENDING GetLastError())

{ bResult = WinUsb_GetOverlappedResult(hWinUSBHandle,

&overlapped, &cbRead, true);

if(NULL != cbRead)

{ int m = cbRead; cbRead = 0;

if(bResult)

{ const char* d = szBffr; str = d;

char i = 0; windowChange(str);

}

}

}

else if(22 GetLastError()) inOutTmr->Enabled = true; // 设备拨出

}

3.3.2 视窗动态展现及其控制软件编制

开发之初，设想用通用流行的Python语言开发，拟用PyUSB、Kivy/Tkinter、python-pptx/word/excel/acrobat，PyKeyboard/PyMouse等库，深入之后发现这些库多是用C++开发打包的，多是针对WinAPI的包，而且不新、不全面，作为解释语言也没有编译语言C++运行效率高，与其特制一些把C++库弥补Python应用，倒不如与底层合二为一，直接嵌入其监听线物程中实现，更为经典直接，于是回到了C++开发实现。这里选用Enbarcadero的RadStudio开发环境，主要是两类窗口：引导窗口和展示窗口。引导窗口，小视野透明暗标动态图文指示，控制展示窗口切换和翻页。展示窗口，展示常规办公软件和特定开发软件的窗口，主要通过调用Windows视窗变换和键盘模拟操控API函数实现[6][10-15]。核心程序函数代码如下：

BOOL SetTopWindow(HWND hWnd) { // 设置窗口到最顶层[参数:窗口句柄]

HWND hForeWnd = GetForegroundWindow();

DWORD dwForeID = GetWindowThreadProcessId(hForeWnd, NULL);

DWORD dwCurID = GetCurrentThreadId();

AttachThreadInput(dwCurID, dwForeID, TRUE);

ShowWindow(hWnd, SW_MAXIMIZE);

SetWindowPos(hWnd, HWND_TOPMOST, 0, 0, 0, 0, SWP_NOSIZE | SWP_NOMOVE);

SetWindowPos(hWnd, HWND_NOTOPMOST, 0, 0, 0, 0, SWP_NOSIZE | SWP_NOMOVE);

SetForegroundWindow(hWnd);

AttachThreadInput(dwCurID, dwForeID, FALSE); return TRUE;

}

窗口随动变换展示的程序流程图如图9所示。

图9 窗口随动变换展示的程序流程图

4 产品系统化测试及其配置考虑

生产出厂测试，输出指示原始的手势分析结果和通信通道的畅通性，配置LoRa无线通信地址、通道及其是否输出原始测距数据。设计有专用的可视化USB软件，完成手势分析原始数据的即时查看和LoRa无线通信配置。同时底层采发终端还支持使用USB串口助手查看手势分析原始数据、原始测距数据详细查看和LoRa无线通信配置[6-8]。专用可视化USB软件和USB串口助手操控界面，如图10～11所示。

图10 专用可视化USB软件实现的测试与配置示意图

图11 USB串口助手实现的测试与配置示意图

要做到这些，终端软件中需要添加相应支持，采发终端中相关的典型实现函数代码如下：

void Lora2G4_chgCfg(void) { // Lora地址通道变更/系统打印信息[配合USART0接收中断]

unsigned char tmp[10] = {0}, m;

if(Usart0RcvFlg 5) { // 收到有效数据

m = USART0_QueueRcvData(tmp);

Usart0RcvFlg = 0;

if(m 5) {

if(tmp[2]<0x41) { // Lora地址通道变更

AddrChnl[0] = tmp[2] & 15;

AddrChnl[1] = tmp[3] & 15;

AddrChnl[2] = tmp[4] & 15;

inFlshPageErase(); // 闪存记录修正

inFlshByteWrite(0, AddrChnl, 3);

USART1_CR1 &= ～6; // USART波特率调整

USART1_BRR = 0x00000E98; // 波特率9600

USART1_CR1 |= 6;

Lora2G4_vInit(); // Lora重新初始化

}

else { // 系统输出指示信息变更

if(((optFlg>>1)&1) 0) optFlg |= 1 <<1; // 详细

else optFlg &= ～(1 << 1);

}

}

}

}

5 产品系统的应用统计分析

激光手指飞行导航简易微系统，试销以后，以极高的性价比，满足了各类学校、企业、酒店、机关、场所的寻常应用需要，内外循环行销，市场前景颇佳，紧接着就围绕微型化和低功耗设计又推出了二代产品。另外，顶板即主板，还作为独立的ToF手势或雷达测距测向模块，单独出售，填补远距离手势导航和低成本雷达测距测向领域的空白。

6 结束语

激光手指飞行导航简易微系统，麻雀虽小，五脏俱全，以神经元深度学习自适应人工智能手势识别核心算法数学处理模型为中心，既涵盖了数电/模电/射电在内的低功耗微型电子电路设计，也包括了嵌入式C语言应用软件设计、C++驱动程序设计和C++/Python动态视窗切换技术，通用流行的局部长距离无线通信和各类局部总线接口技术一应俱全，既是可探索开发项目的过程研发，也产生了可测试生产行销的产品系统。在此基础上，加大深度学习自适应人工智能算法处理，实现鼠标功能的“远距离移动飞鼠”，将有望成为可能，“学研”应用颠覆突破，意义重大，拭目以待，为期不远。