廣東技術(shù)師范大學(xué) 蔡曉哲 馬銳軍 王曉軍 許熙熙 蘇 樂(lè) 陳文霞 丁 韓 李蔚敏

在新冠疫情的影響下，密閉的電梯間成為防控新冠肺炎病毒交叉感染的重點(diǎn)場(chǎng)所之一。針對(duì)這一問(wèn)題，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一套基于嵌入式與云平臺(tái)管理的無(wú)接觸電梯智能聯(lián)控交互系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于嵌入式平臺(tái)，集成了激光測(cè)距技術(shù)、智能語(yǔ)音交互技術(shù)和云平臺(tái)開(kāi)發(fā)管理技術(shù)。激光技術(shù)可實(shí)現(xiàn)用戶通過(guò)手指在空中點(diǎn)按樓層，無(wú)需直接接觸按鍵的主要功能，同時(shí)輔以語(yǔ)音交互以及云管理平臺(tái)建立實(shí)時(shí)通信。本項(xiàng)目實(shí)時(shí)性好，穩(wěn)定性高，且適用性廣泛，可靈活應(yīng)用于多種電梯系統(tǒng)中。

隨著新冠肺炎的蔓延和反復(fù)性，國(guó)民的防疫意識(shí)提高，對(duì)無(wú)接觸出行有了更高的要求。電梯作為出行的必經(jīng)場(chǎng)所，傳統(tǒng)的電梯案結(jié)案均為不銹鋼材質(zhì)，而在室溫條件下，新冠肺炎病毒可在不銹鋼表面存活7天，在21℃和30～40RH條件下，人冠狀病毒229E（human coronavirus 229E，H-CoV 229E）在不銹鋼表面持續(xù)存在5天后仍具有傳染性，即使通過(guò)紫外線或者消毒劑擦拭按鈕，人們乘坐電梯時(shí)存在被病毒感染的風(fēng)險(xiǎn)。截至2020年年底，全國(guó)電梯登記數(shù)量約八百萬(wàn)臺(tái)，這給電梯維保和更新市場(chǎng)帶來(lái)巨大的發(fā)展空間。國(guó)內(nèi)無(wú)接觸電梯市場(chǎng)現(xiàn)狀隨著信息化的不斷加深，計(jì)算機(jī)技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)算法的發(fā)展，我國(guó)的智能化發(fā)展體系日趨完善，無(wú)接觸電梯行業(yè)得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注和發(fā)展。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)基于STM32嵌入式平臺(tái)，采用了激光測(cè)距掃描技術(shù)，根據(jù)按鍵面板硬件部分，制定了數(shù)據(jù)范圍算法，精準(zhǔn)地識(shí)別出用戶按下的按鍵。為滿足多種人群對(duì)智能無(wú)接觸電梯的呼梯需求，該系統(tǒng)還設(shè)置了語(yǔ)音以及手機(jī)端呼梯的技術(shù)，使系統(tǒng)更為完備，提高系統(tǒng)的適用范圍。

1 系統(tǒng)工作原理

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一套基于嵌入式與云平臺(tái)管理的無(wú)接觸式電梯智能聯(lián)控交互系統(tǒng)，如圖1所示。本系統(tǒng)通過(guò)制定數(shù)據(jù)范圍算法、采用百度語(yǔ)音服務(wù)平臺(tái)、創(chuàng)建手機(jī)App來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)三大部分進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)及優(yōu)化。

圖1 基于嵌入式與云平臺(tái)管理的無(wú)接觸式電梯智能聯(lián)控交互系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

（1）激光掃描無(wú)接觸按鍵面板：采用了激光測(cè)距掃描技術(shù)，根據(jù)按鍵面板硬件部分，制定了數(shù)據(jù)范圍算法，精準(zhǔn)地識(shí)別出用戶按下的按鍵。

（2）智能語(yǔ)音交互和語(yǔ)音播報(bào)：采用了語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)和語(yǔ)音播報(bào)技術(shù)，使用百度語(yǔ)音服務(wù)平臺(tái)，對(duì)用戶的語(yǔ)音請(qǐng)求進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別，識(shí)別出想去的樓層并發(fā)給主控芯片內(nèi)存。通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)技術(shù)，對(duì)電梯樓層和用戶請(qǐng)求樓層進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)。

（3）手機(jī)App呼層：采用先進(jìn)的云平臺(tái)技術(shù)，在電梯內(nèi)創(chuàng)建無(wú)線局域網(wǎng)，通過(guò)WIFI實(shí)現(xiàn)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)智能呼層。

2 硬件方案

本項(xiàng)目硬件部分主要包括四部分組成，分別是：激光電路、單片機(jī)主控電路、與原電梯按鈕銜接裝置、WIFI模塊串口通信。

半導(dǎo)體激光器在額定范圍中，其輸出光功率與電流成線性關(guān)系。同時(shí)，得益于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、效率優(yōu)等優(yōu)點(diǎn)，半導(dǎo)體激光器通常作為小型激光測(cè)距儀的光源使用。半導(dǎo)體激光器具有了能夠直接調(diào)制輸出光強(qiáng)的特性，調(diào)制更為簡(jiǎn)單。此外，本項(xiàng)目通過(guò)利用集成電路產(chǎn)生脈沖波形以及使用MAX3656芯片作為核心元件，從而獲得小型化以及高速的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路。

根據(jù)本系統(tǒng)的功能以及開(kāi)發(fā)要點(diǎn)，本項(xiàng)目使用STM32嵌入式處理器作為主控電路的核心。該處理器具有成本適中、低功耗、外設(shè)豐富、高性能等特點(diǎn)，能滿足本項(xiàng)目硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。STM32的高工作頻率和112個(gè)快速輸入/輸出端口以及多通道的模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換為智能聯(lián)控系統(tǒng)提供了充分的保障，使得系統(tǒng)更為靈敏。

本項(xiàng)目利用市面上現(xiàn)有的繼電器，將電梯每一個(gè)功能按鍵通過(guò)一個(gè)繼電器與系統(tǒng)連接，達(dá)到當(dāng)乘客對(duì)電梯進(jìn)行操作時(shí)，繼電器的輸入量相對(duì)應(yīng)變化，當(dāng)達(dá)到該繼電器的設(shè)置閾值時(shí)，被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化，進(jìn)而控制相對(duì)應(yīng)的按鈕。

ESP8266WIFI模塊內(nèi)置TCP/IP協(xié)議線，并支持三種工作模式。基于ESP8266_NONOS_SDK編程實(shí)現(xiàn)設(shè)備-設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，本項(xiàng)目選用AP模式，將移動(dòng)端直接與模塊連接，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)在線遠(yuǎn)程控制。

3 軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的激光掃描算法圖如圖2所示。語(yǔ)音交互采用了百度語(yǔ)音API服務(wù)調(diào)用的方法。其API平臺(tái)可為本項(xiàng)目軟件設(shè)計(jì)提供精準(zhǔn)且安全穩(wěn)定的服務(wù)。本項(xiàng)目通過(guò)調(diào)用API將語(yǔ)音信息轉(zhuǎn)換成文本格式，再?gòu)奈谋局凶R(shí)別是否有關(guān)鍵字，如“小丁”（喚醒詞）、“一樓”等等，如果存在關(guān)鍵詞，則做響應(yīng)的處理，比如“小丁”對(duì)應(yīng)程序喚醒、“五樓”對(duì)應(yīng)按下電梯五樓等等。當(dāng)對(duì)應(yīng)操作打開(kāi)時(shí)，將會(huì)有響應(yīng)的語(yǔ)音播報(bào)，讓使用者知道當(dāng)前語(yǔ)音識(shí)別是否準(zhǔn)確。

圖2 激光掃描算法圖

本系統(tǒng)提供的第三種呼梯技術(shù)即可在手機(jī)端進(jìn)行呼梯操作。通過(guò)在開(kāi)發(fā)本系統(tǒng)呼梯APP，在用戶于無(wú)信號(hào)封閉電梯內(nèi)連接到系統(tǒng)熱點(diǎn)后，可加載出上位機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)呼梯操作。

4 系統(tǒng)功能仿真測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性，結(jié)合電梯的亮度和人員呼梯的操作距離進(jìn)行了電梯樓層面板進(jìn)行呼梯模擬。對(duì)于此系統(tǒng)中的主要激光測(cè)距呼梯，本項(xiàng)目的測(cè)試結(jié)果如表1所示，面板的成功率由于激光測(cè)距硬件模塊穩(wěn)定性隨測(cè)量距離的增加而下降受影響，但成果率仍可達(dá)97.50%，系統(tǒng)的按鍵呼梯穩(wěn)定性可觀。在語(yǔ)音呼梯以及手機(jī)端呼梯方面，同樣根據(jù)環(huán)境因素進(jìn)行模擬測(cè)試，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果成功率達(dá)99.2%。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)全功能的測(cè)試，該系統(tǒng)的準(zhǔn)確率極高，能滿足乘客的無(wú)接觸呼梯要求。

表1 激光測(cè)距面板反應(yīng)測(cè)試

本文的基于嵌入式與云平臺(tái)管理的無(wú)接觸式電梯智能聯(lián)控交互系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的電梯按鈕使用模式，創(chuàng)新性將電梯按鍵設(shè)計(jì)為激光掃描矩陣這種無(wú)接觸按鈕形式，符合傳統(tǒng)的手指呼梯。同時(shí)輔以語(yǔ)音和手機(jī)云端的遠(yuǎn)程控制，使得此系統(tǒng)的適用性更為廣泛。該項(xiàng)目的無(wú)接觸式開(kāi)發(fā)研究同時(shí)可以使得其他無(wú)接觸產(chǎn)，具有安全便利的重要意義。