關(guān)于疫情期間免接觸電梯的設(shè)計(jì)

王壹創(chuàng)，馮順念，成龍，史道玲

（安徽新華學(xué)院 電子工程學(xué)院，安徽合肥，230088）

0 引言

當(dāng)前疫情形勢依然嚴(yán)峻，在各個(gè)場所都相應(yīng)的進(jìn)行了一定的防范措施，但是對于電梯這一封閉環(huán)境而言，當(dāng)前只有人工消毒這一單一方式，但電梯仍需人按鍵乘梯，而按鍵這一操作對于病毒傳播也是一種方式，所以若能實(shí)現(xiàn)無接觸的方式實(shí)現(xiàn)電梯的選層、呼叫、開門、關(guān)門這一系列操作將會(huì)使電梯這一封閉環(huán)境的防疫起到至關(guān)重要的作用，但對于新電梯開發(fā)這一功能在工廠內(nèi)進(jìn)行預(yù)安裝固然可行，但是就2020年而言全球電梯保有量已經(jīng)達(dá)到1957萬臺，難道直接“以舊換新”，這顯然不切實(shí)際，若可以讓舊電梯“外設(shè)”完成無接觸功能的獲得，這一方式對比于直接改裝電路、廠內(nèi)的預(yù)裝更具有經(jīng)濟(jì)性，符合可持續(xù)發(fā)展的需求，，且疫情結(jié)束完全可以選擇繼續(xù)加裝或者拆除，當(dāng)然如果可以在這一“外設(shè)”上實(shí)現(xiàn)除“無接觸乘梯”的其他功能控制病毒的傳播那就是錦上添花，例如可加上“定時(shí)消毒”、“體溫監(jiān)測來控制梯門的開關(guān)”等功能，為疫情的早日結(jié)束貢獻(xiàn)屬于自己的力量。

本設(shè)計(jì)適用于任何傳統(tǒng)電梯且不限人群使用，本文將從設(shè)計(jì)的硬件、外觀以及如何實(shí)現(xiàn)“外設(shè)”方式等方面進(jìn)行闡述。

1 設(shè)計(jì)思路

首先為了實(shí)現(xiàn)無接觸，決定采用語音控制和掃碼控制，因?yàn)槿绻捎脝我坏恼Z音控制代替原有的人工按鍵控制，確實(shí)可以達(dá)到無接觸的控制電梯的目的，但卻忽略了一個(gè)問題，即使用者若為聾啞人或發(fā)聲障礙人士，那么語音控制對他們而言完全是不可能，只能求助于他人。因此為適用不同人群，同時(shí)增加了掃碼控制，解決了這一類人群的使用問題。而且由于這兩種方式不僅可實(shí)現(xiàn)代替人工按鍵還可以同時(shí)完成按鍵的效率問題，極大減緩了由于人多而導(dǎo)致語音識別的壓力以及繁瑣的步驟問題。同時(shí)對于老年人也可通過打印二維碼達(dá)到選層的目的，相比于IC卡的制作成本大大降低，且相比于其他無接觸手段如AI手勢識別當(dāng)前成本過高。

其次全球電梯保有量一直在不斷增加，若采用廠家預(yù)裝的形式對電梯實(shí)現(xiàn)升級亦或廠家派專業(yè)人員前往舊電梯進(jìn)行現(xiàn)場更換升級過于麻煩，所以本設(shè)計(jì)采用外掛的形式，存在類似于電梯外設(shè)，其具有安裝簡單以及日后可拆卸性強(qiáng)等特點(diǎn)，對于電梯前期的安裝設(shè)備以及日后的拆卸無疑是極具便捷的。

同時(shí)由于感染新型冠狀病毒大多數(shù)情況伴有高燒等體溫異常的情況，所以可在電梯外安裝體溫監(jiān)測系統(tǒng)，檢測人的體溫是否異常再?zèng)Q定是否打開梯門。

最后由于消毒的人工過于繁瑣，因此可通過軟件實(shí)現(xiàn)某一時(shí)段的定時(shí)消毒，代替人工消毒。

2 硬件設(shè)計(jì)

關(guān)于本設(shè)計(jì)的硬件部分，本部分的硬件設(shè)計(jì)將從語音控制、掃碼、消毒以及體溫監(jiān)測四部分進(jìn)行闡述。

■2.1 語音控制

系統(tǒng)的主控單元為NRK3301語音識別芯片，通過紅外傳感器采集出入電梯的人員信息，在人員進(jìn)入時(shí)主動(dòng)發(fā)出詢問信號，在得到人員回復(fù)的信息后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信號，實(shí)現(xiàn)電梯的選層、開關(guān)門。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

NRK3301語音識別芯片的主要性能：高性能32位RISC 內(nèi)核，主頻 240MHz，支持硬件浮點(diǎn)運(yùn)算，其內(nèi)置1MB SPI FLASH 支持離線語音識別，采用最新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（TDNN）算法，具有識別精準(zhǔn)，誤判率低等優(yōu)勢，5 米遠(yuǎn)場可靠識別且通過語音降噪算法可過濾掉穩(wěn)態(tài)噪聲、對動(dòng)態(tài)噪聲也有很好的抑制作用，噪音下也可準(zhǔn)確識別。

音頻解碼上支持 MP3、WAV、WMA、APE、FLAC、AAC、MP4、M4A、AIF、AIFC音頻解碼。BT支持SBC和AAC音頻解碼音頻。BT電話支持mSBC 音編解碼器。

音頻：兩通道16位DAC，SNR> = 95dB ；單通道16位 ADC，SNR> = 90dB；采樣率支持 8kHz /11.025kHz/16 kHz/22.05kHz/24kHz/32kHz/44.1kHz/48kHz；三通道立體聲模擬 MUX，DAC支持直推式,單端或者差分輸出。

電源：VBAT 為 2.2V～5.5V，VDDIO 為 2.2V～3.6V。

2.1.2 紅外傳感器

為了避免不必要的人機(jī)對話，故需要判斷人員是進(jìn)入還是走出電梯，若為進(jìn)入，則語音進(jìn)行詢問，若為走出電梯則無需詢問，所以采用兩個(gè)紅外傳感器，兩傳感器分別命名為1、2，當(dāng)人員進(jìn)入時(shí)，先經(jīng)過傳感器1（狀態(tài)1）再經(jīng)過傳感器而再經(jīng)過傳感器2（狀態(tài)2），而經(jīng)過引腳獲得高電平，即狀態(tài)1時(shí)為“10”，狀態(tài)2時(shí)為“11”，即獲得為“1011”時(shí)為進(jìn)入電梯，同理走出電梯為“0111”。不同狀態(tài)下的引腳值如圖2所示。

圖2 不同狀態(tài)引腳值

■2.2 掃碼控制

所謂掃碼控制，即為用戶出示軟件生成的碼，然后電梯自帶的掃碼模塊進(jìn)行解碼，將解碼信息進(jìn)行上傳，與電梯通信，從而實(shí)現(xiàn)掃碼控制代替人工鍵控電梯的目的，且對于無智能手機(jī)的可以將二維碼進(jìn)行打印，一樣實(shí)現(xiàn)控制電梯，相對于IC卡制卡成本大大降低且對于語言障礙人群十分友好。本部分采用遠(yuǎn)景公司EM20系列二維碼掃描器作為掃碼和解碼模塊，圖3是掃碼控制的大致運(yùn)行流程圖。

■2.3 體溫檢測

針對市面上的體溫檢測工具進(jìn)行分析，決定采用人臉識別技術(shù)，測溫同時(shí)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)人臉識別，鎖定超溫目標(biāo)，自動(dòng)保存紅外及可見光報(bào)警圖像，如市面上廣州科締歐電子科技有限公司旗下的智能紅外熱像儀測溫系統(tǒng)KDO-PC10-S650P，然后將其與電梯梯門進(jìn)行連接，當(dāng)檢測出異常體溫時(shí)不允許打開梯門，同時(shí)通知相關(guān)負(fù)責(zé)人進(jìn)行重測或者其他相關(guān)措施，連接圖如圖4所示。

圖4 體溫檢測硬件連接圖

■2.4 自動(dòng)消毒

通過對當(dāng)前疫情環(huán)境下電梯消毒手段分析，百分之九十以上采用人工消毒模式，但是消毒水對于人體健康仍然有一點(diǎn)的危害，所以本設(shè)計(jì)為解決這一問題，采用定時(shí)消毒的模式，相關(guān)硬件連接圖如圖5所示。

圖5 自動(dòng)消毒硬件連接圖

3 軟件設(shè)計(jì)

關(guān)于本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)，主要依據(jù)框圖從以下三個(gè)方面進(jìn)行介紹，分別為語音控制、掃碼控制、自動(dòng)消毒，而自動(dòng)消毒模塊需與電梯“聯(lián)動(dòng)”，如到達(dá)指定時(shí)間開始消毒，但是若電梯中有人（可通過有選層命令未執(zhí)行），則不進(jìn)行消毒，待命令完成后，該電梯不進(jìn)行運(yùn)送任務(wù)，則開啟自我消毒，待消毒完成后再進(jìn)行正常工作。

■3.1 語音控制

關(guān)于語音控制這一模塊，語音處理大致可以分為幾步:音頻（模擬）信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號、編碼處理、存儲(chǔ)、解碼處理、以及將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為音頻（模擬）信號。而所采用的NRK3301語音識別芯片除了具備以上功能以外，還可以進(jìn)行人機(jī)交互，其具有識別精準(zhǔn)、遠(yuǎn)場降噪功能，適合于電梯這一類公共環(huán)境，且成本較低。

本設(shè)計(jì)假設(shè)有六層樓，用六個(gè)垂直安裝的LED模擬相應(yīng)的樓層，實(shí)現(xiàn)是未進(jìn)梯呼叫電梯的狀態(tài)如圖6(a)所示，進(jìn)門后的狀態(tài)如圖6(b)所示。

圖6 未進(jìn)梯及進(jìn)梯流程圖

■3.2 掃碼控制

關(guān)于掃碼控制模塊的軟件設(shè)計(jì)，分為手機(jī)端小程序設(shè)計(jì)及掃碼模塊兩部分，根據(jù)用戶輸入的樓層等信息完成文字信息的轉(zhuǎn)換，然后從文字信息轉(zhuǎn)換為可讓單片機(jī)運(yùn)行的代碼，最后完成代碼信息存儲(chǔ)在二維碼中。該部分不進(jìn)行過多贅述了。

4 整體外觀設(shè)計(jì)

關(guān)于本設(shè)計(jì)的外觀設(shè)計(jì)，如圖7所示，其中整體采用滑槽結(jié)構(gòu)，易于安裝及拆卸，其中圓形部分為語音交互區(qū)域，用戶可根據(jù)需求是否加裝屏幕，用于顯示AI人物與之交互，其次正方形區(qū)域?yàn)閽叽a模塊，而橢圓部分為消毒模塊。

圖7 外觀設(shè)計(jì)草圖

5 小結(jié)

本設(shè)計(jì)立足于當(dāng)前疫情的嚴(yán)峻形勢，旨在解決人們在電梯中因接觸導(dǎo)致感染風(fēng)險(xiǎn)的可能性問題。本設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)的僅僅使用聲控這一單一的方式達(dá)到無接觸控制電梯目的，也為語言障礙者提供了另一種掃碼控制的方式，同時(shí)也減輕了語音控制的壓力。其次為符合實(shí)際，在當(dāng)今電梯保有量巨多的大背景下采用了外掛的方式，作為電梯的“外設(shè)”，實(shí)現(xiàn)了舊電梯的簡單升級，使其更加智能化，也符合可持續(xù)發(fā)展理念。同時(shí)還增加了自動(dòng)消毒的功能，大大減少了人工消毒的繁瑣。本設(shè)計(jì)為當(dāng)前疫情環(huán)境下電梯的發(fā)展提供了新的解決方案，設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)方面還有待進(jìn)一步深入探索和完善。