基于Arduino的無接觸電梯按鈕控制系統設計

閆庚堯，孫晨曦，李昶威，胡宏亮，董奕彤，宋佳碩，汪志超

（1.沈陽航空航天大學航空發動機學院，遼寧沈陽，110136；2.沈陽航空航天大學自動化學院，遼寧沈陽，110136；3沈陽航空航天大學航空宇航學院，遼寧沈陽，110136；4沈陽航空航天大學工訓中心，遼寧沈陽，110136）

1 研究背景

新冠病毒疫情爆發以來，公共環境衛生引起了極大的關注。尤其是在新冠病毒被證實了接觸傳播后，各種公眾高頻接觸設施的安全更是值得思考[1-2]。消毒頻次最高、任務量最大的就是對電梯按鈕的擦洗消毒；其次電梯間內環境封閉，病毒殘存時間和交叉感染風險相比其他區域都較高。如何能有效降低電梯按鈕的消殺工作量，降低居民交叉感染的風險。在新冠尚在的這一段時間里，社區居民所采取的預防措施主要是通過間接接觸，例如：用面巾紙摁電梯按鈕，或者是牙簽等等方式。然而本文認為當前的這種方式既不環保，也不便利。本文旨在設計紅外光電[3]的應用以此代替手的直接觸碰以防止接觸傳播。

2 系統方案總體設計

本文所設計的無接觸電梯按鈕控制裝置由芯片控制和模擬電梯兩部分組成。用戶可自主選擇切換樓層方式。當電梯人數較少時，用戶可在電梯內部按鍵附近無需觸碰按鍵選擇樓層。當電梯人數較多時，用戶可借助手機APP獨立選擇樓層。主機為是用戶基于安卓系統的手機APP軟件，該APP軟件可以顯示電梯所在樓層號及可以到達的樓層號，可以無接觸控制所到樓層。從機系統部分以Arduino[4]為控制核心，以按鍵模塊和APP為人機交互界面。當用戶將手指放在對應樓層按鍵上方3-4cm處時，按鍵模塊將識別并反饋至電梯的電機，從而將電梯運行至指定樓層。當用戶在APP軟件中輸入點擊需要到達的樓層號，手機APP通過WiFi或藍牙將信號發送到從機系統控制端，控制部位接到信號后，驅動模擬電梯到達所需樓層。到達后返回信號至手機APP，顯示到達。

用戶始終在個人手機上操作，無需接觸電梯按鈕等公共設施，極大地降低了接觸傳播及交叉感染地風險，對當下常態化的疫情防控有著重要意義。系統的總體設計方案如圖1所示。

圖1 總體設計方案

3 無接觸電梯按鈕控制系統硬件模塊設計

3.1 Arduino控制核心

根據控制要求，無接觸電梯按鈕采用Arduino單片機作為控制核心。Arduino單片機可通過多種傳感器來感知環境，可在多種操作系統中運行。本文選用的Arduino開發板以ATmega328MCU為基礎，含有6路模擬輸入、一個USB接口、14路輸入輸出引腳、一個ICSP接頭和一個復位按鈕。具有32KB內存，可供用戶讀取輸入信息。綜上，這套系統非常適合該無接觸控制等智能和物聯網等系統的設計開發。

3.2 非接觸控制按鈕設計

系統采用紅外光電傳感器模塊代替電梯按鈕幫助乘客實現樓層選擇功能。每個電梯樓層按鈕對應一個紅外光電傳感器。將每個傳感器之間保持一定探測安全距離構成非接觸控制按鈕矩陣。乘客將手指放在意向樓層所對應傳感器前方一定位置，傳感器即可識別并將信息通過串口通訊傳遞給單片機，實現非接觸控制電梯按鈕的功能。

本系統擬采用紅外光電傳感器作為非接觸電梯按鈕識別模塊。該模塊的工作電壓范圍在3V-5V，可采用通過單片機電源來進行模塊供電。在安裝使用時，傳感器模塊輸出端口OUT直接與單片機IO口連接，也可直接驅動一個5V繼電器。連接方式為VCC-VCC；GND-GND;OUT-10;此外，該傳感器模塊的檢測距離為2cm-30cm,檢測角度為35°，符合電梯小空間設置，可避免電梯內部人員擁擠或其他物品對模塊檢測帶來干擾。模塊內部電路圖如圖2所示。

圖2 紅外光電傳感器模塊內部電路圖

3.3 藍牙通訊模塊

目前，大部分的無線開發系統中主要使用的無線通信模塊有2.4G ZigBee、藍牙無線通信、WiFi無線通信等。2.4G ZigBee 無線串口收發模塊采用點對點廣播模式，主從通信至少需要 2 塊通信模塊。若本系統采用 ZigBee 無線模塊通信，則控制系統更復雜，成本更高，無法使用現有的手機資源[6]。

因此，本設計首選藍牙連接，考慮電梯內WiFi及移動信號弱。備選ATK-ESP8266[5]串口轉WiFi無線通信模塊。本系統采用HC-06藍牙模塊作為通訊模塊，HC-06藍牙模塊具有很強的應用性和可操作性，應用較為廣泛，可在3.3-6V電壓下使用。在連接時，Arduino和HC-06的GND相互連接，HC-06的TXD與接入Arduino的0接口，RXD接入Arduino的1接口。連接后通過接入單片機電源即可開啟通訊。Arduino與HC-06的連接電路圖如圖3所示。

圖3 Arduino與HC-06的連接電路圖

3.4 模擬電梯模塊

設計的模擬電梯由電源、驅動裝置和轎廂等三部分構成。以Arduino為主控芯片，分別連接尋跡模塊、電梯電機和藍牙通訊模塊。尋跡模塊安置在電梯內部，可無接觸獲取乘客意向樓層，并通過串口通訊將樓層信息傳遞給Arduino單片機，Arduino單片機獲取樓層信息并控制電機運轉驅動電梯到達乘客意向樓層。Arduino單片機同時連接藍牙通訊模塊，可實現與用戶手機APP的信息交互傳遞。即乘客可選擇非接觸式與APP式兩種方式選擇自身意向樓層，避免了電梯人員過多時帶來的“選擇擁堵”現象。

3.5 按鍵輸入模塊

考慮到無接觸的設計目標，同時方便用戶操作，設計矩形輸入模塊。擬構建用戶端APP用于化解電梯樓層的“選擇擁擠”現象。創建APP的步驟擬定四步。分別為登錄網站、導入項目、開始修改和下載APP。導入項目后，可依次選擇添加選項、添加并放置滑動條等功能。當電梯內乘客較多時，距離“按鈕”較遠的乘客可打開APP在APP按鍵選擇對應樓層，通過藍牙將樓層信息傳遞到Arduino 單片機。實現遠程操作選擇樓層的效果。

根據實際要求，實驗樓層號由0～9構成。另外還需要刪除鍵和確認鍵各一個，因此將鍵盤設計成如圖的矩形鍵盤能滿足要求。

圖4 模擬電梯展示

圖5 按鍵輸入模塊設計預覽示意圖

3.6 基于安卓手機的APP

信息化的當下，手機幾乎人手一部很常見，因此將手機作為操作控制系統的搭載平臺。APP下載便利使用操作簡單。同時將內容介紹法律聲明，以及操作方法方法演示統一打包放在APP中。實驗顯示，手機APP操作系統最快為用戶接受，同時滿足本設計的友好人機目標的實現。

本系統軟件設計主要包括非接觸控制按鈕控制程序、電機控制程序、藍牙模塊控制程序以及用戶端APP構建程序。系統的軟件流程圖如圖6所示。

圖6 系統軟件流程圖

4 結論

本文設計的無接觸電梯按鈕控制裝置綜合應用了無線通信技術和單片機芯片控制技術，建立了以Arduino為主控芯片，分別連接尋跡模塊、電梯電機和藍牙通訊模塊以實現對電梯的無接觸控制，成本低廉，對滿足公眾日益增長的衛生需求有著重大意義，尤其在疫情防控常態化的今天，本文研究更顯生機活力。