基于樹莓派的智慧電梯樓層語(yǔ)音提醒裝置設(shè)計(jì)*

唐雪景 馬壯壯 陳軍* 李思彤 楊一帆

(塔里木大學(xué) 信息工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

近年來(lái)，隨著科技發(fā)展，出現(xiàn)許多新技術(shù)和新設(shè)計(jì)促進(jìn)我國(guó)公共設(shè)施在無(wú)形中向智慧化、科技化發(fā)展，其中與我們生活密切相關(guān)的電梯也變得更加智能化。乘坐電梯時(shí)，如果乘客人數(shù)過(guò)多沒有語(yǔ)音提醒，很容易錯(cuò)過(guò)樓層，但目前實(shí)際應(yīng)用在大部分電梯運(yùn)行過(guò)程中的語(yǔ)音報(bào)站，其智能信息提醒功能單一受限、報(bào)站器樓層檢測(cè)依賴于電梯控制系統(tǒng)，且安裝、售后維護(hù)成本高，存在很多弊端[1-3]。針對(duì)現(xiàn)有問(wèn)題，本文提出一種基于氣壓-海拔轉(zhuǎn)換關(guān)系，利用相對(duì)海拔高度差原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯樓層檢測(cè)智慧語(yǔ)音提醒裝置的設(shè)計(jì)，利用采集到的氣壓值、海拔值，提出樓層檢測(cè)算法，完成了電梯運(yùn)行上下行狀態(tài)、運(yùn)行樓層參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢測(cè)采集；根據(jù)傳感器設(shè)計(jì)了自校準(zhǔn)功能函數(shù)以及樓層檢測(cè)算法來(lái)確定樓層數(shù)，并送到串口顯示屏進(jìn)行顯示并播放智能語(yǔ)音提醒。本設(shè)計(jì)功能齊全、操作簡(jiǎn)單快捷、功能擴(kuò)展性強(qiáng)、成本較低，具有較大的市場(chǎng)應(yīng)用潛力。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 樹莓派核心板

現(xiàn)有電梯報(bào)站器多采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)控制，但單片機(jī)片上內(nèi)存容量有限，要實(shí)現(xiàn)智能語(yǔ)音提醒還必須設(shè)計(jì)外圍語(yǔ)音播放電路模塊和音頻文件存儲(chǔ)模塊，實(shí)現(xiàn)電路復(fù)雜[4-6]。本設(shè)計(jì)對(duì)比現(xiàn)有主流主控板性能優(yōu)勢(shì)，主控板選用ARM控制板樹莓派3B+，利用樹莓派GPIO口和氣壓傳感器連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，利用板載內(nèi)存存儲(chǔ)語(yǔ)音提示信息，既滿足控制通信需求又能存儲(chǔ)大量語(yǔ)音文件。樹莓派板載2G大容量?jī)?nèi)存，可以存儲(chǔ)語(yǔ)音文件，同時(shí)自帶音頻解碼芯片，不需要單獨(dú)設(shè)計(jì)語(yǔ)音播放模塊，高度集成的外圍電路可以減小電路設(shè)計(jì)體積，在開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器和電源等外圍設(shè)備連接到樹莓派非常方便進(jìn)行二次開發(fā)。樹莓派提供了訪問(wèn)片上硬件，即用于開發(fā)應(yīng)用程序的GPIO。通過(guò)訪問(wèn)GPIO，可以連接LED、傳感器等設(shè)備，也可以進(jìn)行外圍電路設(shè)計(jì)與搭建，本文選用的主控板如圖1所示。

圖1 樹莓派3B+主控板

1.2 外圍按鍵模塊

本設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)智能語(yǔ)音提醒系統(tǒng)便捷安裝調(diào)試、自適應(yīng)校準(zhǔn)算法，在系統(tǒng)外圍設(shè)計(jì)了按鍵模塊，共有6個(gè)按鍵，分別為：KEY，主要功能為將當(dāng)前所在樓層設(shè)置為1樓；KEY1為自鎖開關(guān)，主要功能為按下開始獲取當(dāng)前海拔高度，松開再次獲取海拔高度，兩次差值為測(cè)量高度差；KEY2，主要功能為將檢測(cè)的海拔高度差賦值給樓層高度設(shè)定值，以適應(yīng)不同樓的樓層差；KEY3，主要功能為賦值初始化高度設(shè)定值；KEY4，主要功能為將設(shè)定的樓層高度減小5 cm；KEY5，主要功能為將設(shè)定的樓層高度增加5 cm。在初次安裝使用本裝置時(shí)，如果樓層高度不是通用標(biāo)準(zhǔn)樓層高，就需要測(cè)量一次樓層高度，然后將測(cè)量高度設(shè)定為樓層高，以實(shí)現(xiàn)適用任意樓層結(jié)構(gòu)，根據(jù)測(cè)試誤差還可小范圍調(diào)整層高方便檢測(cè)更加精準(zhǔn)，安裝時(shí)只需配置數(shù)據(jù)一次即可。

1.3 氣壓傳感器

本設(shè)計(jì)采用氣壓傳感器型號(hào)為ZN-34數(shù)字信號(hào)傳感器。氣壓傳感器將氣壓值實(shí)時(shí)采集輸出，通過(guò)氣壓-海拔轉(zhuǎn)換關(guān)系式，將氣壓值轉(zhuǎn)換為海拔值。假設(shè)空氣為理想標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)，則大氣壓強(qiáng)與海拔高度存在如式(1)關(guān)系[7]：

(1)

式中：PH為高度H時(shí)的對(duì)應(yīng)氣壓，Pa；Pb為高度Hb時(shí)的對(duì)應(yīng)氣壓，Pa；β是溫度垂直變化率，K/m；Tb是高度Hb時(shí)的溫度，K；g是重力加速度常數(shù)，m/s2；R是空氣專用氣體數(shù)，m2/(K·s2)。

式(1)是關(guān)于氣壓和高度的非線性關(guān)系式，在編程時(shí)比較復(fù)雜，計(jì)算量較大，影響程序響應(yīng)速度，因此將式(1)優(yōu)化改進(jìn)，先對(duì)其進(jìn)行微分計(jì)算得到式(2)：

(2)

通過(guò)計(jì)算得到系數(shù)?=-78.91(P/P0)-0.81，由于在標(biāo)準(zhǔn)海平面附近，氣壓變化較小，所以式中系數(shù)a約等于-78.91，根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣壓數(shù)據(jù)表計(jì)算可得海拔每升高1 m，氣壓下降12.7 Pa，進(jìn)而推導(dǎo)出改進(jìn)后的氣壓P與海拔高度數(shù)學(xué)模型關(guān)系式為式(3)：

(3)

采用這種算法將復(fù)雜的非線性關(guān)系轉(zhuǎn)變線性關(guān)系式，既簡(jiǎn)化了編程難度又極大地提高了程序響應(yīng)速度。

氣壓傳感器串口的TX、RX、GND、VCC連接到樹莓派的UART0 RX、UART0 TX、GND、VCC，即可通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。氣壓傳感器相關(guān)參數(shù)信息如表1所示。

表1 ZIN-34氣壓傳感器參數(shù)信息表

1.4 USART HMI顯示屏

本設(shè)計(jì)人機(jī)接口顯示屏幕采用的是Human Machine Interface(HMI)。HMI通過(guò)串口與MCU 進(jìn)行通信交互，只需通過(guò)串口與HMI設(shè)備發(fā)送/接收指令，HMI設(shè)備即可作出相應(yīng)響應(yīng)，方便各種型號(hào)的MCU兼容，也易于程序二次開發(fā)移植，HMI根據(jù)需要有各種尺寸大小選擇，本設(shè)計(jì)中選擇的HMI屏分辨率為480×320。HMI設(shè)計(jì)顯示界面流程如圖2所示。

圖2 HMI設(shè)計(jì)顯示界面設(shè)計(jì)流程圖

本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的電梯顯示信息界面如圖3所示，可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前樓層、樓層高度、實(shí)時(shí)氣壓值和測(cè)量的樓層高度。

圖3 電梯顯示信息界面設(shè)計(jì)圖

1.5 語(yǔ)音播放模塊

本設(shè)計(jì)利用樹莓派3B+主控板上自帶的音頻解碼芯片可以直接播放音頻文件，不需要單獨(dú)設(shè)計(jì)外圍播放電路，同時(shí)主控板載2G存儲(chǔ)內(nèi)存，可以存放提前錄制好的智慧語(yǔ)音文件，將配置好的背景音樂文件調(diào)用Mplayer播放器根據(jù)檢測(cè)信號(hào)控制播放，通過(guò)音響連接到樹莓派的輸出接口即可播放智慧語(yǔ)音提示。為實(shí)現(xiàn)良好的播放效果，本設(shè)計(jì)利用放大驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)了音響功放電路，實(shí)現(xiàn)音樂的大功率驅(qū)動(dòng)播放，設(shè)計(jì)完成的音響播放模塊如圖4所示。

圖4 音響播放模塊

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。氣壓傳感器通過(guò)串口實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)奇偶校驗(yàn)判斷數(shù)據(jù)包的完整性，數(shù)據(jù)無(wú)誤后，選擇當(dāng)前氣壓值賦值給變量連續(xù)采樣，如果氣壓值連續(xù)增、減，代表電梯正在運(yùn)行，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理得到電梯運(yùn)行狀態(tài)；確定電梯運(yùn)行狀態(tài)后，在電梯啟動(dòng)瞬間獲取一次氣壓值，等到電梯停止時(shí)再獲取當(dāng)前氣壓值，利用氣壓差測(cè)算出海拔差，再根據(jù)樓層實(shí)際高度和樓層狀態(tài)位得到樓層信息，系統(tǒng)根據(jù)電梯運(yùn)行狀態(tài)位和樓層狀態(tài)位調(diào)用播放器播放相應(yīng)的音頻提示信息。

圖5 程序設(shè)計(jì)流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 設(shè)計(jì)完成的實(shí)物裝置圖

本設(shè)計(jì)通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)完成的實(shí)物裝置圖如圖6所示，此裝置具有體積小、低功耗、高精度、便攜獨(dú)立安裝等特點(diǎn)，適用于各種垂直電梯應(yīng)用場(chǎng)合。

圖6 本設(shè)計(jì)最終設(shè)計(jì)實(shí)物裝置圖

3.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

為測(cè)試本設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，選擇多部電梯實(shí)地測(cè)量，以標(biāo)準(zhǔn)樓層高度400 cm為基準(zhǔn)進(jìn)行多次測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果

3.3 結(jié)果分析

氣壓變化值與海拔上升高度變化值是高度相關(guān)的，樓層的高度變化過(guò)程與實(shí)際氣壓變化對(duì)應(yīng)，本設(shè)計(jì)利用這一規(guī)律實(shí)現(xiàn)電梯樓層檢測(cè)是準(zhǔn)確可行的，可以實(shí)現(xiàn)電梯?？繕菍拥挠?jì)算進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電梯語(yǔ)音智能提醒。雖然電梯的環(huán)境盡可能地減少了外界環(huán)境對(duì)測(cè)量壓強(qiáng)精確性的影響，但計(jì)算出的樓層高度與實(shí)際高度存在一定誤差。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，其高度測(cè)量與真實(shí)值偏差不大，誤差范圍在可允許的0～0.3米之內(nèi)，取整運(yùn)算后樓層信息準(zhǔn)確，氣壓差值變化范圍穩(wěn)定，效果良好，滿足測(cè)量要求。

4 市場(chǎng)前景

本文設(shè)計(jì)開發(fā)的獨(dú)立式智慧電梯樓層語(yǔ)音提醒裝置主要優(yōu)勢(shì)一方面在于采用獨(dú)立式檢測(cè)，即不需要任何輔助標(biāo)定裝置，可在任意垂直電梯安裝使用，對(duì)比市場(chǎng)現(xiàn)有電梯報(bào)站器，多采用在電梯井安裝紅外對(duì)管、電磁感應(yīng)傳感器或需要接入電梯控制系統(tǒng)，對(duì)于安裝維護(hù)來(lái)說(shuō)，都需要聯(lián)系專業(yè)技術(shù)人員或廠家進(jìn)行，極為不便，同時(shí)可能造成一定的安全隱患，本設(shè)計(jì)完全不需要專業(yè)人員安裝調(diào)試，使用簡(jiǎn)便；另一方面在于改變了傳統(tǒng)只有單一語(yǔ)音提示功能，本設(shè)計(jì)提醒裝置融合人機(jī)接口顯示屏，提供多種信息顯示，如電梯運(yùn)行加速度、環(huán)境溫度、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)等可以為電梯維保提供維保數(shù)據(jù)，同時(shí)定制個(gè)性化語(yǔ)音，除了播報(bào)樓層信息還可播放樓層附加信息，如本樓層有哪些公司、溫馨提示、輕松音樂等等。隨著科技的進(jìn)步和時(shí)代的發(fā)展，我國(guó)電梯保有量持續(xù)增加，更加智能化、人性化的語(yǔ)音提示裝置已經(jīng)成為電梯運(yùn)行的必需品[8,9]，而智慧電梯語(yǔ)音裝置的提醒系統(tǒng)的使用也成為現(xiàn)代電梯的主流趨勢(shì)，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊、潛力巨大。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)利用氣壓-海拔轉(zhuǎn)換關(guān)系，設(shè)計(jì)了一種獨(dú)立的智慧電梯語(yǔ)音提醒裝置，相比較傳統(tǒng)的電梯運(yùn)用紅外對(duì)管、電磁感應(yīng)傳感器或需要接入電梯控制系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)的電梯樓層提醒裝置受制于系統(tǒng)控制，此裝置節(jié)省了物力、人力、財(cái)力而更加靈活的適用于任意電梯。本設(shè)計(jì)的電梯自動(dòng)語(yǔ)音提示系統(tǒng)以樹莓派為核心，主要通過(guò)樹莓派模塊、氣壓傳感器模塊、外圍按鍵模塊、HMI顯示模塊四個(gè)模塊協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)了電梯自動(dòng)語(yǔ)音提示功能，運(yùn)用自校準(zhǔn)函數(shù)對(duì)上下行的檢測(cè)結(jié)果做出相應(yīng)處理和判斷，將信號(hào)發(fā)送給語(yǔ)音模塊，播報(bào)最終到達(dá)樓層和背景音樂，本設(shè)計(jì)填補(bǔ)了業(yè)界對(duì)獨(dú)立式電梯樓層檢測(cè)裝置的空缺，滿足現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展需求，具有廣泛的應(yīng)用前景。