嵌入式與云平臺管理的無接觸式電梯智能聯控交互系統

廣東技術師范大學 蔡曉哲 馬銳軍 王曉軍 許熙熙 蘇 樂 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場所之一。針對這一問題，本項目設計了一套基于嵌入式與云平臺管理的無接觸電梯智能聯控交互系統。該系統基于嵌入式平臺，集成了激光測距技術、智能語音交互技術和云平臺開發管理技術。激光技術可實現用戶通過手指在空中點按樓層，無需直接接觸按鍵的主要功能，同時輔以語音交互以及云管理平臺建立實時通信。本項目實時性好，穩定性高，且適用性廣泛，可靈活應用于多種電梯系統中。

隨著新冠肺炎的蔓延和反復性，國民的防疫意識提高，對無接觸出行有了更高的要求。電梯作為出行的必經場所，傳統的電梯案結案均為不銹鋼材質，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）在不銹鋼表面持續存在5天后仍具有傳染性，即使通過紫外線或者消毒劑擦拭按鈕，人們乘坐電梯時存在被病毒感染的風險。截至2020年年底，全國電梯登記數量約八百萬臺，這給電梯維保和更新市場帶來巨大的發展空間。國內無接觸電梯市場現狀隨著信息化的不斷加深，計算機技術，物聯網和數據算法的發展，我國的智能化發展體系日趨完善，無接觸電梯行業得到了越來越廣泛的關注和發展。本文設計的系統基于STM32嵌入式平臺，采用了激光測距掃描技術，根據按鍵面板硬件部分，制定了數據范圍算法，精準地識別出用戶按下的按鍵。為滿足多種人群對智能無接觸電梯的呼梯需求，該系統還設置了語音以及手機端呼梯的技術，使系統更為完備，提高系統的適用范圍。

1 系統工作原理

本項目設計了一套基于嵌入式與云平臺管理的無接觸式電梯智能聯控交互系統，如圖1所示。本系統通過制定數據范圍算法、采用百度語音服務平臺、創建手機App來實現對系統三大部分進行功能實現及優化。

圖1 基于嵌入式與云平臺管理的無接觸式電梯智能聯控交互系統結構設計圖

（1）激光掃描無接觸按鍵面板：采用了激光測距掃描技術，根據按鍵面板硬件部分，制定了數據范圍算法，精準地識別出用戶按下的按鍵。

（2）智能語音交互和語音播報：采用了語音識別技術和語音播報技術，使用百度語音服務平臺，對用戶的語音請求進行精準識別，識別出想去的樓層并發給主控芯片內存。通過語音播報技術，對電梯樓層和用戶請求樓層進行語音播報。

（3）手機App呼層：采用先進的云平臺技術，在電梯內創建無線局域網，通過WIFI實現對接，實現實時智能呼層。

2 硬件方案

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

半導體激光器在額定范圍中，其輸出光功率與電流成線性關系。同時，得益于結構簡單、性價比高、效率優等優點，半導體激光器通常作為小型激光測距儀的光源使用。半導體激光器具有了能夠直接調制輸出光強的特性，調制更為簡單。此外，本項目通過利用集成電路產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體激光器驅動電路。

根據本系統的功能以及開發要點，本項目使用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、外設豐富、高性能等特點，能滿足本項目硬件系統的設計要求。STM32的高工作頻率和112個快速輸入/輸出端口以及多通道的模數和數模轉換為智能聯控系統提供了充分的保障，使得系統更為靈敏。

本項目利用市面上現有的繼電器，將電梯每一個功能按鍵通過一個繼電器與系統連接，達到當乘客對電梯進行操作時，繼電器的輸入量相對應變化，當達到該繼電器的設置閾值時，被控量發生預定的階躍變化，進而控制相對應的按鈕。

ESP8266WIFI模塊內置TCP/IP協議線，并支持三種工作模式。基于ESP8266_NONOS_SDK編程實現設備-設備的數據交互，本項目選用AP模式，將移動端直接與模塊連接，實現局域網在線遠程控制。

3 軟件設計

本項目的激光掃描算法圖如圖2所示。語音交互采用了百度語音API服務調用的方法。其API平臺可為本項目軟件設計提供精準且安全穩定的服務。本項目通過調用API將語音信息轉換成文本格式，再從文本中識別是否有關鍵字，如“小丁”（喚醒詞）、“一樓”等等，如果存在關鍵詞，則做響應的處理，比如“小丁”對應程序喚醒、“五樓”對應按下電梯五樓等等。當對應操作打開時，將會有響應的語音播報，讓使用者知道當前語音識別是否準確。

圖2 激光掃描算法圖

本系統提供的第三種呼梯技術即可在手機端進行呼梯操作。通過在開發本系統呼梯APP，在用戶于無信號封閉電梯內連接到系統熱點后，可加載出上位機界面，實現呼梯操作。

4 系統功能仿真測試實驗

為了驗證本文設計系統的有效性，結合電梯的亮度和人員呼梯的操作距離進行了電梯樓層面板進行呼梯模擬。對于此系統中的主要激光測距呼梯，本項目的測試結果如表1所示，面板的成功率由于激光測距硬件模塊穩定性隨測量距離的增加而下降受影響，但成果率仍可達97.50%，系統的按鍵呼梯穩定性可觀。在語音呼梯以及手機端呼梯方面，同樣根據環境因素進行模擬測試，經過多次測試，實驗結果成功率達99.2%。通過對系統全功能的測試，該系統的準確率極高，能滿足乘客的無接觸呼梯要求。

表1 激光測距面板反應測試

本文的基于嵌入式與云平臺管理的無接觸式電梯智能聯控交互系統改變了傳統的電梯按鈕使用模式，創新性將電梯按鍵設計為激光掃描矩陣這種無接觸按鈕形式，符合傳統的手指呼梯。同時輔以語音和手機云端的遠程控制，使得此系統的適用性更為廣泛。該項目的無接觸式開發研究同時可以使得其他無接觸產，具有安全便利的重要意義。