张高兴
张高兴

翻译：使用红外传感器与Arduino进行简单动作与手势检测

译注：昨天看 Adruino 的 Twitter 推了这篇项目，第一眼就觉得非常有趣，翻译给大家看看。文中的红外传感器比较高级，和淘宝上5块钱的那种只能输出0和1的不一样， TPA81 是可以输出温度的，还是8个连续点。 MLX90614 可以输出一点的温度，还卖将近三十，可以想象 TPA81 的价格……而且淘宝上并没有卖 TPA81 的，可见国内还没有仿的。文章也给出了另一个解决方案，使用8个 HC-SR505 来替代，这就便宜了很多。我想了一下，如果要只是实现像文章那样的增减手势，3个 HC-SR505 即可，只不过检测没那么精准罢了。只可惜手头没有3个 HC-SR505 ，没法尝试了哈哈。关于最后一个巨长的代码示例，大部分都是 OLED 的字符定义，挑着看即可。

原文：Easy Motion and Gesture Detection by PIR Sensor & Arduino

在这篇文章中，我们将展示如何使用简单的原件，如红外传感器与 Arduino Nano ，去制作手势检测器。在本文的末尾，你可以学到：

  1. 解释红外传感器的应用及其工作原理
  2. 使用 TPA81 传感器
  3. 使用红外传感器检测动作和手势
  4. 制作一个炫酷的检测器来增加或减少你的扬声器音量

材料

名称 数量
Arduino Nano R3 x1
8像素热电堆阵列传感器 TPA81 x1
红外动作传感器 HC-SR505 x8
0.96inch SPI 128X64 OLED x1
面包板 x1
杜邦线 若干
Arduino IDE

被动红外传感器：它是如何工作的？

被动式红外传感器（Passive Infrared，PIR）是一种电子传感器，用于测量其视场中的物体辐射的红外线。它们最常用于基于 PIR 的动作检测器。所有温度高于绝对零度的物体都以辐射的形式发出热能。通常，这种辐射对人眼是不可见的，因为它以红外波长辐射，但它可以通过特殊的电子设备进行检测。

被动在这里指的是，红外传感器不产生或向外辐射能量。它们完全是通过检测物体发出或反射的红外辐射来工作的。他们不检测或测量热量。

翻译：使用红外传感器与Arduino进行简单动作与手势检测_第1张图片

TPA81 是一个热电堆阵列（Thermopile Array），检测波长在2-22μm之间的红外线。这是辐射热的波长。热释电传感器（Pyro-electric Sensor），通常用于防盗报警，打开外部灯光，检测特定波段红外线。这些传感器只能检测热量的变化，因此它们为动作探测器。虽然在机器人技术中很有用，但它们的应用受到限制，因为它们不能检测和测量静态热源的温度。另一种类型的传感器是热电堆阵列。这些用于非接触式红外温度计。它们的探测角度或视场（FOV）非常宽，约为100°，需要遮挡物或透镜，或者通常两者都需要，来获得更加有效的视场，大约为12°。有些具有内置透镜。最近，一些热电堆阵列传感器，内置了电子元件和硅透镜，变得流行起来，像 TPA81 。TPA81 内有八个热电堆排列成一排，可以同时测量8个相邻点的温度，还可以使用伺服电机来控制模块去热成像。 TPA81 可以探测2米范围内的蜡烛火焰，并且不受环境光的影响。

翻译：使用红外传感器与Arduino进行简单动作与手势检测_第2张图片

红外传感器类似于只能看到温暖的东西的相机。所以 TPA81 是一个具有8像素分辨率的热成像仪，当然，人体总是散发热量的。现在，如果我们用一个控制器来控制红外传感器，并且为红外传感器定义一些手势，那么我们可以做一个简单的手势检测器。

在这个项目中，我们决定使用红外传感器和 Arduino 制作手势检测器。我们使用 TPA81 作为红外传感器，但是它有点贵，所以如果你想省钱，你可以使用8个 HC-SR505 作为红外传感器（不使用透镜）。 TPA81 支持 I2C 协议，与 Arduino Nano 兼容。这个炫酷的项目帮助你了解图像处理和手势检测的基础。我们开始吧。

电路

翻译：使用红外传感器与Arduino进行简单动作与手势检测_第3张图片

使用 TPA81

如果你不使用 TPA81 ，则应该将8个单个的 HC-SR505 连接到 Arduino ，并逐个读取它们。这样你可以省点钱。

翻译：使用红外传感器与Arduino进行简单动作与手势检测_第4张图片

使用 HC-SR505

代码

对于第一个电路（使用 TPA81），你可以把代码复制到 Arduino IDE 中。但首先必须要添加库，然后再上传代码。从下面的链接下载 TPA81 库。如果这是你第一次使用 Arduino ，不要担心。只需遵循以下步骤：

  1. 转到www.arduino.cc/en/Main/Software，下载你的操作系统对应的软件。按照指令安装。
  2. 运行 Arduino IDE 并删除默认的代码，然后将下面的代码复制到 IDE 中。
  3. 导航到菜单栏，依次点击“项目”-“加载库”-“添加 .ZIP 库”
  4. 在“工具”菜单栏中选中 Arduino Nano 开发板
  5. 将 Arduino 连接到 PC 并在“工具”中设置好 COM 端口。
  6. 点击上传按钮
  7. 一切准备就绪
#include "Wire.h"
#include "TPA81.h"
// Create new TPA81 instance
TPA81 tpa;
void setup() {
 Serial.begin(9600);
 // You need to begin the Wire library to use TPA81 library
 Wire.begin();
}
void loop() {
 // Print temperature light
 Serial.print(tpa.getAmbient());
 Serial.print(" ");
 // Print all temperature point
 for (int i = 1; i <= 8; i++)
 {
   Serial.print(tpa.getPoint(i));
   Serial.print(" ");
 }
Serial.println(" ");
 delay(100);
}

翻译：使用红外传感器与Arduino进行简单动作与手势检测_第5张图片

运行此代码后，打开 Arduino IDE 中的串口监视器，查看 TPA81 的8个阵列温度。每一行中的第一个数字是总温度。现在把你的手放在传感器前面，看看你身体的温度。要定义手势，你应该知道你的手的温度，并且把它设定为一个偏移量。我们把它设置为29度。上传下一个代码，然后把手放在传感器前移动。

#include "Wire.h"
#include "TPA81.h"
// Create new TPA81 instance
TPA81 tpa;
void setup() {
 Serial.begin(9600);
 // You need to begin the Wire library to use TPA81 library
 Wire.begin();
}
void loop() {
 // Print temperature light
 Serial.print(tpa.getAmbient());
 Serial.print(" ");
 // Print all temperature point
 for (int i = 1; i <= 8; i++) { if (tpa.getPoint(i)>29)
   Serial.print("#  ");
   else
   Serial.print(".  ");
 }
Serial.println(" ");
 delay(100);
}

翻译：使用红外传感器与Arduino进行简单动作与手势检测_第6张图片

我们编写了一种算法来检测一个简单的手势，比如增加或减少播放器的音量。你可以复制下面的代码并尝试它。

#include "Wire.h"
#include "TPA81.h"
#include "ssd1306.h"
#include "DHT.h"
// Create new TPA81 instance
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    /* connect to the DIN pin of OLED */
#define SPI_SCK    13 
uint8_t oled_buf[WIDTH * HEIGHT / 8];
int gesture[8][20];
int tgesture[8];
int sum=0;
int sflag; // standby flag
int gcount;
int c;
int ex;
int vol=5;
const uint8_t v1 [] PROGMEM = {
0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x0c, 0x31, 0xc6, 0x0c, 0x61, 0x86, 0x3e, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x0c, 0x67, 0xe6, 0x0c, 0x61, 0x86, 0x3e, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x06, 0x66, 0x36, 0x0c, 0x61, 0xce, 0x30, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x06, 0x6c, 0x36, 0x0c, 0x61, 0xce, 0x30, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x06, 0x6c, 0x36, 0x0c, 0x61, 0xce, 0x3e, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x06, 0x4c, 0x36, 0x0c, 0x61, 0xb6, 0x3e, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x02, 0xcc, 0x36, 0x0c, 0x61, 0xb6, 0x30, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x03, 0xc6, 0x36, 0x06, 0x61, 0xb6, 0x30, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x03, 0x87, 0xe7, 0xe7, 0xe1, 0x86, 0x3e, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x01, 0x81, 0xc7, 0xe3, 0x81, 0x86, 0x3e, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x18, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x38, 0x40, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x78, 0x70, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0xf8, 0x38, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0xf9, 0x88, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x1f, 0xf9, 0xcc, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x1f, 0xf8, 0xc4, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x1f, 0xf8, 0x66, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x1f, 0xf8, 0x66, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
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   0x00, 0x0f, 0xf9, 0x8c, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0xf8, 0x18, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x78, 0x30, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x38, 0x60, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x38, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
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   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x1f, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
   0x00, 0x3f, 0x80, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
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   0x00, 0x3f, 0x80, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
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};
const uint8_t v2 [] PROGMEM = {
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   0x00, 0x06, 0x6c, 0x36, 0x0c, 0x61, 0xce, 0x3e, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
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};
const uint8_t v3 [] PROGMEM = {
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};
const uint8_t v4 [] PROGMEM = {
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};
const uint8_t v5 [] PROGMEM = {
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const uint8_t v6 [] PROGMEM = {
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const uint8_t v7 [] PROGMEM = {
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};
const uint8_t v8 [] PROGMEM = {
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};
const uint8_t v9 [] PROGMEM = {
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};
const uint8_t v10 [] PROGMEM = {
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const uint8_t v11 [] PROGMEM = {
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   0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00
};
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;
 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; } 
   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() {
 for (int i = 0; i <= 7; i++) // reading 8 pixel { if (tpa.getPoint(i)>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);   // sum of 8 pixel
 Serial.println(" ");delay(100);   // speed of reading
 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////standby
 if (sum==8){sflag=1; Serial.println("standby");}
 else {sum=0;}
 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////progress
 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)>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);} // sum of 8 pixel
       Serial.println(" "); delay(50); // speed of reading
       gcount++; // lentgh of gesture
       }
     Serial.print("sum : "); Serial.println(sum);  
     Serial.print("lentgh of gesture : "); Serial.println(gcount);
     delay(5);
     for (int c=0; c<=7; c++){
       for (int z=0; z<=gcount; z++)
         {tgesture[c]+=gesture[c][z];delay(5);}
       Serial.println("processing");}
     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]

下一步是什么？

使用上述方法，你可以扩展代码以检测其他手势，如 tapping, dragging, dropping, stretching （译注：这些在软件开发中常见的事件我词穷了，尴尬……）等。然后定义命令，以便在检测到这些动作和手势时执行某些任务。

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