基于JY901的電梯樓層自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的研制

游長(zhǎng)莉，馬雙寶

（武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430200）

關(guān)鍵字：樓層檢測(cè)；JY901；線性插值；語(yǔ)音系統(tǒng)

0 引言

電梯是當(dāng)今世界高層建筑中必不可少的垂直運(yùn)輸工具。隨著城市文明和現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，建筑群的規(guī)模越來(lái)越大，樓層越來(lái)越高，人們對(duì)電梯的服務(wù)要求也越來(lái)越來(lái)高，不僅對(duì)安全性和可靠性的要求越來(lái)越高，而且對(duì)電梯的人性化要求也越來(lái)越高。因此，研發(fā)一種電梯樓層自動(dòng)檢測(cè)所到達(dá)樓層的通用型電梯語(yǔ)音系統(tǒng)具有重要意義。電梯樓層自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)具有電梯到達(dá)樓層報(bào)數(shù)、顯示的功能，是人性化乘梯的具體顯示。

電梯如需要樓層信息報(bào)站服務(wù)需要外加語(yǔ)音報(bào)站器。目前國(guó)內(nèi)許多學(xué)者針對(duì)該問(wèn)題做了許多深入研究[1-3]。一般而言現(xiàn)有的電梯語(yǔ)音報(bào)站系統(tǒng)采用接入電梯按鍵控制系統(tǒng)，通過(guò)乘梯人鍵入的樓層信息播報(bào)相應(yīng)的語(yǔ)音信息[4]?；蛘卟捎谜Z(yǔ)音芯片根據(jù)樓層運(yùn)行、停留的時(shí)間錄放樓層信息語(yǔ)音存儲(chǔ)和播放[5-7]。但語(yǔ)音芯片系統(tǒng)存在一些缺陷，如音質(zhì)不高、容量有限以及語(yǔ)音更改不變等。

本文提出一種基于JY901姿態(tài)角度傳感器的氣壓測(cè)量的語(yǔ)音報(bào)站系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種通過(guò)ARDUINO微處理器讀取JY901姿態(tài)角度傳感器測(cè)量的電梯轎廂氣壓，幵將電梯轎廂在運(yùn)行和停止的氣壓差轉(zhuǎn)換成海拔高度，換算出樓層高度的自動(dòng)語(yǔ)音報(bào)站系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有體積小、精度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，因而適用于各類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)合的電梯設(shè)備。

1 檢測(cè)原理與方法

電梯樓層自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)采用JY901姿態(tài)角度傳感器測(cè)量電梯轎廂大氣密度的變化。不管電梯轎廂處于向上運(yùn)行還是向下運(yùn)行，轎廂內(nèi)部的氣壓隨著電梯轎廂的運(yùn)行而不斷變化，通過(guò)氣壓高度公式計(jì)算得到電梯樓層信息。

氣壓-高度測(cè)量原理：

氣壓-高度測(cè)量的原理是隨著高度的升高，大氣氣壓降低。因此可以通過(guò)氣壓傳感器測(cè)量環(huán)境大氣壓就能夠間接獲取電梯所到樓層的高度，從而計(jì)算出電梯所在樓層，公式（1）表示以海平面為基準(zhǔn)，大氣壓和高度之間的關(guān)系：

式中：H為相對(duì)應(yīng)于海平面的高度，單位m；P0為海平面大氣壓，單位KPa；在15℃時(shí)，P0=101.325 KPa。

根據(jù)大氣壓強(qiáng)與海拔高度的關(guān)系曲線和計(jì)算公式（1），通過(guò)測(cè)量某一位置的大氣壓強(qiáng)值，就可以準(zhǔn)確的算出對(duì)應(yīng)的海平面高度。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的原則是保證自動(dòng)檢測(cè)報(bào)站系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，既要做到準(zhǔn)確報(bào)站（不錯(cuò)報(bào)、不漏報(bào)、及時(shí)報(bào)）。其電路主要是電梯樓層信號(hào)的采集與處理，外部電源模塊，M3語(yǔ)音播放模塊，顯示輸出模塊以及外圍電路組成。微控制器Arduino UNO通過(guò)串口與JY901姿態(tài)角度傳感器連接。

電梯樓層自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)正常工作時(shí)，需要采集電梯運(yùn)行的相關(guān)信息。本系統(tǒng)采用JY901姿態(tài)角度傳感器通過(guò)串口和微控制器Arduino UNO相連接，電梯轎廂運(yùn)行到達(dá)的樓層經(jīng)過(guò)氣壓傳感器的測(cè)量與處理后送至微處理器，微處理器分析、判斷、提取出有效信息，在通過(guò)微控制器處理輸出控制信號(hào)到M3語(yǔ)音播放模塊，在驅(qū)動(dòng)外部的音響或喇叭放音。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理圖

2.1 JY901姿態(tài)角度傳感器

JY901模塊集成高精度的陀螺儀、加速度計(jì)、地磁場(chǎng)傳感器，采用高性能的微處理器和先進(jìn)的動(dòng)力學(xué)解算與卡爾曼動(dòng)態(tài)濾波算法。先進(jìn)的數(shù)字濾波技術(shù)，能有效降低測(cè)量噪聲，提高測(cè)量精度。模塊內(nèi)部集成了姿態(tài)解算器，配合動(dòng)態(tài)的卡爾曼濾波算法，能夠在動(dòng)態(tài)環(huán)境下準(zhǔn)確輸出模塊的當(dāng)前姿態(tài)。內(nèi)部自帶電壓穩(wěn)定電路，工作電壓3.3V～5V，引腳電平兼容3.3V/5V的嵌入式系統(tǒng)。支持串口和IIC兩種數(shù)字接口，串口速率2400bps～921600bps可調(diào)，IIC借口支持全速400K速率。最高200Hz數(shù)據(jù)輸出速率。

2.2 微控制器Arduino UNO

微控制器Arduino UNO為主控制器，是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)復(fù)位操作、傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理、語(yǔ)音播報(bào)、顯示器驅(qū)動(dòng)等。該系統(tǒng)選用的Arduino UNO微控制芯片是意大利Arduino公司出品的一個(gè)開(kāi)源電子設(shè)計(jì)平臺(tái)。以ATmega328 MCU控制器為基礎(chǔ)。系統(tǒng)采用的Arduino UNO微控制器具有14路數(shù)字輸入/輸出引腳(其中6路可用于PWM輸出)、6路模擬輸入。它采用Atmega16U2芯片進(jìn)行USB到串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。能方便的與外圍設(shè)備進(jìn)行通信。Arduino Uno可通過(guò)USB連接或者外部電源供電。外部供電電壓在5V～12V之間，本系統(tǒng)外部電源從用5V直流電源。

2.3 顯示模塊

本系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的1602液晶顯示器來(lái)輸出顯示。1602液晶顯示器是一種將液晶顯示屏、控制集成電路、PCB板、背光源、結(jié)構(gòu)構(gòu)件裝備在一起的集合。

顯示器的主要參數(shù)：D0～D7數(shù)據(jù)口，R/W讀寫(xiě)選擇，RS數(shù)據(jù)/命令寄存器，BLA/BLK分別為背光正極/背光負(fù)極，VDD接+5V，VSS電源接地，VL液晶顯示偏壓用來(lái)調(diào)節(jié)對(duì)比度。

2.4 語(yǔ)音播放模塊

系統(tǒng)選用已有的集成M3語(yǔ)音播放模塊。該模塊直流5V/1A供電，提供9個(gè)觸發(fā)端口，可直接觸發(fā)也可單片機(jī)編碼觸發(fā)播放，具有有源音箱和喇叭借口，最大支持16G內(nèi)存。

JY901姿態(tài)傳感器通過(guò)串口連接到Arduino微控制器，語(yǔ)音播放模塊和顯示輸出模塊與 Arduino的數(shù)字I/O連接，最后得到該系統(tǒng)的硬件電路總圖如圖2所示。圖中U1為1602液晶顯示器，顯示電梯轎廂到達(dá)的樓層信息，U2為Arduino UNO微控制器，U3為JY901姿態(tài)角度傳感器，通過(guò)串口與微控制器連接，U4為M3語(yǔ)音播放模塊，通過(guò)數(shù)字I/O口與微控制連接。

圖2 電梯樓層自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)硬件電路連接圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于電梯樓層自動(dòng)檢測(cè)語(yǔ)音報(bào)站系統(tǒng)在使用過(guò)程中，主要是根據(jù)電梯轎廂到達(dá)樓層的相關(guān)信息自動(dòng)播報(bào)語(yǔ)音。檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)程序主要是基于Arduino IDE軟件編寫(xiě)。程序設(shè)計(jì)思路為頂層到底層，采用模塊設(shè)計(jì)方案，主要包括系統(tǒng)及其設(shè)備初始化、JY901姿態(tài)角度傳感器測(cè)量氣壓數(shù)據(jù)讀取、樓層信息和語(yǔ)音播報(bào)與顯示。程序以循環(huán)方式進(jìn)行，系統(tǒng)工作流程圖如圖3所示。以下對(duì)四部分程序設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

圖3 樓層高度測(cè)量語(yǔ)音報(bào)站工作流程圖

3.1 系統(tǒng)及其設(shè)備的初始化

電梯樓層自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)上電后，首先對(duì)系統(tǒng)及其設(shè)備進(jìn)行初始化。系統(tǒng)初始化主要包括對(duì)系統(tǒng)的I/O接口、波特率、時(shí)鐘等進(jìn)行設(shè)置。而設(shè)備的初始化主要是對(duì)JY901傳感器和1602液晶顯示器進(jìn)行初始化，使其能夠正常工作。系統(tǒng)初始化后對(duì)JY901姿態(tài)角度傳感器測(cè)量的氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，發(fā)送給微處理器，按公式（1）計(jì)算出樓層相對(duì)地面海拔高度（樓層距離地面的處置距離）。

3.2 語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)

電梯樓層自動(dòng)檢測(cè)語(yǔ)音報(bào)站系統(tǒng)的基本功能，是根據(jù)樓層氣壓信息換算出樓層高度信息，語(yǔ)音播報(bào)到達(dá)的相對(duì)應(yīng)的樓層。基于氣壓高度傳感器的樓層自動(dòng)檢測(cè)語(yǔ)音系統(tǒng)，根據(jù)電梯轎廂升降高度不同，檢測(cè)氣壓變化差值計(jì)算出樓層高度，通過(guò)串口發(fā)送給Arduino微控制器，微控制器判斷、提煉有效信息，然后通過(guò)數(shù)字I/O口將樓層信息發(fā)送給語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)。該電梯樓層自動(dòng)檢測(cè)語(yǔ)音系統(tǒng)不需要電梯生產(chǎn)公司提供電梯控制系統(tǒng)的API接口，連接外部的語(yǔ)音系統(tǒng)模塊；也不需要在各個(gè)樓層的電梯井內(nèi)安裝紅外檢測(cè)，檢測(cè)電梯轎廂到達(dá)樓層；也不需要與電梯按鍵系統(tǒng)連接。該系統(tǒng)的獨(dú)立性良好，因而適用于各類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)合的電梯設(shè)備。

電梯樓層自動(dòng)檢測(cè)語(yǔ)音報(bào)站系統(tǒng)流程圖4所示。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：假定電梯轎廂?？吭趎樓，自動(dòng)檢測(cè)語(yǔ)音報(bào)站系統(tǒng)電路在接通電源后，首先進(jìn)行系統(tǒng)及其設(shè)備的初始化，實(shí)時(shí)讀取JY901姿態(tài)角度傳感器測(cè)量的氣壓值，換算出電梯轎廂的實(shí)時(shí)高度。以一樓為樓層自動(dòng)檢測(cè)基準(zhǔn)，若電梯轎廂上升的高度小于兩米且處于停止?fàn)顟B(tài)為一樓；檢測(cè)電梯轎廂的運(yùn)行狀態(tài)，電梯轎廂停止時(shí)檢測(cè)到的氣壓減去上一個(gè)電梯轎廂停止運(yùn)行時(shí)檢測(cè)到的氣壓，若氣壓差值隨時(shí)間增加而減少，表明電梯轎廂處于向上運(yùn)行狀態(tài)，電梯轎廂停止運(yùn)行后，傳感器檢測(cè)出的高度大于2米小于6米，樓層為2樓，JY901通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給Arduino微控制器，語(yǔ)音播放模塊播報(bào)當(dāng)前樓層信息。反之若檢測(cè)到的氣壓值增大，則表明電梯轎廂處于向下運(yùn)行狀態(tài)。

圖4 電梯樓層語(yǔ)音報(bào)站系統(tǒng)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)與分析

圖5 樓層高度測(cè)量值與實(shí)際值關(guān)系曲線

為了驗(yàn)證電梯轎廂壓強(qiáng)測(cè)量樓層高度的方法的有效性，對(duì)武漢某地9層建筑物電梯到達(dá)各個(gè)樓層的高度進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，以該建筑的一樓為基準(zhǔn)，多次反復(fù)測(cè)量建筑物內(nèi)電梯運(yùn)行到達(dá)樓層的高度，得到多組數(shù)據(jù)。任意選取四組數(shù)據(jù)繪制曲線，得到樓層高度測(cè)量值與實(shí)際值關(guān)系曲線如圖5所示。

使用測(cè)量系統(tǒng)對(duì)該建筑物檢測(cè)各個(gè)樓層測(cè)量的結(jié)果可以看出，JY901姿態(tài)角度傳感器能較為準(zhǔn)確的測(cè)量出樓層相對(duì)于某一平面的高度，最大的誤差為 0.31m，發(fā)生在第八樓，全部樓層的高度偏差為 0.35m，能夠滿(mǎn)足測(cè)量樓層高度的要求。

5 結(jié)論

電梯樓層自動(dòng)檢測(cè)語(yǔ)音報(bào)站系統(tǒng)通過(guò)氣壓值的變化換算樓層高度確定對(duì)應(yīng)樓層，系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試后能穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，具有一定的抗干擾能力。系統(tǒng)采用的獨(dú)立設(shè)計(jì)能很好的適應(yīng)不同場(chǎng)合的電梯設(shè)備，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。