嵌入式與云平臺管理的無接觸式電梯智能聯(lián)控交互系統(tǒng)

廣東技術(shù)師范大學(xué) 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(shè)計了一套基于嵌入式與云平臺管理的無接觸電梯智能聯(lián)控交互系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于嵌入式平臺，集成了激光測距技術(shù)、智能語音交互技術(shù)和云平臺開發(fā)管理技術(shù)。激光技術(shù)可實現(xiàn)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(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(jīng)場所，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(fēng)險。截至2020年年底，全國電梯登記數(shù)量約八百萬臺，這給電梯維保和更新市場帶來巨大的發(fā)展空間。國內(nèi)無接觸電梯市場現(xiàn)狀隨著信息化的不斷加深，計算機(jī)技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)算法的發(fā)展，我國的智能化發(fā)展體系日趨完善，無接觸電梯行業(yè)得到了越來越廣泛的關(guān)注和發(fā)展。本文設(shè)計的系統(tǒng)基于STM32嵌入式平臺，采用了激光測距掃描技術(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(tǒng)還設(shè)置了語音以及手機(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

本項目設(shè)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(lián)控交互系統(tǒng)，如圖1所示。本系統(tǒng)通過制定數(shù)據(jù)范圍算法、采用百度語音服務(wù)平臺、創(chuàng)建手機(jī)App來實現(xiàn)對系統(tǒng)三大部分進(jìn)行功能實現(xiàn)及優(yōu)化。

圖1 基于嵌入式與云平臺管理的無接觸式電梯智能聯(lián)控交互系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)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(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(shù)和語音播報技術(shù)，使用百度語音服務(wù)平臺，對用戶的語音請求進(jìn)行精準(zhǔn)識別，識別出想去的樓層并發(fā)給主控芯片內(nèi)存。通過語音播報技術(shù)，對電梯樓層和用戶請求樓層進(jìn)行語音播報。

（3）手機(jī)App呼層：采用先進(jìn)的云平臺技術(shù)，在電梯內(nèi)創(chuàng)建無線局域網(wǎng)，通過WIFI實現(xiàn)對接，實現(xiàn)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(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，得益于結(jié)構(gòu)簡單、性價比高、效率優(yōu)等優(yōu)點，半導(dǎo)體激光器通常作為小型激光測距儀的光源使用。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)制更為簡單。此外，本項目通過利用集成電路產(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)動電路。

根據(jù)本系統(tǒng)的功能以及開發(fā)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(shè)豐富、高性能等特點，能滿足本項目硬件系統(tǒng)的設(shè)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(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。

本項目利用市面上現(xiàn)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(tǒng)連接，達(dá)到當(dāng)乘客對電梯進(jìn)行操作時，繼電器的輸入量相對應(yīng)變化，當(dāng)達(dá)到該繼電器的設(shè)置閾值時，被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化，進(jìn)而控制相對應(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編程實現(xiàn)設(shè)備-設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，本項目選用AP模式，將移動端直接與模塊連接，實現(xiàn)局域網(wǎng)在線遠(yuǎn)程控制。

3 軟件設(shè)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(wù)調(diào)用的方法。其API平臺可為本項目軟件設(shè)計提供精準(zhǔn)且安全穩(wěn)定的服務(wù)。本項目通過調(diào)用API將語音信息轉(zhuǎn)換成文本格式，再從文本中識別是否有關(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”對應(yīng)程序喚醒、“五樓”對應(yīng)按下電梯五樓等等。當(dāng)對應(yīng)操作打開時，將會有響應(yīng)的語音播報，讓使用者知道當(dāng)前語音識別是否準(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。通過在開發(fā)本系統(tǒng)呼梯APP，在用戶于無信號封閉電梯內(nèi)連接到系統(tǒng)熱點后，可加載出上位機(jī)界面，實現(xiàn)呼梯操作。

4 系統(tǒng)功能仿真測試實驗

為了驗證本文設(shè)計系統(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。對于此系統(tǒng)中的主要激光測距呼梯，本項目的測試結(jié)果如表1所示，面板的成功率由于激光測距硬件模塊穩(wěn)定性隨測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)行模擬測試，經(jīng)過多次測試，實驗結(jié)果成功率達(dá)99.2%。通過對系統(tǒng)全功能的測試，該系統(tǒng)的準(zhǔn)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(yīng)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(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)計為激光掃描矩陣這種無接觸按鈕形式，符合傳統(tǒng)的手指呼梯。同時輔以語音和手機(jī)云端的遠(yuǎn)程控制，使得此系統(tǒng)的適用性更為廣泛。該項目的無接觸式開發(fā)研究同時可以使得其他無接觸產(chǎn)，具有安全便利的重要意義。