平板電腦和智能手機幫助我們推廣了使用手勢控制電子設備的理念。手指捏合已成為縮小屏幕對象的代名詞；使用兩根及以上的手指滑動屏幕，可從一個圖片或應用滑動至另一個圖片或應用。我們現在完全熟悉了這些簡單的動作。

隨著這些手勢的日常使用，它們開始延伸到其他技術領域。這對于汽車應用而言很重要，能夠在不分散駕駛員注意力的情況下實現控制功能。通常，此類手勢界面用作儀表板交互顯示屏的輔助部分。但是，手勢界面的關鍵優勢是它不需要復雜的視覺顯示。設備上的聲音消息或燈光配置變化，可用于指示手勢已被識別以及狀態已經變化。因此，在作為物聯網 (IoT) 的一部分提供環境智能的設備中，手勢界面將是非常有用的。

無需圖形界面的設備手勢比智能手機上的手勢更加簡單，后者通常會對使用手指數量的變化做出響應。這些更簡單的界面通常基于整只手的移動。在傳感器面板前做向上掃動手勢，可指示室內控制系統開燈。水平掃動手勢可指示供暖控制系統提高或降低溫度。手指快速輕拂，可以前進到另一項功能，或者指示娛樂系統前進到下一個音軌。

手勢的含義可以變化，具體取決于傳感器面板處于何種模式，或許簡單的 LED 報警器圖標或語音消息會告訴用戶哪一種模式是活動的。通過與室內各個系統建立網絡連接，傳感器面板可以控制多種功能，這也是物聯網基礎設施的主要優勢之一。傳感器面板可以集成到桌子、墻壁控制以及揚聲器等電子設備中。多部設備可同時與物聯網系統協調，在室內的不同位置提供便利的控制。

有多種方式可以檢測手勢動作，包括攝像頭和接近傳感器。但是，在物聯網應用中，成本是一大問題。基于攝像頭的解決方案需要復雜的軟件來處理圖像，但實現了很高的靈活性，并具備了識別多種不同手勢的能力。

電場傳感器則擁有更低的成本且操作更簡單。該傳感器使用由交流電驅動的電極，在物體表面上方形成電場。可以選擇頻率將電磁的磁場分量降至最低，并形成準靜態近場，當傳導性物體（例如手）移動到范圍內，會對該電場產生干擾。

圖 1：標準和升壓傳感器類型的識別范圍。

當用戶的手進入感測范圍內時，傳入的電場線將通過用戶的身體分流到大地，使整個電場發生失真。這種效應將靠近手的電極信號電平降低到較低的水平，而傳感器陣列可以檢測到這一變化。手四處移動時，陣列的不同部分拾取這種運動，并將電勢變化告知控制器 IC，例如 Microchip Technology 的 MGC3x30 GestIC。

圖 2：GestIC MGC3030 框圖。

GestIC 為最多五個接收電極和一個信號發射器提供了接口。接收和發射電極可采用任何導電材料制成，例如織物狀銅網或氧化銦錫 (ITO)。電極之間的隔離可以是任何不導電材料，包括阻燃纖維玻璃環氧樹脂 (FR4 PCB)、玻璃或塑料。電極頂部的可選覆蓋層也必須是不導電的。發射電極放置在接收電子元件陣列下方。

該設計提供標準和升壓傳感器兩種選擇。標準傳感器適合通常采用電池供電的小型設備，這些設備與地面有弱連接。升壓傳感器類型使用更高的發射電壓，適合具有接地連接的大型設備，包括需要較大識別范圍的設備。使用標準傳感器配置，接地連接可提供通常高達 100 mm 的更大識別范圍，而電池供電的未接地設備的識別范圍僅為 50 mm。傳感器形狀大約為方形或圓形，寬高比不超過 1:3。

GestIC 硬件識別人手的電中心點，當該點在傳感器范圍內移動時，還可跟蹤該點。用戶手的 XY 位置被最多四個傳感器電極拾取。第五個連接可用作按鈕或中心電極，以識別簡單的“按鈕觸摸”手勢。

為了簡化在系統中的集成，GestIC 器件包含自身的手勢處理固件，存儲在內部閃存中。該固件包括基于隱馬爾可夫模型的 Colibri Suite 數字信號處理 (DSP) 算法，可執行各種功能，例如接近檢測、位置跟蹤和手勢識別。它們還能夠使用基于消息的接口，將狀態更新發送至微控制器 (MCU)，另外還提供了處理固件更新的功能。

MCU 和 MGC3X30 之間的通信是使用 I2C 兼容雙線串行接口實現的。這使 MCU 能夠讀取傳感器數據，并將控制消息發送至芯片。它提供一個地址引腳，用于在同一總線上的最多兩個 MGC3X30 器件之間進行選擇。GestIC 固件會更新傳感器讀數，默認速率為 5 ms，每次會更新串行端口消息緩沖區，并將傳輸狀態 (TS) 線拉低，指示有可用的新讀數。

主機可以設置多個運行時參數，包括 GestIC 器件將要檢測的手勢類型。Set_Runtime_Parameter 的 0xA2 命令使用位掩碼，篩選出不需要的手勢類型。禁用某些手勢有助于提高其他手勢的識別概率，從而改進簡單控制接口的可用性。GestIC 能夠識別的手勢包括沿直角坐標軸方向的輕拂，以及順時針和逆時針方向的畫圈。

圖 3：GestIC 解決方案識別的手勢類型及其潛在用途

GestIC 固件還提供手在傳感器電場范圍內移動時的位置更新，并與手勢更新一起輸出。其他信息包括第五個電極輔助識別的觸控事件，以及 AirWheel 數據。AirWheel 的工作方式與老式便攜式音樂播放器上的滾輪非常相似，但要在設備表面上方執行手勢。

為了讓工程師能夠更簡單地為主機 MCU 開發軟件，Microchip 開發了基于 C 語言的 API，還有參考代碼提供支持。該 API 處理各種功能，包括控制消息緩沖區、將消息位掩碼解碼為 C 結構、執行事件處理。這些功能可讓主機 MCU 擺脫低級別協議及其時間約束。為了支持設計，還要在基于 Windows 的 PC 上運行第二個軟件包 Aurea。該軟件可解析由 GestIC 發送的消息，并視覺呈現手勢和位置數據。使用 Aurea，開發人員可以優化感測參數和布局，以便對目標應用提供最佳支持。配套開發套件提供了 I2C USB 橋，以便為傳感器和軟件開發提供原型支持。

結論

憑借低成本基于電場感測的硬件與軟件工具和固件的支持架構的組合，MGC3x30 GestIC 提供了一種有效的解決方案，為眾多支持物聯網的設備帶來了直觀的界面。