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(shì)依然嚴(yán)峻，在各個(gè)場(chǎng)所都相應(yīng)的進(jìn)行了一定的防范措施，但是對(duì)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(duì)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(duì)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(tái)，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(duì)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(cè)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(yǔ)音控制和掃碼控制，因?yàn)槿绻捎脝我坏恼Z(yǔ)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(yǔ)音控制對(duì)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(yǔ)音識(shí)別的壓力以及繁瑣的步驟問題。同時(shí)對(duì)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(shì)識(shí)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(duì)電梯實(shí)現(xiàn)升級(jí)亦或廠家派專業(yè)人員前往舊電梯進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)更換升級(jí)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(jiǎn)單以及日后可拆卸性強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)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(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)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(yǔ)音控制、掃碼、消毒以及體溫監(jiān)測(cè)四部分進(jìn)行闡述。

■2.1 語(yǔ)音控制

系統(tǒng)的主控單元為NRK3301語(yǔ)音識(shí)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(hào)，在得到人員回復(fù)的信息后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信號(hào)，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(yǔ)音識(shí)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(yǔ)音識(shí)別，采用最新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（TDNN）算法，具有識(shí)別精準(zhǔn)，誤判率低等優(yōu)勢(shì)，5 米遠(yuǎn)場(chǎng)可靠識(shí)別且通過語(yǔ)音降噪算法可過濾掉穩(wěn)態(tài)噪聲、對(duì)動(dòng)態(tài)噪聲也有很好的抑制作用，噪音下也可準(zhǔn)確識(shí)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(duì)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(yǔ)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(duì)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(duì)于IC卡制卡成本大大降低且對(duì)于語(yǔ)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(cè)

針對(duì)市面上的體溫檢測(cè)工具進(jìn)行分析，決定采用人臉識(shí)別技術(shù)，測(cè)溫同時(shí)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)人臉識(shí)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(cè)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(cè)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(cè)或者其他相關(guān)措施，連接圖如圖4所示。

圖4 體溫檢測(cè)硬件連接圖

■2.4 自動(dòng)消毒

通過對(duì)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(duì)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(yǔ)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(yǔ)音控制

關(guān)于語(yǔ)音控制這一模塊，語(yǔ)音處理大致可以分為幾步:音頻（模擬）信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)、編碼處理、存儲(chǔ)、解碼處理、以及將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為音頻（模擬）信號(hào)。而所采用的NRK3301語(yǔ)音識(shí)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(shí)別精準(zhǔn)、遠(yuǎn)場(chǎng)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(yǔ)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(shì)，旨在解決人們?cè)陔娞葜幸蚪佑|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(yǔ)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(yǔ)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(jiǎn)單升級(jí)，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。