非接触式手势识别创新电子产品设计

非接触式手势识别促进创新型电子产品设计

过去的十年间，人机交互技术发生了显著的变化，大大增强了用户界面与智能化设计。这些变化中的大多数聚焦于高精度、低功耗的电容式触摸屏，特别在手机市场更是如此。随着人机界面技术和设计的进步，红外线接近感应器正逐渐成为新一代非接触式手势识别用户界面的创新点。

传统的红外线接近感应系统由老式光电探测器和光电断路器组成，它们各自基于是否移动或中断而触发。这些接近感应解决方案广泛应用于自动门控制和卫生间冲洗系统，然而这些应用也受感应器尺寸、功耗和可配置性的限制。更先进的主动式接近感应器为消费类电子和工业产品带来耳目一新的特性和增强体验。新一代红外线感应器产品面世，如Silicon Labs Si114x系列产品，不仅体积更小、功耗更低，并且也可以驱动多个红外线发光二极管（LED），从而可实现高级的多维手势输入功能。

从单-LED到多-LED的系统演进

单-LED驱动器的接近感应器已用于触摸屏手机多年了，在接近感应器市场的份额也最大，但它们的使用并非没有问题。例如，虽然接近感应器常用于手机通话过程中关闭触摸屏，消除了脸颊的意外接触，但如果进行网络搜索会发现许多最终用户对他们手机中接近感应器的表现并不满意。意外的通话静音、启动电话会议和电话挂断，这些频繁出现的事故都是由接近感应器操作失误而引起的。

为什么一个看似简单的接近感应系统故障却如此频繁呢？答案在于感应器的设计和配置，以及伴随的机械原理。许多红外线接近感应器只不过是：基于接收的信号来输出原始数据的最基本的感应器。这些感应器没有内置的智能来帮助区分系统噪声和实际信号，而且他们很难在高红外线含量的环境（例如日光或有白炽光的室内）下运作。此外，尽管工业设计在现代电子系统设计中的重要性日益增强，但这些接近感应器不适于在非常暗的覆盖物下运行，覆盖物限制了外部可见光和红外光线到达感应器的能量。

最新一代的接近感应器，如Silicon Labs的Si114x系列产品，克服了传统接近感应器运行的相关缺点。Si114x感应器的高级架构如图1所示，具有多个高灵敏度光电二极管和一个高精度模拟数字转换器（ADC），能比其他感应器花更少的时间（25.6ms）测量打开的红外线LED。较短的LED打开时间使传感器能对周围环境中的红外线强度进行测定和补偿，更好的在实际的接近测量中做出识别。

更快的测量同时也降低了总体系统功率。红外线LED是接近系统中的耗电大户。最大限度的减少LED开启时间，能够有效降低整体系统功耗。15级动态可调整的LED驱动设置，使得LED驱动强度可根据周围红外线条件进行调整，因而节省了能量，并获得更高能效的设计，LED不需要再设定为最大的耗电配置。高灵敏度的光电二极管也使得感应器可运行于较暗的玻璃后面，这样电子设备隐藏在操作界面之后，使得工业设计变得更加整洁和更具时尚感。

图1：能够实现多维非接触式手势识别界面的Si114x接近感应器

三-LED系统带来更多创新设计

虽然单-LED感应系统正在推动着今天的市场，但未来正向多-LED接近感应器系统演进，从而帮助产生独特的创新型用户界面。双-LED红外线系统能够实现滑动和选择手势功能，可使用在诸如电子书籍翻页、家用音响设备音量控制和平板电脑屏幕滚动中。三-LED 接近感应系统能够用于非接触式用户界面导航，例如图标或图片选择、地图放大和缩小，甚至游戏控制。其他更令人兴奋的双-LED和三-LED应用仅仅受限于设计人员的创意。正如电容式触摸屏开启了用户界面新纪元一样，非接触式手势识别技术也将改变最终用户与电子产品的交互方式。双-LED和三-LED红外线接近感应解决方案，非常适合作为这些系统的非接触式手势识别解决方案。

非接触式的好处：健康、安全和便利

如果接触式按键和触摸屏工作正常，为什么要替换它们呢？其实，红外线系统不会取代现有的系统，而是增强用户使用体验。增强的集成度和小型化正在改变客户使用电子产品的方式。现如今人们随身携带着智能手机、个人媒体播放器、电子书和平板电脑，“计算机”不再仅仅使用于用户家中或办公桌面。

咖啡馆、餐厅、健身房、巴士站、飞机候车厅，甚至卫生间正在成为新一代嵌入式电子产品的使用环境。在这些不同的操作环境中，用户的手有时会被占用、变脏、出汗或沾有食物—所有这些条件不利于触摸屏操作。如果客户是在健身房阅读电子图书，希望在跑步机上一边跑步一边翻页，这将更容易通过非接触式手势识别来翻页，而不是物理接触触摸屏或按下一个小按钮。

无需看到即可控制设备有很多好处。例如，一个非接触式界面，可以让汽车司机使用非接触式挥手实现安全的启动/结束通话或调整音量，而不需要找到复杂仪表上的调整按钮。并非所有的设备需要带触摸屏的复杂图形显示，非接触式用户界面能够提供新颖和差异化的操作方式。

多-LED感应系统可以基于用户是否接近系统而改变系统操作。机顶盒或HVAC控制面板显示器可以保持关闭，直到系统检测到一定距离内的用户才打开，这能有效降低功耗。电视也可以基于手势输入打开或关闭、公共场所的小型视频广告牌可以基于用户的靠近或远离而改变显示内容，可以使用手势输入与潜在客户交流，这是一种比采用触摸屏更卫生的方法。这种“环境感知”电子产品能够使终端产品更加智能，同时也更加省电。

融合多-LED接近感应器和主机MCU（例如Silicon Labs的电容式触摸感应微控制器）的设计，打开了灵活使用电容式触摸和红外线非接触式技术实现用户界面的大门。主机触摸感应MCU提供必要的计算能力去解释红外线感应器的输出，帮助调整非接触式手势的时序和灵敏度。MCU还可以用于感应器的实时配置，基于环境光强度优化低功耗操作。图2是一个非接触式应用示例，包括接近感应器和电容式触摸感应MCU。

图2：基于接近感应器和触摸感应MCU的非接触式人机界面应用

随着越来越多的、支持双-LED或三-LED的先进接近感应器芯片的问世，嵌入式开发人员能够开发出新型非接触式手势界面应用，并使得电子产品更安全卫生，更易于使用和和更具愉悦性。这样即使是最普通的家用电器、手持设备、计算平台和工业界面也能够通过手势来开启和控制。这一天即将到来！