使用手勢控制系統

在平板電腦和智慧型手機的幫助下，人們普遍有了使用手勢控制電子裝置的概念。手指向內收合等動作現在幾乎是縮小螢幕上物件的直覺操作；使用兩根以上手指滑動，可在圖片或應用程式間切換。人們現在對這些簡單的動作似乎已經習以為常。

手勢介面不僅已成為日常必用的操控方式，現在更逐漸邁入其他科技領域。汽車應用將此視為重要技術，以便駕駛控制汽車功能，而無需將注意力從路面狀況轉移。通常這類手勢介面都是儀表板互動顯示器的附屬項目。手勢介面的關鍵優勢在於，不需要使用複雜的視覺顯示器。裝置上的有聲訊息或燈光設定變化，可作為手勢辨識成功及狀態改變的訊號。因此，對於物聯網 (IoT) 中用來提供環境智能的裝置而言，手勢介面將非常實用。

智慧型手機通常能對使用之手指數量的改變做出回應，相較之下，無圖形化介面的裝置，其適用的手勢則相對簡單。這些相對簡易的介面通常是依據整隻手的動作來操作。在感測器面板前方向上揮動，就可命令室內控制系統開啟燈光。水平揮動即可命令暖氣控制裝置向上或向下調整溫度。單指快速撥動一下即可切換至不同功能，或命令娛樂系統切換至下一個曲目。

手勢的含意可依據感測器面板所處的模式而改變，且可搭配簡單的 LED 信號器圖示或語音訊息，告知使用者目前所使用的模式。IoT 基礎架構的優勢之一在於，網路連接室內眾多系統，因此感測器面板能控制多種功能。感測器面板可整合到平板電腦、壁掛式控制裝置或揚聲器等其他電子裝置。許多裝置有可能跟 IoT 系統協作，在室內不同地方提供便利的控制功能。

偵測手勢動作的方法很多，其中包括攝影機和接近感測器。然而在 IoT 應用中，成本是重要的考量因素。基於攝影機的解決方案須搭配複雜的軟體來處理影像，但可提供高靈活性，並可辨識多種不同的手勢。

電場感測器的成本較低且操作更簡單。此感測器使用 AC 驅動型電極，在物體表面上投射電場。選擇頻率以將電磁鐵的磁分量減至最小，並形成一個準靜態電氣近場，當手部等導電體移入此近場範圍時，會對近場產生干擾。

圖 1：標準型及增強型感測器提供的感測範圍。

使用者手部位於感測範圍內時，通過手部的場力線將透過使用者身體分流至地面，導致整體電場變形。此效應會將靠近手部的電極訊號位準降低至較低位準，而感測器陣列會偵測此情況。手部四處移動時，陣列的不同部分會感測動作，將電位的變化傳遞給控制器 IC，如 Microchip Technology 的 MGC3x30 GestIC。

圖 2：GestIC MGC3030 方塊圖。

GestIC 的介面最多可連接五個接收電極和一個發射器。接收與發射電極可由任何導電材料製成，例如銅網或銦錫氧化物 (ITO)。電極之間可使用任何非導電材料提供絕緣，包括 PCB FR4、玻璃或塑膠。電極頂端的選配覆蓋層也必須不導電。發射電極放置在接收電子元件陣列的下方。

此設計可選擇使用標準型或增強型感測器。標準型適用於接地性較弱、通常以電池供電的小型裝置。增強型感測器使用較高的發射電壓，適用於較大型且具有接地的裝置，包括需要較大辨識範圍的裝置。使用標準感測器配置時，接地可提供更大的辨識範圍，通常高達 100 mm，而電池供電式的非接地裝置則僅有 50 mm。感測器形狀可近似方形或圓形，但長寬比不超過 1:3。

GestIC 硬體可辨識人類手部的電氣質量中心，並可在該點於感測器範圍內移動時進行追蹤。使用者手部的 XY 位置會由四個感測器電極進行感測。第五個連接可當作按鈕或中央電極，用來辨識簡單的「按鈕碰觸」手勢。

為了簡化系統整合作業，GestIC 裝置含有專屬的手勢處理韌體，儲存在內部快閃記憶體中。此韌體包含 Colibri Suite 數位訊號處理 (DSP) 演算法。此演算法以隱馬可夫模型 (hidden Markov model) 為基礎，可執行趨近偵測、位置追蹤以及手勢辨識等功能。此外也可透過訊息式介面將狀態更新傳輸到主機微控制器 (MCU)，也有用來處理韌體更新的功能。

MCU 和 MGC3X30 之間的通訊可透過 I²C 相容的雙線序列介面達到。如此一來，MCU 就可讀取感測器資料，並將控制訊息傳送到晶片。具有一個位址引腳，可選擇位於相同匯流排上最多兩個 MGC3X30 元件。GestIC 韌體以 5 ms 的預設速率更新感測器讀數，每次都會更新序列埠訊息緩衝區，並將傳輸狀態 (TS) 列拉低，以指出有新的讀數。

主機可設定若干執行階段參數，包括 GestIC 裝置預期能偵測的手勢類型。Set_Runtime_Parameter 的 0xA2 命令採用位元遮罩來濾除不想要的手勢類型。停用某些手勢有助於提升其他手勢的辨識機率，進而改善簡易控制介面的可用性。GestIC 能辨識沿著直角座標軸的撥動手勢，以及順時鐘或逆時鐘方向的畫圓手勢。

圖 3：GestIC 解決方案可辨識手勢類型和潛力用途。

手部在感測器感測範圍內移動時，GestIC 韌體可進一步提供手部的位置更新資訊，並隨著手勢更新進行輸出。更多資訊包括由納入第五個電極和 AirWheel 資料所輔助的觸控事件。AirWheel 的運作方式類似於舊型可攜式音樂播放器的滾輪，不同點在於手勢改成在裝置表面上執行。

為方便工程師針對主機 MCU 開發軟體，Microchip 開發了一套 C 語言架構 API，並有參考碼的支援。此 API 能夠處理的功能包括：操控訊息緩衝區、將訊息位元遮罩解碼成 C 語言結構，以及進行事件處理。這些功能讓主機 MCU 脫離低階協定及其計時限制。為協助設計，提供第二套軟體 Aurea，可在 Windows 架構 PC 上執行。此軟體可解譯 GestIC 傳送的訊息，並以視覺方式呈現手勢和位置資料。透過 Aurea，開發人員就能將感測參數及佈局進行最佳化，為目標應用提供最佳支援。開發套件提供 I²C USB 橋接器，可為感測器及軟體開發提供原型支援。

結論

MGC3x30 GestIC 結合了以電場感測為基礎的低成本硬體，以及軟體工具和韌體組成的支援基礎架構，因此能有效地在多種 IoT 裝置中打造直覺介面。