제스처를 사용하여 모든 시스템 제어

태블릿과 스마트폰은 제스처를 사용하여 전자 장치를 제어한다는 아이디어를 대중화하는 데 도움이 되었습니다. 이제 손가락을 모으는 것과 같은 동작은 '화면 상의 개체를 축소'한다는 것을 의미합니다. 또한 두 개 이상의 손가락을 사용하여 살짝 미는 동작은 '사진이나 앱을 다른 사진이나 앱으로 이동'하는 동작을 의미합니다. 이러한 간단한 동작은 이제 완전히 익숙해 보입니다.

이렇게 일상적으로 사용되는 제스처 인터페이스는 다른 기술 영역으로 확장되기 시작했습니다. 이러한 인터페이스는 운전자가 운전 중에 주의를 잃지 않고 기능을 제어해야 하는 자동차 응용 분야에 특히 중요합니다. 경우에 따라 이러한 제스처 인터페이스는 대시보드 대화식 디스플레이의 일부로 사용되기도 합니다. 그러나, 제스처 인터페이스의 주요 장점은 복잡한 시각적 디스플레이가 필요 없다는 점입니다. 장치의 조명 구성 변경 또는 오디오 메시지를 통해 제스처가 인식되었으며 상태가 변경되었음을 알릴 수 있습니다. 그 결과 제스처 인터페이스는 사물 인터넷(IoT)의 일부로 환경 인텔리전스를 제공하는 장치에서 매우 유용하게 사용될 수 있습니다.

그래픽 인터페이스가 없는 장치의 인터페이스는 사용 손가락 수의 변화에 반응하는 경우가 많은 스마트폰의 인터페이스보다 단순합니다. 이 단순한 인터페이스는 일반적으로 손 전체의 움직임에 따라 작동합니다. 센서 패널 앞에서 위쪽으로 미는 제스처로 실내 제어 시스템에 조명을 켜라는 명령을 내릴 수 있습니다. 가로 방향으로 밀어 난방 제어기에 온도를 높이거나 내리도록 명령할 수 있습니다. 손가락을 빠르게 튕기면 다른 기능으로 전환하거나 엔터테인먼트 시스템에 다음 트랙으로 넘어가도록 명령할 수 있습니다.

제스처의 의미는 센서 패널의 모드에 따라 변경될 수 있으며, 이러한 변경 사항은 사용자에게 현재 활성화된 모드를 알려주는 음성 메시지나 간단한 LED 표시 아이콘으로 알릴 수 있습니다. 여러 실내 시스템의 네트워크 연결을 통해 센서 패널에서 여러 기능을 제어할 수 있으며 이는 IoT 인프라의 여러 장점 중 하나입니다. 센서 패널은 탁자, 벽 컨트롤 또는 오디오 스피커와 같은 다른 전자 장치에 통합할 수 있습니다. 여러 장치가 IoT 시스템과 연결되어 실내 여러 위치에서 편리한 제어를 제공할 수 있습니다.

제스처 움직임을 감지하는 방법에는 카메라와 근접 센서를 비롯한 여러 가지가 있습니다. 그러나 IoT 응용 분야의 경우 비용이 문제가 됩니다. 카메라 기반 솔루션은 그림을 처리하기 위한 복잡한 소프트웨어가 필요하지만 여러 유형의 제스처를 인식할 수 있는 높은 유연성과 기능을 제공합니다.

전기장 센서는 더 낮은 비용으로 더 간단하게 조작할 수 있습니다. 센서는 AC로 구동되는 전극을 사용하여 물체 표면 위에 전기장을 투사합니다. 전자석의 자기 성분을 최소한으로 줄이기 위한 주파수가 선택되고, 손과 같은 전도성 물체가 범위 내로 진입할 때 교란되는 준정적 전기장을 형성하게 됩니다.

그림 1: 표준 및 강화 센서 유형으로 사용 가능한 범위.

사용자의 손이 감지 범위에 진입하면 해당 범위를 지나는 전기력선이 사용자의 몸을 통해 지면으로 션트되어 전체 전자기장을 왜곡합니다. 이로 인해 손에 가까운 전극 신호의 수준이 낮아지며, 센서 어레이에서 이를 감지합니다. 손이 움직이면 어레이의 다른 부분이 사용자의 동작을 감지하여 이러한 변화를 Microchip Technology의 MGC3x30 GestIC와 같은 컨트롤러 IC와 통신합니다.

그림 2: GestIC MGC3030의 제품 구성도.

GestIC에는 최대 5개의 수신 전극과 하나의 송신기를 위한 인터페이스가 있습니다. 수신 및 송신 전극은 구리 메시 또는 산화인듐(ITO)과 같은 모든 전도성 소재로 제작될 수 있습니다. 전극 사이의 절연재는 PCB FR4, 유리 또는 플라스틱을 비롯한 모든 비전도성 재료로 구성될 수 있습니다. 전극 맨 위의 선택적 덮개 층 역시 비전도성이어야 합니다. 송신 전극은 수신 전극 어레이 아래에 배치됩니다.

설계는 표준 센서 또는 강화 센서 중에서 선택할 수 있습니다. 표준형은 소형 장치 중에서도 특히 접지에 약하게 연결되는 배터리 구동식 장치에 적합합니다. 더 높은 송신 전압을 사용하는 강화 센서 유형은 인식 범위가 더 넓어야 하는 장치를 포함하여 접지 연결이 있는 더 큰 장치에 적합합니다. 표준 센서 구성을 사용하는 접지된 연결은 일반적으로 최대 100mm 또는 50mm의 더 넓은 인식 범위를 배터리 구동식 미접지 장치에 제공합니다. 센서는 1:3을 초과하지 않은 비율로 정사각형 또는 원형과 비슷한 형태를 갖출 수 있습니다.

GestIC 하드웨어는 인간 손의 전기적 무게 중심을 인식하며 센서 범위 내에서 움직일 때 이 지점을 추적할 수 있습니다. 사용자 손의 XY 위치는 네 개의 센서 전극을 통해 인식됩니다. 다섯 번째 연결은 간단한 '버튼 터치' 제스처를 인식하는 중앙 전극이나 버튼으로 사용할 수 있습니다.

용이한 시스템 통합을 위해 GestIC 장치에는 내부 플래시에 저장된 자체 제스처 처리 펌웨어가 포함되어 있습니다. 이 펌웨어에는 접근 감지, 위치 추적 및 제스처 인식과 같은 기능을 수행하는 숨겨진 Markov 모델에 기반한 디지털 신호 처리(DSP) 알고리즘의 Colibri Suite가 포함됩니다. 메시지 기반 인터페이스 및 펌웨어 업데이트 처리 기능을 사용하여 호스트 마이크로컨트롤러(MCU)에 상태 업데이트를 전송하는 기능도 있습니다.

MCU와 MGC3X30 간의 통신은 I²C 호환 2선 직렬 인터페이스를 사용하여 수행됩니다. 이를 통해 MCU는 센서 데이터를 읽고 제어 메시지를 칩으로 전송할 수 있습니다. 동일한 버스에서 최대 두 개의 MGC3X30 장치 간에 선택할 수 있는 주소 핀이 제공됩니다. GestIC 펌웨어는 5ms의 기본 속도로 센서 판독 값을 업데이트하며, 매번 직렬 포트 메시지 버퍼를 업데이트하고 전송 상태(TS) 라인을 Low로 풀링하여 새 판독 값이 있음을 알립니다.

GestIC 장치가 감지할 제스처 유형을 포함하여 여러 개의 런타임 파라미터를 호스트에서 설정할 수 있습니다. Set_Runtime_Parameter에 대한 명령 0xA2는 비트마스크를 사용하여 원치 않는 제스처 유형을 필터링합니다. 원치 않는 제스처를 비활성화하면 나머지 제스처가 인식될 가능성을 향상시킬 수 있으며 이로써 간단한 제어 인터페이스의 가용성이 향상됩니다. GestIC로 인식할 수 있는 제스처는 Cartesian 축을 따라 가볍게 튕기는 동작과 시계 방향 또는 시계 반대 방향의 원형 제스처입니다. 

그림 3: GestIC 솔루션이 인식하는 제스처 유형 및 잠재적 용도.

GestIC 펌웨어는 손이 센서 범위 내에서 움직일 때 손의 위치 업데이트를 제공하며 제스처 업데이트를 따라 출력합니다. 추가 정보에는 다섯 번째 전극과 AirWheel 데이터가 포함되어 있어 지원되는 터치 이벤트가 포함됩니다. AirWheel은 기존 휴대용 음악 플레이어의 스크롤 휠과 비슷한 방식으로 작동하지만 사용자가 장치 표면 위에서 제스처를 수행할 때 작동됩니다.

엔지니어가 호스트 MCU용 소프트웨어를 더 쉽게 개발할 수 있도록 하기 위해 Microchip은 참조 코드로 지원되는 C 기반 API를 개발했습니다. API는 메시지 버퍼를 조작하기 위한 함수를 처리하고, 메시지 비트마스크를 C 구조로 디코딩한 다음 이벤트 처리를 수행합니다. 이러한 함수는 호스트 MCU를 저수준의 프로토콜 및 타이밍 제약으로부터 분리합니다. 설계를 지원하는 두 번째 소프트웨어 패키지인 Aurea는 Windows 기반 PC에서 실행됩니다. 이 소프트웨어는 GestIC에서 전송된 메시지를 해석하여 제스처 및 위치 데이터를 시각적으로 표시합니다. 개발자는 Aurea를 사용하여 감지 파라미터 및 배열을 대상 응용 제품에 맞게 최적화할 수 있습니다. 개발 키트는 센서 및 소프트웨어 개발을 위한 시제품 제작을 지원할 수 있는 I²C USB 브리지를 제공합니다.

결론

전기장 감지에 기반한 저가형 하드웨어와 소프트웨어 도구 및 펌웨어의 지원 인프라가 결합된 MGC3x30 GestIC는 다양한 IoT 지원 장치에 직관적 인터페이스를 구축하기 위한 효과적인 솔루션을 제공합니다.