游長莉，馬雙寶

（武漢紡織大學 機械工程與自動化學院，湖北 武漢 430200）

關鍵字：樓層檢測；JY901；線性插值；語音系統(tǒng)

0 引言

電梯是當今世界高層建筑中必不可少的垂直運輸工具。隨著城市文明和現代化建設的發(fā)展，建筑群的規(guī)模越來越大，樓層越來越高，人們對電梯的服務要求也越來越來高，不僅對安全性和可靠性的要求越來越高，而且對電梯的人性化要求也越來越高。因此，研發(fā)一種電梯樓層自動檢測所到達樓層的通用型電梯語音系統(tǒng)具有重要意義。電梯樓層自動檢測系統(tǒng)具有電梯到達樓層報數、顯示的功能，是人性化乘梯的具體顯示。

電梯如需要樓層信息報站服務需要外加語音報站器。目前國內許多學者針對該問題做了許多深入研究[1-3]。一般而言現有的電梯語音報站系統(tǒng)采用接入電梯按鍵控制系統(tǒng)，通過乘梯人鍵入的樓層信息播報相應的語音信息[4]?；蛘卟捎谜Z音芯片根據樓層運行、停留的時間錄放樓層信息語音存儲和播放[5-7]。但語音芯片系統(tǒng)存在一些缺陷，如音質不高、容量有限以及語音更改不變等。

本文提出一種基于JY901姿態(tài)角度傳感器的氣壓測量的語音報站系統(tǒng)，設計了一種通過ARDUINO微處理器讀取JY901姿態(tài)角度傳感器測量的電梯轎廂氣壓，幵將電梯轎廂在運行和停止的氣壓差轉換成海拔高度，換算出樓層高度的自動語音報站系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有體積小、精度高、功耗低等優(yōu)點，因而適用于各類應用場合的電梯設備。

1 檢測原理與方法

電梯樓層自動檢測系統(tǒng)采用JY901姿態(tài)角度傳感器測量電梯轎廂大氣密度的變化。不管電梯轎廂處于向上運行還是向下運行，轎廂內部的氣壓隨著電梯轎廂的運行而不斷變化，通過氣壓高度公式計算得到電梯樓層信息。

氣壓-高度測量原理：

氣壓-高度測量的原理是隨著高度的升高，大氣氣壓降低。因此可以通過氣壓傳感器測量環(huán)境大氣壓就能夠間接獲取電梯所到樓層的高度，從而計算出電梯所在樓層，公式（1）表示以海平面為基準，大氣壓和高度之間的關系：

式中：H為相對應于海平面的高度，單位m；P0為海平面大氣壓，單位KPa；在15℃時，P0=101.325 KPa。

根據大氣壓強與海拔高度的關系曲線和計算公式（1），通過測量某一位置的大氣壓強值，就可以準確的算出對應的海平面高度。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)總體設計的原則是保證自動檢測報站系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，既要做到準確報站（不錯報、不漏報、及時報）。其電路主要是電梯樓層信號的采集與處理，外部電源模塊，M3語音播放模塊，顯示輸出模塊以及外圍電路組成。微控制器Arduino UNO通過串口與JY901姿態(tài)角度傳感器連接。

電梯樓層自動檢測系統(tǒng)正常工作時，需要采集電梯運行的相關信息。本系統(tǒng)采用JY901姿態(tài)角度傳感器通過串口和微控制器Arduino UNO相連接，電梯轎廂運行到達的樓層經過氣壓傳感器的測量與處理后送至微處理器，微處理器分析、判斷、提取出有效信息，在通過微控制器處理輸出控制信號到M3語音播放模塊，在驅動外部的音響或喇叭放音。系統(tǒng)總體設計原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設計原理圖

2.1 JY901姿態(tài)角度傳感器

JY901模塊集成高精度的陀螺儀、加速度計、地磁場傳感器，采用高性能的微處理器和先進的動力學解算與卡爾曼動態(tài)濾波算法。先進的數字濾波技術，能有效降低測量噪聲，提高測量精度。模塊內部集成了姿態(tài)解算器，配合動態(tài)的卡爾曼濾波算法，能夠在動態(tài)環(huán)境下準確輸出模塊的當前姿態(tài)。內部自帶電壓穩(wěn)定電路，工作電壓3.3V～5V，引腳電平兼容3.3V/5V的嵌入式系統(tǒng)。支持串口和IIC兩種數字接口，串口速率2400bps～921600bps可調，IIC借口支持全速400K速率。最高200Hz數據輸出速率。

2.2 微控制器Arduino UNO

微控制器Arduino UNO為主控制器，是整個系統(tǒng)的核心，負責復位操作、傳感器數據采集、數據運算處理、語音播報、顯示器驅動等。該系統(tǒng)選用的Arduino UNO微控制芯片是意大利Arduino公司出品的一個開源電子設計平臺。以ATmega328 MCU控制器為基礎。系統(tǒng)采用的Arduino UNO微控制器具有14路數字輸入/輸出引腳(其中6路可用于PWM輸出)、6路模擬輸入。它采用Atmega16U2芯片進行USB到串行數據的轉換。能方便的與外圍設備進行通信。Arduino Uno可通過USB連接或者外部電源供電。外部供電電壓在5V～12V之間，本系統(tǒng)外部電源從用5V直流電源。

2.3 顯示模塊

本系統(tǒng)采用標準的1602液晶顯示器來輸出顯示。1602液晶顯示器是一種將液晶顯示屏、控制集成電路、PCB板、背光源、結構構件裝備在一起的集合。

顯示器的主要參數：D0～D7數據口，R/W讀寫選擇，RS數據/命令寄存器，BLA/BLK分別為背光正極/背光負極，VDD接+5V，VSS電源接地，VL液晶顯示偏壓用來調節(jié)對比度。

2.4 語音播放模塊

系統(tǒng)選用已有的集成M3語音播放模塊。該模塊直流5V/1A供電，提供9個觸發(fā)端口，可直接觸發(fā)也可單片機編碼觸發(fā)播放，具有有源音箱和喇叭借口，最大支持16G內存。

JY901姿態(tài)傳感器通過串口連接到Arduino微控制器，語音播放模塊和顯示輸出模塊與 Arduino的數字I/O連接，最后得到該系統(tǒng)的硬件電路總圖如圖2所示。圖中U1為1602液晶顯示器，顯示電梯轎廂到達的樓層信息，U2為Arduino UNO微控制器，U3為JY901姿態(tài)角度傳感器，通過串口與微控制器連接，U4為M3語音播放模塊，通過數字I/O口與微控制連接。

圖2 電梯樓層自動檢測系統(tǒng)硬件電路連接圖

3 系統(tǒng)軟件設計

由于電梯樓層自動檢測語音報站系統(tǒng)在使用過程中，主要是根據電梯轎廂到達樓層的相關信息自動播報語音。檢測系統(tǒng)的軟件設計程序主要是基于Arduino IDE軟件編寫。程序設計思路為頂層到底層，采用模塊設計方案，主要包括系統(tǒng)及其設備初始化、JY901姿態(tài)角度傳感器測量氣壓數據讀取、樓層信息和語音播報與顯示。程序以循環(huán)方式進行，系統(tǒng)工作流程圖如圖3所示。以下對四部分程序設計進行詳細說明。

圖3 樓層高度測量語音報站工作流程圖

3.1 系統(tǒng)及其設備的初始化

電梯樓層自動檢測系統(tǒng)上電后，首先對系統(tǒng)及其設備進行初始化。系統(tǒng)初始化主要包括對系統(tǒng)的I/O接口、波特率、時鐘等進行設置。而設備的初始化主要是對JY901傳感器和1602液晶顯示器進行初始化，使其能夠正常工作。系統(tǒng)初始化后對JY901姿態(tài)角度傳感器測量的氣壓數據進行讀取，發(fā)送給微處理器，按公式（1）計算出樓層相對地面海拔高度（樓層距離地面的處置距離）。

3.2 語音播報系統(tǒng)

電梯樓層自動檢測語音報站系統(tǒng)的基本功能，是根據樓層氣壓信息換算出樓層高度信息，語音播報到達的相對應的樓層?；跉鈮焊叨葌鞲衅鞯臉菍幼詣訖z測語音系統(tǒng)，根據電梯轎廂升降高度不同，檢測氣壓變化差值計算出樓層高度，通過串口發(fā)送給Arduino微控制器，微控制器判斷、提煉有效信息，然后通過數字I/O口將樓層信息發(fā)送給語音播報系統(tǒng)。該電梯樓層自動檢測語音系統(tǒng)不需要電梯生產公司提供電梯控制系統(tǒng)的API接口，連接外部的語音系統(tǒng)模塊；也不需要在各個樓層的電梯井內安裝紅外檢測，檢測電梯轎廂到達樓層；也不需要與電梯按鍵系統(tǒng)連接。該系統(tǒng)的獨立性良好，因而適用于各類應用場合的電梯設備。

電梯樓層自動檢測語音報站系統(tǒng)流程圖4所示。系統(tǒng)實現過程如下：假定電梯轎廂?？吭趎樓，自動檢測語音報站系統(tǒng)電路在接通電源后，首先進行系統(tǒng)及其設備的初始化，實時讀取JY901姿態(tài)角度傳感器測量的氣壓值，換算出電梯轎廂的實時高度。以一樓為樓層自動檢測基準，若電梯轎廂上升的高度小于兩米且處于停止狀態(tài)為一樓；檢測電梯轎廂的運行狀態(tài)，電梯轎廂停止時檢測到的氣壓減去上一個電梯轎廂停止運行時檢測到的氣壓，若氣壓差值隨時間增加而減少，表明電梯轎廂處于向上運行狀態(tài)，電梯轎廂停止運行后，傳感器檢測出的高度大于2米小于6米，樓層為2樓，JY901通過串口將數據發(fā)送給Arduino微控制器，語音播放模塊播報當前樓層信息。反之若檢測到的氣壓值增大，則表明電梯轎廂處于向下運行狀態(tài)。

圖4 電梯樓層語音報站系統(tǒng)流程圖

4 實驗與分析

圖5 樓層高度測量值與實際值關系曲線

為了驗證電梯轎廂壓強測量樓層高度的方法的有效性，對武漢某地9層建筑物電梯到達各個樓層的高度進行實地測量，以該建筑的一樓為基準，多次反復測量建筑物內電梯運行到達樓層的高度，得到多組數據。任意選取四組數據繪制曲線，得到樓層高度測量值與實際值關系曲線如圖5所示。

使用測量系統(tǒng)對該建筑物檢測各個樓層測量的結果可以看出，JY901姿態(tài)角度傳感器能較為準確的測量出樓層相對于某一平面的高度，最大的誤差為 0.31m，發(fā)生在第八樓，全部樓層的高度偏差為 0.35m，能夠滿足測量樓層高度的要求。

5 結論

電梯樓層自動檢測語音報站系統(tǒng)通過氣壓值的變化換算樓層高度確定對應樓層，系統(tǒng)經調試后能穩(wěn)定、可靠運行，具有一定的抗干擾能力。系統(tǒng)采用的獨立設計能很好的適應不同場合的電梯設備，達到了預期的設計要求。