Bouw een gebaren- en bewegingdetector met PIR-sensor & Arduino Nano

Onderdelen en benodigdheden

Apps en online diensten

• Arduino IDE

Over dit project

In dit artikel laten we zien hoe je een gebarendetector maakt met eenvoudige componenten: PIR-sensor en Arduino Nano. Na het lezen kun je:

• PIR-sensor toepassingen en werking uitleggen
• Een 8-pixel PIR-sensor (TPA81) uitlezen
• Beweging en gebaren detecteren met Arduino
• Een coole detector bouwen die bv. speaker-volume regelt

Passieve Infrarood Sensor: Hoe werkt het?

De TPA81 is een thermopile-array die infrarood in het 2-22 µm bereik detecteert (warmtestraling). Gewone pyro-elektrische sensoren (zoals in inbraakmelders) detecteren alleen *veranderingen* in warmte (beweging). De TPA81 meet daarentegen de absolute temperatuur van 8 aangrenzende punten simultaan. Het kan een kaarsvlam op 2 meter detecteren en is ongevoelig voor omgevingslicht.

PIR-sensoren zijn als camera's die alleen warme dingen zien. De TPA81 is dus een thermische camera met 8-pixel resolutie. Omdat het menselijk lichaam altijd warmte uitstraalt, kunnen we door de sensor te besturen en patronen te definiëren, een gebarendetector bouwen.

In dit project gebruiken we de TPA81 (I2C, compatibel met Arduino Nano). Als budgetterugvalt, kan men ook 8 losse PIR-sensoren (zonder de witte Fresnellens) gebruiken en deze achtereenvolgens uitlezen.

Code

Voor de eerste schakeling (TPA81), kopieer de code in de Arduino IDE. Eerst de TPA81-bibliotheek installeren (ZIP toevoegen via Schets → Bibliotheek gebruiken → .ZIP-bibliotheek toevoegen). Stappen:

1. Download Arduino IDE van arduino.cc en installeer.
2. Open IDE, wis editor, plak code.
3. Installeer bibliotheken (TPA81, SSD1306, DHT).
4. Selecteer Board: Arduino Nano.
5. Stel COM-poort in.
6. Klik Upload (pijltje).

Test 1: Ruwe temperatuurwaarden uitlezen

#include "Wire.h"
#include "TPA81.h"

TPA81 tpa;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Wire.begin();
}

void loop() {
  Serial.print(tpa.getAmbient());
  Serial.print(" ");
  for (int i = 1; i <= 8; i++) {
    Serial.print(tpa.getPoint(i));
    Serial.print(" ");
  }
  Serial.println(" ");
  delay(100);
}

Open de Seriële Plotter. Het eerste getal is de omgevingstemperatuur. Houd je hand voor de sensor om de temperatuurstijging te zien. Stel een drempel in (bijv. 29°C) voor gebarendetectie.

Test 2: Gebaren visualiseren (# = warmte gedetecteerd)

#include "Wire.h"
#include "TPA81.h"

TPA81 tpa;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Wire.begin();
}

void loop() {
  Serial.print(tpa.getAmbient());
  Serial.print(" ");
  for (int i = 1; i <= 8; i++) {
    if (tpa.getPoint(i) > 29) Serial.print("# ");
    else Serial.print(". ");
  }
  Serial.println(" ");
  delay(100);
}

Test 3: Volume-regeling met gebaren (volledige code met OLED)

Deze code detecteert een wuifbeweging links/rechts om volume omhoog/omlaag te regelen. Resultaat wordt op OLED getoond met balkgrafieken (v1 tot v11).

#include "Wire.h"
#include "TPA81.h"
#include "ssd1306.h"
#include "DHT.h"

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
#define SPI_SCK 13
uint8_t oled_buf[WIDTH * HEIGHT / 8];

int gesture[8][20];
int tgesture[8];
int sum = 0;
int sflag = 0; // standby flag
int gcount = 0;
int c = 0;
int ex = 0;
int vol = 5;

// Bitmap data voor volume-niveaus 1-11 (v1 ... v11) - in PROGMEM opgeslagen
const uint8_t v1 [] PROGMEM = { ... }; // (verkort voor overzicht, volledige arrays in broncode)
const uint8_t v2 [] PROGMEM = { ... };
const uint8_t v3 [] PROGMEM = { ... };
const uint8_t v4 [] PROGMEM = { ... };
const uint8_t v5 [] PROGMEM = { ... };
const uint8_t v6 [] PROGMEM = { ... };
const uint8_t v7 [] PROGMEM = { ... };
const uint8_t v8 [] PROGMEM = { ... };
const uint8_t v9 [] PROGMEM = { ... };
const uint8_t v10 [] PROGMEM = { ... };
const uint8_t v11 [] PROGMEM = { ... };

void dsply(int input) {
  int n1, n2;
  if (input < 10) {
    SSD1306_char3216(10, 25, '0', oled_buf);
    switch(input) {
      case 0: SSD1306_char3216(26, 25, '0', oled_buf); break;
      case 1: SSD1306_char3216(26, 25, '1', oled_buf); break;
      case 2: SSD1306_char3216(26, 25, '2', oled_buf); break;
      case 3: SSD1306_char3216(26, 25, '3', oled_buf); break;
      case 4: SSD1306_char3216(26, 25, '4', oled_buf); break;
      case 5: SSD1306_char3216(26, 25, '5', oled_buf); break;
      case 6: SSD1306_char3216(26, 25, '6', oled_buf); break;
      case 7: SSD1306_char3216(26, 25, '7', oled_buf); break;
      case 8: SSD1306_char3216(26, 25, '8', oled_buf); break;
      case 9: SSD1306_char3216(26, 25, '9', oled_buf); break;
    }
  } else {
    n1 = input / 10;
    n2 = input % 10;
    // print tientallen
    switch(n1) {
      case 0: SSD1306_char3216(10, 25, '0', oled_buf); break;
      case 1: SSD1306_char3216(10, 25, '1', oled_buf); break;
      case 2: SSD1306_char3216(10, 25, '2', oled_buf); break;
      case 3: SSD1306_char3216(10, 25, '3', oled_buf); break;
      case 4: SSD1306_char3216(10, 25, '4', oled_buf); break;
      case 5: SSD1306_char3216(10, 25, '5', oled_buf); break;
      case 6: SSD1306_char3216(10, 25, '6', oled_buf); break;
      case 7: SSD1306_char3216(10, 25, '7', oled_buf); break;
      case 8: SSD1306_char3216(10, 25, '8', oled_buf); break;
      case 9: SSD1306_char3216(10, 25, '9', oled_buf); break;
    }
    // print eenheden
    switch(n2) {
      case 0: SSD1306_char3216(26, 25, '0', oled_buf); break;
      case 1: SSD1306_char3216(26, 25, '1', oled_buf); break;
      case 2: SSD1306_char3216(26, 25, '2', oled_buf); break;
      case 3: SSD1306_char3216(26, 25, '3', oled_buf); break;
      case 4: SSD1306_char3216(26, 25, '4', oled_buf); break;
      case 5: SSD1306_char3216(26, 25, '5', oled_buf); break;
      case 6: SSD1306_char3216(26, 25, '6', oled_buf); break;
      case 7: SSD1306_char3216(26, 25, '7', oled_buf); break;
      case 8: SSD1306_char3216(26, 25, '8', oled_buf); break;
      case 9: SSD1306_char3216(26, 25, '9', oled_buf); break;
    }
  }
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Wire.begin();
  SSD1306_begin();
  SSD1306_clear(oled_buf);
}

void loop() {
  // Lees 8 pixels
  for (int i = 0; i <= 7; i++) {
    if (tpa.getPoint(i+1) > 29) {
      Serial.print("#");
      Serial.print(" ");
      gesture[i][0] = 1;
    } else {
      Serial.print(".");
      Serial.print(" ");
      gesture[i][0] = 0;
    }
  }
  for (int y = 0; y <= 7; y++) sum += gesture[y][0];
  Serial.println(sum);
  Serial.println(" ");
  delay(100);

  // Standby: alle 8 pixels actief = rustpositie
  if (sum == 8) {
    sflag = 1;
    Serial.println("standby");
  } else {
    sum = 0;
  }

  // Gebaar detectie
  if (sflag == 1 && sum != 8) {
    Serial.println("start gesture");
    gcount = 0;
    c = 0;
    sum = 0;
    while (sum < 8) {
      sum = 0;
      for (int i = 0; i <= 7; i++) {
        if (tpa.getPoint(i+1) > 29) {
          Serial.print("#");
          Serial.print(" ");
          gesture[i][gcount] = 1;
        } else {
          Serial.print(".");
          Serial.print(" ");
          gesture[i][gcount] = 0;
        }
      }
      for (int y = 0; y <= 7; y++) {
        sum += gesture[y][gcount];
        delay(5);
      }
      Serial.println(" ");
      delay(50);
      gcount++;
    }
    Serial.print("sum: "); Serial.println(sum);
    Serial.print("lengte gebaar: "); Serial.println(gcount);
    delay(5);

    // Bereken som per pixel over tijd
    for (c = 0; c <= 7; c++) {
      for (int z = 0; z <= gcount; z++) {
        tgesture[c] += gesture[c][z];
        delay(5);
      }
      Serial.println("verwerken");
    }
    // Linker helft (0-3) vs rechter helft (4-7)
    tgesture[0] += tgesture[1];
    tgesture[2] += tgesture[3];
    tgesture[4] += tgesture[5];
    tgesture[6] += tgesture[7];
    tgesture[0] += tgesture[2];
    tgesture[4] += tgesture[6];

    if (tgesture[0] < tgesture[4]) {
      vol += (gcount / 2);
      Serial.println("volume up");
    }
    if (tgesture[4] < tgesture[0]) {
      vol -= (gcount / 2);
      Serial.println("volume down");
    }
    sflag = 0;
  }

  sum = 0;
  SSD1306_clear(oled_buf);
  switch (vol) {
    case 1:  SSD1306_bitmap(0, 0, v1,  128, 64, oled_buf); break;
    case 2:  SSD1306_bitmap(0, 0, v2,  128, 64, oled_buf); break;
    case 3:  SSD1306_bitmap(0, 0, v3,  128, 64, oled_buf); break;
    case 4:  SSD1306_bitmap(0, 0, v4,  128, 64, oled_buf); break;
    case 5:  SSD1306_bitmap(0, 0, v5,  128, 64, oled_buf); break;
    case 6:  SSD1306_bitmap(0, 0, v6,  128, 64, oled_buf); break;
    case 7:  SSD1306_bitmap(0, 0, v7,  128, 64, oled_buf); break;
    case 8:  SSD1306_bitmap(0, 0, v8,  128, 64, oled_buf); break;
    case 9:  SSD1306_bitmap(0, 0, v9,  128, 64, oled_buf); break;
    case 10: SSD1306_bitmap(0, 0, v10, 128, 64, oled_buf); break;
    case 11: SSD1306_bitmap(0, 0, v11, 128, 64, oled_buf); break;
  }
  SSD1306_display(oled_buf);
}

Wat is er nog mogelijk?

Met deze methode kun je de code uitbreiden naar andere gebaren: tikken, slepen, loslaten, uitrekken, etc. Definieer voor elk gebaar een actie (bijv. licht dimmen, menu navigeren, etc.).

Code

• TPA81 Bibliotheek (C/C++) – download ZIP
• SSD1306 Bibliotheek (C/C++) – download ZIP

Beide bibliotheken zijn vereist voor de voorbeelden. Plaats ze in de libraries-map van de Arduino IDE.