無按鍵式電梯控制面板的研究

李佳澈

摘 要：隨著人們對公共環境衛生與個人健康的關注度提高，越來越多的場所需要更加清潔、安全。近些年，使用頻率較高的電梯按鍵受到細菌污染的報道頻現。本研究從電梯按鍵是否存在污染入手，通過實驗證明了不同地點的不同電梯按鍵確實存在細菌污染。為有效避免交叉感染，本研究利用手勢傳感器、Arduino uno單片機、效應管驅動模塊、制作出無按鍵式電梯控制面板，當手指在指定位置上順時針方向畫圓，傳感器就會識別到信號信息，進而達成通往某樓層的指令。關鍵詞：無按鍵 電梯 控制面板

中圖分類號：TP2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）06（a）-0031-03

1 研究背景

隨著生活水平的不斷提高，健康意識逐漸加強，越來越多的人們開始關注公共環境衛生給個人健康所帶來的影響。近些年，關于電梯按鈕細菌污染的報道頻現媒體，真實的情況究竟是怎樣的呢？為此筆者專門做了一項小試驗：使用ATP熒光測試儀對同一部電梯的同一個按鍵清潔前后分別測試其RLU值，結果顯示清潔前RLU值是清潔后的數倍到數十倍。從而證實了公共電梯按鍵確實存在污染的情況。為了能避免這種污染造成交叉感染，筆者想到了一種避免直接接觸電梯按鈕的操作方式，通過一種手勢傳感器控制相應樓層的信息輸入，當手指在指定位置上順時針方向畫圓，傳感器就會識別到信號信息，進而達成通往某樓層的指令。這樣做不僅可以有效地遠離通過手部傳播的細菌，還可以順利的到達相應的樓層。

2 調查分析

電梯按鍵是否如人們談論的那樣臟呢？如果出現細菌污染，那么又跟那些因素有關呢？為了弄清楚這些問題，筆者決定還是自己親自檢驗一下。

（一）調查地點：為增加數據的可比性，選擇了自家小區電梯、某商場電梯和某醫院電梯三部電梯進行檢測，分別檢測一層上鍵、電梯內1鍵和樓層中的下鍵三個經常被使用的按鍵。

（二）使用儀器及原理：使用手持式ATP熒光檢測儀分別對以上按鍵清潔前和清潔后測量RLU值。因蟲熒光素酶可催化蟲熒光素和ATP之間發生反應形成熒光素并發出熒光，發出的熒光強度與微生物數量呈正比例關系。因此通過發光強度RLU值的比較，即可定性分析出按鍵相對污染程度。

（三）數據分析：經過檢測、記錄、整理，得到如下九組數據，如表1所示。

（四）結論：因清潔使用普通濕巾和面巾紙，不是專業消毒器具，操作也不夠專業，因此存在清潔效果的誤差。顯示結果只是相對發光強度值RLU，而未做菌落檢測，因此只能用于定性分析微生物相對數量，而不能確定其種類和具體數值。根據以上數據大致可以得出以下結論。

1.清潔后發光量較清潔前明顯減少，說明清潔前確實存在不同程度的污染。

2.橫向比較，小區電梯污染程度最低，醫院電梯污染程度最高。

3.縱向比較，一樓上鍵和樓梯內1鍵污染程度比樓層內下鍵污染程度高。

4.綜合2、3兩點說明按鍵的污染程度與使用頻率有關。

普通的公共電梯按鈕尚且如此，那么可想而知在傳染病醫院、傳染科病房等特殊場合所使用的電梯按鍵污染程度更高，更容易傳播病菌。

3 解決思路

既然電梯按鍵確實存在污染的現象，且與人的使用頻率有關系，那么如何避免這種情況的發生呢？筆者首先想到的就是能不能設計出一個非接觸式的操作方式，減少人體與電梯按鍵的接觸，這樣就可以避免電梯按鍵被污染，即使有污染也不會將細菌傳遞到人體而損害人體健康。

通過翻閱資料，目前這方面的設計有語音識別方式、紅外激光感應方式、孔洞式感光按鈕等，經過認真學習和分析以上幾種解決思路，發現它們都多少存在一些局限性，比如語音識別需在相對安靜的環境下使用，且與人的口音密切相關；紅外激光感應方式需與攝像頭配合使用，當電梯內人較多時，識別率降低；孔洞式感光按鍵當手指伸入孔洞是難免會與孔壁接觸，未起到有效隔離。筆者使用一種能夠識別手勢的傳感器，再配合一定的電路設計和編程來實現非接觸式的觸發，設計了一款無按鍵式的電梯控制面板。

4 設計思路及制作

4.1 器材介紹

⑴手勢傳感器模塊Grove - Gesture。

Grove - Gesture上的傳感器是將手勢識別功能與通用 I2C 接口集成到單個芯片中的 PAJ7620U2 。它可以識別 9 種基本手勢包括有向上、向下、向左、向右、向前、向后、順時針、逆時針、揮手，并且可以通過 I2C 總線簡單地訪問這些手勢信息，如圖1所示。

⑵Arduino uno單片機。

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。包含硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（Arduino IDE）。Arduino UNO是Arduino平臺的參考標準模板。UNO的處理器核心是ATmega328單片機，同時具有14路數字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個16MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復位按鈕，如圖2所示。

⑶效應管驅動模塊。

尺寸：33*24mm

重量：10g

電壓：3.3V、5V

端口：數字量電平

輸出負載電壓：0-24V

輸出負載電流：<5A （1A以上需加散熱片）

平臺：Arduino、單片機、ARM、樹莓派

采用原裝IRF520功率MOS管，可以進行PWM調節輸出

可以讓Arduino驅動高達24V的負載，如LED燈帶、直流馬達、微型水泵、電磁閥，如圖3所示。

4.2 制作過程

整個裝置由控制單元、檢測單元、顯示單元三部分組成。

⑴控制單元。

以Arduino uno單片機作為控制器，其中1個主控器3個協控制器。其中主控制器負責接收協控制器發出的樓層控制指令和1個手勢傳感器的檢測信號，并根據接收到的指令進行邏輯判斷和執行，最后控制2004LCD液晶屏顯示相對應的文字信息。3個協控制器分別負責接收1個手勢傳感器的信號檢測，并根據該信號信息執行相應的按鍵控制指令，同時將所獲取的信號信息處理后發送至主控制器如圖4所示。

⑵檢測單元。

檢測單元由4個PAJ7620U2手勢傳感器模塊組成，根據該傳感器的功能特性和電梯按鍵面板的實際結構，選擇順時針手勢作為目標識別動作。

⑶顯示單元。

顯示單元包括I2C2004LCD液晶顯示屏和電梯按鍵中內置的LED燈，用于模擬真實電梯控制面板。

⑷外形制作。

面板外形采用了亞克力材料激光切割的制作方式，外面板貼仿金屬材質貼紙。

5 不足之處與改進

（一）本項目作品僅處于實驗測試階段，還未經過實際應用檢測，缺少實際應用的問題反饋。

（二）本項目所使用的PAJ7620U2手勢傳感器模塊的識別成功率在70%左右，在未來的改進中筆者將嘗試提升識別成功率或尋找識別成功率更高的類似模塊替換。

（三）電梯按鍵與手勢傳感器模塊沒有實現一體化設計，筆者將通過進一步的研究予以實現。

（四）項目在電梯按鍵的選擇方式上與傳統方式不同，如何對使用者進行簡潔、快速的使用提示也是未來要改進的。

6 結語

本項目的研究基本實現了設計意圖，可以在醫院、學校等人員流動量大且易產生病菌交叉感染的場所實現應用，尤其是對傳染病或傳染科病房隔離有害病菌能夠起到一定的隔離防護作用。

（感謝中科院生態所的科學家在研究項目初期的調查中給予的指導，感謝指導老師在項目研究的整個過程中給予的幫助，感謝家人對筆者的支持與鼓勵。

因時間倉促知識水平有限，不當之處敬請指正！）

參考文獻

[1] （美）Michael McRoberts.Arduino從基礎到實踐.[M]·2版電子工業出版社，2017.

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