無按鍵式電梯控制面板的研究

李佳澈

摘 要：隨著人們對(duì)公共環(huán)境衛(wèi)生與個(gè)人健康的關(guān)注度提高，越來越多的場(chǎng)所需要更加清潔、安全。近些年，使用頻率較高的電梯按鍵受到細(xì)菌污染的報(bào)道頻現(xiàn)。本研究從電梯按鍵是否存在污染入手，通過實(shí)驗(yàn)證明了不同地點(diǎn)的不同電梯按鍵確實(shí)存在細(xì)菌污染。為有效避免交叉感染，本研究利用手勢(shì)傳感器、Arduino uno單片機(jī)、效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)模塊、制作出無按鍵式電梯控制面板，當(dāng)手指在指定位置上順時(shí)針方向畫圓，傳感器就會(huì)識(shí)別到信號(hào)信息，進(jìn)而達(dá)成通往某樓層的指令。關(guān)鍵詞：無按鍵 電梯 控制面板

中圖分類號(hào)：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）06（a）-0031-03

1 研究背景

隨著生活水平的不斷提高，健康意識(shí)逐漸加強(qiáng)，越來越多的人們開始關(guān)注公共環(huán)境衛(wèi)生給個(gè)人健康所帶來的影響。近些年，關(guān)于電梯按鈕細(xì)菌污染的報(bào)道頻現(xiàn)媒體，真實(shí)的情況究竟是怎樣的呢？為此筆者專門做了一項(xiàng)小試驗(yàn)：使用ATP熒光測(cè)試儀對(duì)同一部電梯的同一個(gè)按鍵清潔前后分別測(cè)試其RLU值，結(jié)果顯示清潔前RLU值是清潔后的數(shù)倍到數(shù)十倍。從而證實(shí)了公共電梯按鍵確實(shí)存在污染的情況。為了能避免這種污染造成交叉感染，筆者想到了一種避免直接接觸電梯按鈕的操作方式，通過一種手勢(shì)傳感器控制相應(yīng)樓層的信息輸入，當(dāng)手指在指定位置上順時(shí)針方向畫圓，傳感器就會(huì)識(shí)別到信號(hào)信息，進(jìn)而達(dá)成通往某樓層的指令。這樣做不僅可以有效地遠(yuǎn)離通過手部傳播的細(xì)菌，還可以順利的到達(dá)相應(yīng)的樓層。

2 調(diào)查分析

電梯按鍵是否如人們談?wù)摰哪菢优K呢？如果出現(xiàn)細(xì)菌污染，那么又跟那些因素有關(guān)呢？為了弄清楚這些問題，筆者決定還是自己親自檢驗(yàn)一下。

（一）調(diào)查地點(diǎn)：為增加數(shù)據(jù)的可比性，選擇了自家小區(qū)電梯、某商場(chǎng)電梯和某醫(yī)院電梯三部電梯進(jìn)行檢測(cè)，分別檢測(cè)一層上鍵、電梯內(nèi)1鍵和樓層中的下鍵三個(gè)經(jīng)常被使用的按鍵。

（二）使用儀器及原理：使用手持式ATP熒光檢測(cè)儀分別對(duì)以上按鍵清潔前和清潔后測(cè)量RLU值。因蟲熒光素酶可催化蟲熒光素和ATP之間發(fā)生反應(yīng)形成熒光素并發(fā)出熒光，發(fā)出的熒光強(qiáng)度與微生物數(shù)量呈正比例關(guān)系。因此通過發(fā)光強(qiáng)度RLU值的比較，即可定性分析出按鍵相對(duì)污染程度。

（三）數(shù)據(jù)分析：經(jīng)過檢測(cè)、記錄、整理，得到如下九組數(shù)據(jù)，如表1所示。

（四）結(jié)論：因清潔使用普通濕巾和面巾紙，不是專業(yè)消毒器具，操作也不夠?qū)I(yè)，因此存在清潔效果的誤差。顯示結(jié)果只是相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度值RLU，而未做菌落檢測(cè)，因此只能用于定性分析微生物相對(duì)數(shù)量，而不能確定其種類和具體數(shù)值。根據(jù)以上數(shù)據(jù)大致可以得出以下結(jié)論。

1.清潔后發(fā)光量較清潔前明顯減少，說明清潔前確實(shí)存在不同程度的污染。

2.橫向比較，小區(qū)電梯污染程度最低，醫(yī)院電梯污染程度最高。

3.縱向比較，一樓上鍵和樓梯內(nèi)1鍵污染程度比樓層內(nèi)下鍵污染程度高。

4.綜合2、3兩點(diǎn)說明按鍵的污染程度與使用頻率有關(guān)。

普通的公共電梯按鈕尚且如此，那么可想而知在傳染病醫(yī)院、傳染科病房等特殊場(chǎng)合所使用的電梯按鍵污染程度更高，更容易傳播病菌。

3 解決思路

既然電梯按鍵確實(shí)存在污染的現(xiàn)象，且與人的使用頻率有關(guān)系，那么如何避免這種情況的發(fā)生呢？筆者首先想到的就是能不能設(shè)計(jì)出一個(gè)非接觸式的操作方式，減少人體與電梯按鍵的接觸，這樣就可以避免電梯按鍵被污染，即使有污染也不會(huì)將細(xì)菌傳遞到人體而損害人體健康。

通過翻閱資料，目前這方面的設(shè)計(jì)有語音識(shí)別方式、紅外激光感應(yīng)方式、孔洞式感光按鈕等，經(jīng)過認(rèn)真學(xué)習(xí)和分析以上幾種解決思路，發(fā)現(xiàn)它們都多少存在一些局限性，比如語音識(shí)別需在相對(duì)安靜的環(huán)境下使用，且與人的口音密切相關(guān)；紅外激光感應(yīng)方式需與攝像頭配合使用，當(dāng)電梯內(nèi)人較多時(shí)，識(shí)別率降低；孔洞式感光按鍵當(dāng)手指伸入孔洞是難免會(huì)與孔壁接觸，未起到有效隔離。筆者使用一種能夠識(shí)別手勢(shì)的傳感器，再配合一定的電路設(shè)計(jì)和編程來實(shí)現(xiàn)非接觸式的觸發(fā)，設(shè)計(jì)了一款無按鍵式的電梯控制面板。

4 設(shè)計(jì)思路及制作

4.1 器材介紹

⑴手勢(shì)傳感器模塊Grove - Gesture。

Grove - Gesture上的傳感器是將手勢(shì)識(shí)別功能與通用 I2C 接口集成到單個(gè)芯片中的 PAJ7620U2 。它可以識(shí)別 9 種基本手勢(shì)包括有向上、向下、向左、向右、向前、向后、順時(shí)針、逆時(shí)針、揮手，并且可以通過 I2C 總線簡(jiǎn)單地訪問這些手勢(shì)信息，如圖1所示。

⑵Arduino uno單片機(jī)。

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺(tái)。包含硬件（各種型號(hào)的Arduino板）和軟件（Arduino IDE）。Arduino UNO是Arduino平臺(tái)的參考標(biāo)準(zhǔn)模板。UNO的處理器核心是ATmega328單片機(jī)，同時(shí)具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個(gè)16MHz晶體振蕩器，一個(gè)USB口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕，如圖2所示。

⑶效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)模塊。

尺寸：33*24mm

重量：10g

電壓：3.3V、5V

端口：數(shù)字量電平

輸出負(fù)載電壓：0-24V

輸出負(fù)載電流：<5A （1A以上需加散熱片）

平臺(tái)：Arduino、單片機(jī)、ARM、樹莓派

采用原裝IRF520功率MOS管，可以進(jìn)行PWM調(diào)節(jié)輸出

可以讓Arduino驅(qū)動(dòng)高達(dá)24V的負(fù)載，如LED燈帶、直流馬達(dá)、微型水泵、電磁閥，如圖3所示。

4.2 制作過程

整個(gè)裝置由控制單元、檢測(cè)單元、顯示單元三部分組成。

⑴控制單元。

以Arduino uno單片機(jī)作為控制器，其中1個(gè)主控器3個(gè)協(xié)控制器。其中主控制器負(fù)責(zé)接收協(xié)控制器發(fā)出的樓層控制指令和1個(gè)手勢(shì)傳感器的檢測(cè)信號(hào)，并根據(jù)接收到的指令進(jìn)行邏輯判斷和執(zhí)行，最后控制2004LCD液晶屏顯示相對(duì)應(yīng)的文字信息。3個(gè)協(xié)控制器分別負(fù)責(zé)接收1個(gè)手勢(shì)傳感器的信號(hào)檢測(cè)，并根據(jù)該信號(hào)信息執(zhí)行相應(yīng)的按鍵控制指令，同時(shí)將所獲取的信號(hào)信息處理后發(fā)送至主控制器如圖4所示。

⑵檢測(cè)單元。

檢測(cè)單元由4個(gè)PAJ7620U2手勢(shì)傳感器模塊組成，根據(jù)該傳感器的功能特性和電梯按鍵面板的實(shí)際結(jié)構(gòu)，選擇順時(shí)針手勢(shì)作為目標(biāo)識(shí)別動(dòng)作。

⑶顯示單元。

顯示單元包括I2C2004LCD液晶顯示屏和電梯按鍵中內(nèi)置的LED燈，用于模擬真實(shí)電梯控制面板。

⑷外形制作。

面板外形采用了亞克力材料激光切割的制作方式，外面板貼仿金屬材質(zhì)貼紙。

5 不足之處與改進(jìn)

（一）本項(xiàng)目作品僅處于實(shí)驗(yàn)測(cè)試階段，還未經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用檢測(cè)，缺少實(shí)際應(yīng)用的問題反饋。

（二）本項(xiàng)目所使用的PAJ7620U2手勢(shì)傳感器模塊的識(shí)別成功率在70%左右，在未來的改進(jìn)中筆者將嘗試提升識(shí)別成功率或?qū)ふ易R(shí)別成功率更高的類似模塊替換。

（三）電梯按鍵與手勢(shì)傳感器模塊沒有實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，筆者將通過進(jìn)一步的研究予以實(shí)現(xiàn)。

（四）項(xiàng)目在電梯按鍵的選擇方式上與傳統(tǒng)方式不同，如何對(duì)使用者進(jìn)行簡(jiǎn)潔、快速的使用提示也是未來要改進(jìn)的。

6 結(jié)語

本項(xiàng)目的研究基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)意圖，可以在醫(yī)院、學(xué)校等人員流動(dòng)量大且易產(chǎn)生病菌交叉感染的場(chǎng)所實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，尤其是對(duì)傳染病或傳染科病房隔離有害病菌能夠起到一定的隔離防護(hù)作用。

（感謝中科院生態(tài)所的科學(xué)家在研究項(xiàng)目初期的調(diào)查中給予的指導(dǎo)，感謝指導(dǎo)老師在項(xiàng)目研究的整個(gè)過程中給予的幫助，感謝家人對(duì)筆者的支持與鼓勵(lì)。

因時(shí)間倉促知識(shí)水平有限，不當(dāng)之處敬請(qǐng)指正！）

參考文獻(xiàn)

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