Распознаем движение и жесты при помощи ПИР датчика и Arduino Nano

В этом проекте будет использоваться пироэлектрический пассивный инфракрасный датчик (ПИР), который будет управляться с Arduino и считывать движение руки. В дальнейшем, считанные данные могут быть использованы для управления различной электронной техникой.

О проекте

В этой статье, мы расскажем вам, как сделать распознаватель жестов, используя простые компоненты, такие как пассивный инфракрасный датчик движения и Arduino Nano.

В конце этой статьи вы сможете:

Писать скетчи для ПИР датчика и понимать как это работает
Запускать 8ми-пиксельный ПИР датчик, под названием TPA81
Использовать ПИР датчик, для распознавания движения и жестов, при помощи Arduino
Сделаете крутой проект, для увеличения или уменьшения громкости вашей аудиосистемы

Компоненты и материалы

1 Arduino Nano
1 TPA81 Devantech 8 Pixel Инфракрасный датчик температуры
8 ElectroPeak HC-SR505 Инфракрасный пироэлектрический датчик движения
1 ElectroPeak 0.96inch SPI 128X64 OLED Дисплейный модуль
1 Макетная плата
1 комплект джамперов мама/папа для коммутации
Arduino IDE - бесплатная программа для разработки прошивок (скетчей) на платформе ARDUINO

Пассивный инфракрасный датчик: как он работает?

Пассивный инфракрасный датчик (ПИР датчик), это электронный датчик, который измеряет уровень инфракрасного излучения в форме радиации от объектов, находящихся в его поле зрения. Такие датчики, часто используются для распознавания движения. Каждый объект, имеющий температуру выше 0 градусов, излучает энергию, выраженную в форме радиации.

Обычно, такая радиация не видна человеческому глазу, из-за инфракрасной длинны волны, но ее могут увидеть электронные устройства, разработанные для этой цели.

В этом случае, термин «пассивный» относится к тому факту, что ПИР-устройства не генерируют или не излучают энергию для целей обнаружения. Они обнаруживают инфракрасное излучение, излучаемое или отраженное от объектов. Они не обнаруживают и не измеряют тепло (источник: Википедия).

TPA81 представляет собой сборку термопар, обнаруживающих инфракрасное излучение в диапазоне от 2 до 22 мкм. Это равно длине волны инфракрасной энергии.

Для примера электрические датчики Pyro, которые обычно используются в охранных сигнализациях и для включения внешних источников света, обнаруживают инфракрасное излучение в том же диапазоне волн. Такие пироэлектрические датчики могут только обнаруживать изменение уровней тепла, следовательно, они являются детекторами движения. Хоть они и полезны в робототехнике, область их применения ограничена, так как они не могут обнаружить и измерить температуру статического источника тепла.

Другим типом датчика являются датчики, на основе массива термоэлементов. Они используются в бесконтактных инфракрасных термометрах. Такие датчики, имеют очень широкий угол обзора или поля зрения (FOV) около 100 ° и для нормальной работы им нужен или специальный чехол ограничивающий радиус обзора либо объектив, либо и чехол и объектив, для того, чтобы получить более полезный угол обзора, равный примерно 12 °. У некоторых моделей есть встроенный объектив для этой цели.

В последнее время стали доступны датчики с массивом термоэлементов, встроенной электроникой и кремниевой линзой в одном корпусе. Одним из таких датчиков является TPA81. Он имеет массив из восьми термоэлементов, расположенных в ряд. TPA81 может одновременно измерять температуру 8 соседних точек. TPA81 также может управлять сервоприводом для панорамирования модуля и создания теплового изображения. TPA81 может обнаруживать пламя свечи на расстоянии 2 метра (6 футов), никак не реагируя на окружающий свет!

Датчики ПИР, похожи про принципу действия с обычными камерами, которые могут видеть только тепло. Поэтому TPA81 можно назвать тепловизионной камерой с 8-ми пиксельным (именно пиксельным) разрешением. Если мы управляя таким датчиком с помощью контроллера, определим какое либо движение, у нас получится простой распознаватель жестов.

В этом проекте мы решили сделать распознаватель жестов, используя Arduino и PIR датчик. Но есть проблема. Если мы будем использовать в качестве ПИР, датчик TPA 81 – это получится довольно дорого, и если вы хотите сэкономить, то можете использовать связку из 8-ми обычных ПИР датчиков без белой головки (она отвечает за фокусировку).

Датчик TPA81 поддерживает протокол I2C и совместим с Arduino Nano. Этот классный проект поможет вам узнать основы обработки изображений и обнаружения жестов. Давайте сделаем это!

Схема сборки

Вы так же можете немного сэкономить, подключив 8 отдельных ПИР датчиков вместо TPA81 к Arduino. При таком способе подключения информация будет считываться отдельно с каждого датчика.

Вариант 2. Схема сборки устройства на базе 8-ми отдельных ПИР датчиков

Скетч

Скетчем в Arduino называется код, который выполняет плата, для управления нашим ПИР датчиком, или датчиками.

Для первого варианта сборки (на базе TPA81), вам нужно, добавить специальную библиотеку для работы с TPA81 и затем скопировать код в среду разработки Arduino IDE. Скачайте библиотеку для работы с TPA81 по ссылке

Для второго варианта (на базе 8-ми отдельных датчиков), вам нужно скачать библиотеку здесь

Если вы впервые работаете с платформой Arduino, не волнуйтесь, это легко! Просто выполните следующие шаги:

Зайдите на сайт Arduino и скачайте Arduino IDE под вашу версию операционной системы. Установите программу, как показано на сайте.
Запустите Arduino IDE и очистите текстовое поле для ввода, затем скопируйте следующий код в поле ввода текста.
Нажмите на вкладку Скетч > Подключить библиотеку > Добавить .ZIP-библиотеку и выберите zip-архив с библиотекой для работы с TPA81 или отдельными ПИР датчиками.
Выберите вашу версию платы Arduino в вкладке Инструменты > Плата выберите Arduino Nano.
Подсоедините Arduino к компьютеру и выберите ваш COM порт, в меню Инструменты > Порт.
Нажмите на кнопку загрузить (зеленая галочка).
Вы молодец!

#include <Wire.h>

#include <TPA81.h>

// Создаем экземпляр класса TPA81

TPA81 tpa;

void setup() {

Serial.begin(9600);

// Надо запустить работу библиотеки Wire для работы с библиотекой TPA81

Wire.begin();

}

void loop() {

// Отображаем освещенность

Serial.print(tpa.getAmbient());

Serial.print(" ");

// Отображаем все температурные точки

for (int i = 1; i <= 8; i++)

{

Serial.print(tpa.getPoint(i));

Serial.print(" ");

}

Serial.println(" ");

delay(100);

}

Показания температуры объекта перед датчиком TPA81

После загрузки скетча, откройте Монитор порта (Инструменты > Монитор порта), и посмотрите на температуры, измеренные нашим TPA81. Первое число в каждой линии показывает общую температуру окружающей среды. Теперь положите вашу руку перед датчиком, и датчик покажет температуру вашего тела. Чтобы определить перемещение вашей руки, вы должны точно знать ее температуру и установить ее как базовое значение. Мы поставили 29 градусов.

Чтобы наглядно видеть перемещение вашей руки перед датчиком, загрузите следующий код:

#include <Wire.h>

#include <TPA81.h>

// Создаем экземпляр класса TPA81

TPA81 tpa;

void setup() {

Serial.begin(9600);

// Надо запустить работу библиотеки Wire для работы с библиотекой TPA81

Wire.begin();

}

void loop() {

// Отображаем освещенность

Serial.print(tpa.getAmbient());

Serial.print(" ");

// Отображаем все температурные точки

for (int i = 1; i <= 8; i++) { if (tpa.getPoint(i)>29)

Serial.print("# ");

else

Serial.print(". ");

}

Serial.println(" ");

delay(100);

}

Наглядное отображение положения предмета перед датчиком

Мы написали алгоритм распознавания двух простейших жестов, для увеличения или уменьшения громкости музыкального проигрывателя. Вы можете скопировать код написанный ниже и попробовать его на практике.

#include <Wire.h>

#include <TPA81.h>

#include <ssd1306.h>

#include <DHT.h>

// Создаем экземпляр класса TPA81

TPA81 tpa;

#define VCCSTATE SSD1306_SWITCHCAPVCC

#define WIDTH 128

#define HEIGHT 64

#define PAGES 8

#define OLED_RST 9

#define OLED_DC 8

#define OLED_CS 10

#define SPI_MOSI 11 /* подключаем DIN пин OLED дисплея */

#define SPI_SCK 13

uint8_t oled_buf[WIDTH * HEIGHT / 8];

int gesture[8][20];

int tgesture[8];

int sum=0;

int sflag; // флаг для ожидания

int gcount;

int c;

int ex;

int vol=5;

const uint8_t v1 [] PROGMEM = {

0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x0c, 0x31, 0xc6, 0x0c, 0x61, 0x86, 0x3e, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x0c, 0x67, 0xe6, 0x0c, 0x61, 0x86, 0x3e, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x06, 0x66, 0x36, 0x0c, 0x61, 0xce, 0x30, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x06, 0x6c, 0x36, 0x0c, 0x61, 0xce, 0x30, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x06, 0x6c, 0x36, 0x0c, 0x61, 0xce, 0x3e, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x06, 0x4c, 0x36, 0x0c, 0x61, 0xb6, 0x3e, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x02, 0xcc, 0x36, 0x0c, 0x61, 0xb6, 0x30, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x03, 0xc6, 0x36, 0x06, 0x61, 0xb6, 0x30, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x03, 0x87, 0xe7, 0xe7, 0xe1, 0x86, 0x3e, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x01, 0x81, 0xc7, 0xe3, 0x81, 0x86, 0x3e, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x00, 0x18, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x00, 0x38, 0x40, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x00, 0x78, 0x70, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x00, 0xf8, 0x38, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x00, 0xf9, 0x88, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x1f, 0xf9, 0xcc, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x1f, 0xf8, 0xc4, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x1f, 0xf8, 0x66, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x1f, 0xf8, 0xc4, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x0f, 0xf9, 0x8c, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x00, 0xf8, 0x18, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x00, 0x78, 0x30, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x00, 0x38, 0x60, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x00, 0x38, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x00, 0x18, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x1f, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x3f, 0x80, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x1f, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00

};

const uint8_t v2 [] PROGMEM = {