中心論題：

• 手勢識別的控製原理
• 係統描述
• 硬件描述
• 軟件描述
• 單片機硬件初始化、數據采集、動作檢測
• 演示終端

解決方案：

• 利用三軸加速度的值來判定對物體運動預定義的六種姿勢
• 係統由CT-298單片機、 MM-2860加速度傳感器、演示終端三個部分組成

　　
引言
手機、MP3播放器、硬盤播放器、數碼相機、PDA等設備都是通過導航鍵對其進行控製的。目前比較流行的導航鍵控製方式有四維鍵
、搖杆
，這是最常見的兩種導航鍵
，此外還有一些手機上有很新穎的導航鍵設計
，例如：LG-KG70的滾軸鍵

、LG-KE608的轉盤設計
、索愛W830的觸摸式、多普達D802的de飛fei梭suo滾gun輪lun等deng等deng。這zhe裏li，我wo們men用yong加jia速su度du傳chuan感gan器qi設she計ji一yi種zhong看kan不bu見jian的de導dao航hang鍵jian來lai代dai替ti四si維wei鍵jian的de功gong能neng
，這zhe種zhong方fang案an更geng能neng滿man足zu消xiao費fei者zhe的de好hao奇qi心xin，滿man足zu消xiao費fei者zhe追zhui逐zhu時shi尚shang的de需xu求qiu。
　　
手勢識別的控製原理
本係統利用三軸加速度的值來判定對物體運動預定義的六種姿勢。首先，分別對三個軸采樣，每個軸各獲得50個數據


；然後，分別對每個軸上的數據進行處理來判定是否發生了預定義的動作。動作定義在下麵的部分說明，這裏僅用Y軸來說明判定的原理。
　　
獲得Y軸上的50個數據存放到數組y_data[N]中，將這50個數求和取平均值。若y_data[N]中數據最大值與最小值之差在一個設定的閾值之內
，則認為物體在Y軸向上是沒有動作的、靜止的


，此時更新y_init值為y_data[N]求得的平均值；否則，y_data[N]中數據最大值與最小值之差超出一個設定的閾值，則認為物體是運動的，y_init值不變，仍然為上一次靜止狀態時的值。
　　
圖1和圖2是Y軸分別向左
、向右搖動時采樣得到的加速度抽樣值y_data[N]。圖中紅線代表上一次靜止時的采樣值，藍線代表運動時的采樣值。圖1為向左搖動時的值
，可以明顯看出加速度的值較靜止時有明顯的變化
，向著增大的方向變。 

　　　
從圖1和圖2中(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)
，兩(liang)條(tiao)黑(hei)線(xian)之(zhi)間(jian)的(de)數(shu)據(ju)很(hen)難(nan)斷(duan)定(ding)是(shi)哪(na)個(ge)動(dong)作(zuo)產(chan)生(sheng)的(de)，因(yin)為(wei)兩(liang)個(ge)動(dong)作(zuo)都(dou)可(ke)能(neng)產(chan)生(sheng)這(zhe)樣(yang)的(de)值(zhi)。所(suo)以(yi)，利(li)用(yong)黑(hei)線(xian)之(zhi)外(wai)的(de)數(shu)據(ju)來(lai)判(pan)定(ding)是(shi)向(xiang)右(you)還(hai)是(shi)向(xiang)左(zuo)搖(yao)。因(yin)為(wei)對(dui)於(yu)這(zhe)兩(liang)個(ge)動(dong)作(zuo)，黑(hei)線(xian)之(zhi)外(wai)的(de)數(shu)據(ju)有(you)明(ming)顯(xian)的(de)差(cha)異(yi)，數(shu)據(ju)相(xiang)差(cha)很(hen)多(duo)。對(dui)於(yu)圖(tu)1這些數據大於150
，圖2中這些數據小於90。因此這些數據至少相差60，可以很容易地將向左、向右的兩個動作區分開。
　　
本係統就是根據這樣的原理來實現的
，首先分別設定向左、向右搖時的閾值和兩個計數器；然後，將新采樣得到的50個值存放在y_data[N]中，將每個值與靜止時的值y_init比較，如果數據超出某個閾值，則在相應的計數器上累加，直到所有50個數全部比較完畢；最後

，根據計數器值的大小來判定執行了某個動作。
　　
同理
，利用Z軸的采樣值來判定向上
、向下搖，利用X、Y兩個軸來判定執行圖片向左翻轉還是向右翻轉，這裏略去。
　　
係統描述
a.係統組成及功能
係統由三個部分組成：CT-298單片機控製部分、 MM-2860加速度傳感器部分、演示終端，係統框圖如圖3所示。 

　　
CT-298單片機控製部分主要負責傳感器數據的A/D變換、動作檢測、與演示終端進行數據通信。MM-2860加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)部(bu)分(fen)負(fu)責(ze)加(jia)速(su)度(du)值(zhi)的(de)測(ce)量(liang)並(bing)將(jiang)其(qi)轉(zhuan)換(huan)為(wei)電(dian)壓(ya)值(zhi)。演(yan)示(shi)終(zhong)端(duan)負(fu)責(ze)處(chu)理(li)從(cong)單(dan)片(pian)機(ji)傳(chuan)來(lai)的(de)動(dong)作(zuo)類(lei)型(xing)並(bing)執(zhi)行(xing)相(xiang)應(ying)的(de)動(dong)作(zuo)，同(tong)時(shi)向(xiang)單(dan)片(pian)機(ji)返(fan)回(hui)進(jin)出(chu)二(er)級(ji)菜(cai)單(dan)的(de)指(zhi)令(ling)。對(dui)於(yu)CT-298單片機係統更詳細的設計將在下麵的部分介紹，這裏首先介紹一下本係統設計的動作姿勢及代碼
，以及與演示係統交互的指令。
　　
b.預定義的動作
係統設計了六種動作，他們分別是左搖


、右搖
、下搖、上搖、圖片左轉
、圖片右轉。圖4中的圖形象地說明了其中的兩個動作
，其它的動作與此類似。 

係統還為每個動作定義了相應的動作代碼
，見表1。 

　　
當單片機檢測到某個動作時會將相應的值賦給變量type_action，之後通過SCI將type_action的值發送到演示終端。如果用戶執行的動作不在這六個動作之中，則將NO_ACTION賦給type_action，表示演示終端不執行任何動作。
　　
係統還定義了單片機與演示終端交互的指令，用於係統在主菜單和二級菜單之間的界麵切換
，指令從演示係統通過SCI傳給單片機，單片機接收到之後進入或退出二級菜單
，見表2。

                                      
　　
　　
這裏僅定義了一個二級菜單，即圖片菜單，係統還可以定義更多的二級菜單和三級菜單。此外
，需要說明動作MOVE_TURN_LEFT、MOVE_TURN_RIGHT用於圖片翻轉，僅在圖片菜單中可用，在主菜單不可用。動作下搖執行的是換下一幅圖片，動作上搖執行的是退出圖片菜單。
　　
c.演示終端
本係統目標定位在便攜式消費類電子產品上，因此在軟件應用程序上必須選擇具有廣泛基礎的應用平台。由於近年來J2ME在便攜式終端中的應用非常廣泛，因此本係統也采用了J2ME平台進行開發。通過比較，選擇了J2ME的WTK開發包
，它是專門針對移動無線設備而設計的開發包，並提供了一個統一的平台。在WTK的框架下開發出來的java程序可以被眾多的移動設備所支持
，所以能夠有效解決兼容性的問題。
　　
在WTK下我們利用默認的一個手機樣機的仿真器DefaultColorPhone進行開發，DefaultColorPhone的樣子如圖6。

仿真器的外觀和操作類似一部移動電話，但是並不代表某個特定的設備
，而是提供對其所支持的API 的正確實現，每個命令按鈕對應著相應的API函數。從圖6中可以看到手機的導航鍵

，我們更改了導航鍵的API函數
，使其從鼠標單擊觸發的方式轉換為串口動作代碼控製。首先，我們編寫了J2ME的串口接收程序
，用於接收從單片機傳來的單字節的type_action值
；然後將type_action以參數的形式傳給API
，手機根據不同的type_action值執行不同的動作
，包括菜單上下翻、進出二級子菜單、圖片翻轉等。手機動作與type_action的對應關係如表3。

 
根據type_action的值，在手機界麵上產生相應的動作
，手機界麵發送不同的變化。演示終端的具體實現在下麵的內容詳細介紹。
　　
硬件描述
係統硬件分為兩個部分：CT-298和MM-2860。
　　
CT-298是由MC9S08QG單片機構成
、由USB總線電源供電的小型評估板。CT-298上安裝有按鈕開關、LED燈
、蜂鳴器等作為開發的輸入輸出器件。同時，USB-COM轉換電路采用了FTDI公司製造的FT232R，容許單片機與電腦之間通過USB接口進行串行通信。BDM用於代碼的燒寫及係統的調試。
　　
MM-2860是含有Freescale公司製造的MMA7260Q型三軸小量程加速度傳感器的模塊，它可以直接安裝在CT-298為其設計的插口上。MM-2860的電源是由CT-298上的MC9S08QG8單片機的PTB5端口來控製的，當PTB5端口為L時電源接通。此外
，g-SELECT開關是選擇傳感器靈敏度的開關，使用時將MM-2860插入到CT-298的接口中即可。本係統采用加速度傳感器的靈敏度選擇為800 mV/g。
　　
軟件描述
單片機主程序的流程如圖7所示。

　　
係統上電後，首先要對單片機的硬件係統進行初始化、配置寄存器等操作
，之後才可以進行數據采集
，將加速度的值進行A/Dzhuanhuan，dedaolianghuadezhi。tupiancaidanshierjicaidan，ruguomeiyoujiedaoyanshixitongchuangeidanpianjijinruerjicaidandezhiling，zedanpianjiyizhizaizhuchengxuyunxing，buduandicaijiA/D值、進行動作判定，並向演示係統發送type_action的指令。演示係統可根據接收到的type_action的de類lei型xing采cai取qu相xiang應ying的de動dong作zuo。如ru果guo單dan片pian機ji接jie收shou到dao進jin入ru二er級ji菜cai單dan的de命ming令ling，則ze進jin入ru圖tu片pian菜cai單dan

，同tong時shi也ye執zhi行xing類lei似si於yu主zhu程cheng序xu的de動dong作zuo判pan定ding程cheng序xu，並bing不bu斷duan更geng新xinA/D采樣值，發送type_action，直到接收到退出二級菜單指令才退出。下麵詳細介紹一下各個功能模塊的具體設置。
　　
單片機硬件初始化
單片機係統主要的工作有：將加速度傳感器的模擬數據進行A/D轉換、向演示係統發送type_action的動作類型
、接收演示係統發來的進出二級菜單的指令、設置采樣值，除此之外還需要對係統時鍾、外部設備（燈，buzzer）進行配置。根據單片機的主要工作內容選擇單片機內部的功能設備，包括A/D轉換器、模定時器、串行通信模塊（SCI）、內部時鍾源模塊。
　　
數據采集
係統設置的采樣頻率為200Hz，每秒鍾分別對X
、Y、Z 三軸采樣200個數據
，因此定義了三個大小為N的數組對數據進行緩存，他們是：
　　
char x_data[N];
　　
char y_data[N];
　　
char z_data[N];
　　
這裏N取50，每0.25s存取一次，1s鍾可以存取4次，保證采樣率為200。函數void acce_meas(void) 負責將采樣的數據分別放到這三個數組中，下麵是程序的具體實現：
　　
for(j=0;j<N;j++) //采集N個數據
{
for(i=0;i<3;i++)
{
if(i==0)
{
adc_go(0); //選擇A/D信道0
x_data[j]= ADC_val_L; //X軸
}
else if(i==1 )
{
adc_go(6); //選擇A/D信道6
y_data[j]= ADC_val_L; //Y軸
}
else
{
adc_go(7); //選擇A/D信道7
z_data[j]= ADC_val_L; //Z軸
}
}
delay(); //延時函數，用來設定采樣率
}
　　
動作檢測
動作檢測主要是用獲得的三組數據值x_data[N]
、y_data[N]
、z_data[N]來判定當前動作是係統設定動作中的哪一個
，如果符合，則發送這個動作對應的預定義值給演示終端
，否則發送NO_ACTION。type_dectction()用來實現動作檢測，其中type_move為函數內部變量
，用於記錄動作代碼。type_dectction()進行動作檢測的流程如圖8所示。

　　
演示終端
a.J2ME平台開發環境配置
進行J2ME的開發需要從網絡上下載免費的開發環境。運行Eclipse後進行最後的配置：Window->preferences->J2ME->Platform Component然後右鍵選擇 Wireless Toolkil，再選擇彈出菜單中的 Add Wireless Toolkil，選擇剛剛安裝的J2ME Toolkit的安裝路徑: C:\WTK22，這樣基本配置就完成了。

J2ME的WTK開發包是專門針對移動無線設備而設計的開發包，並提供了一個統一的平台。在WTK的框架下開發出來的java程序可以被眾多的移動設備所支持，能夠有效解決兼容性的問題。
　　
b.軟件應用程序
程序分為主進程、串口監視模塊和定製化用戶界麵三大部分，分別基於J2ME不同的類庫派生而成，三部分之間通過消息機製相互聯係
，共同構成整個程序的運行周期。具體每個模塊所實現的功能參考下節內容。
　　
c.軟件應用程序的組織結構
本軟件應用程序在WTK的手機仿真器下進行設計
，分為Base和display兩個package。在Base Package中包含MainRoutine.java和RS232Port.java兩個java文件；在display Package中的文件較多

，主要實現了UI和基本的key響應。下麵介紹軟件部分的實現方法：

MainRoutine類:MainRoutine為程序的入口類，它整合了程序中的所有的對象。MainRoutine派生於MIDlet類
，重載實現了MIDlet中的startApp、pauseApp、destroyApp等方法，並且在constructor中加入了exitCommand命令，從而實現了手機的關機功能。
　　
可以看出MainRoutine實現了程序的入口和退出，並同時標誌了程序的基本框架，給具體的功能應用打下了堅實的基礎。

vCanvas類:vCanvas繼承了Canvas類
，並增加了externalMsg方法。之所以在其中增加externalMsg方法
，是因為其超類Canvas不能動態地響應key
，而我們對Canvas的要求是能夠通過對串口導入的數據（或按鍵）得到的keyCode做出相應的動作
，比如圖片的翻轉、文本的滾動等等。於是，我們可以通過vCanvas派生出一係列的子類，實現我們的具體要求，為將來的開發提供了方便。

DisplayItem類:DisplayItem是基礎類，提供了通用的string數據組合。該類的構造方法中需要輸入shortText
、longText和extra三個string參數，這樣就保證了每個DisplayItem都可以返回三個不同長度的文本信息
，在不同的場合使用。其中shortText用於UI中的標題顯示
，longText為Item的主體內容，extra為Item的附加信息。 DisplayItem類在本係統中會被例化來描述菜單和子功能的內容，是應用廣泛的一個基礎類。
　
ImageCanvas類:ImageCanvas同樣繼承於基礎類vCanvas，它的主要功能是實現了對圖片的瀏覽及旋轉、鏡像等基本操作。
　　
考慮到目前使用手機瀏覽圖片、paishetupiandeduofangxiangxing，ruguonenggoutongguojiasuduchuanganqizidongxiaozhengtupiandefangxiang，shitazidongmanzuwomenxiangyaodefangxiang，namewomenjiumianchulehenduobubiyaodemafan。yushiwomenduitupiandeliulangongnengmokuaizengjialexiangzuohuozhexiangyouxuanzhuan90°的功能。這樣用戶就會驚喜地發現無論他的手機怎樣擺放，顯示的圖片將永遠保持與地麵垂直。

ListCanvas類:ListCanvas提供了主畫麵的顯示能力，並將用戶操作派生到內部聚合成員上麵去。具體功能的Item將包含在ListCanvas之中
，每一個Item擁有顯示在屏幕上的ShortItem，顯示在detail screen中的LongText，還有不被顯示的ExtraText，當然其信息我們也是可以得到的。在ListCanvas中，我們可以用“右鍵”顯示Item的詳細信息
，也可以用SELECT鍵來標記每個Item。

ItemListCanvas類:ItemListCanvas同樣繼承了vCanvas類，實現了多條目文本瀏覽的功能，構造方法的輸入依次為Display、Displayable、Font、Title和ItemVector。將多條String構造為一個Vector傳遞給ItemListCanvas後，該類能夠提供一個多條目文本實現的用戶界麵。本係統的“關於本係統”子功能就是通過實例化該類得到的。
　　
結論
本係統采用Freescale的單片機MC9S08QG和加速度傳感器MMA7260Q實現了便攜式手持設備的手勢控製，並采用了開放的J2ME平(ping)台(tai)實(shi)現(xian)了(le)終(zhong)端(duan)應(ying)用(yong)程(cheng)序(xu)。係(xi)統(tong)完(wan)整(zheng)，實(shi)用(yong)性(xing)強(qiang)，成(cheng)本(ben)低(di)廉(lian)，在(zai)滿(man)足(zu)用(yong)戶(hu)基(ji)本(ben)操(cao)作(zuo)需(xu)要(yao)的(de)同(tong)時(shi)，增(zeng)加(jia)了(le)移(yi)動(dong)設(she)備(bei)操(cao)作(zuo)的(de)趣(qu)味(wei)性(xing)和(he)靈(ling)活(huo)性(xing)。同(tong)時(shi)
，加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)MMA7260Qjiaoxiaodetijihedutedejiedianmoshigengshiqizaiyidongshebeideyingyongzhongyouzhejidadeyoushi。keyiyujian，zaiweilaideshouchishebeixitongzhonghuidaliangcaiyongleisideshoushishibiegongneng
，yincijuyouguangkuodeshichangyingyongqianjing。