關于疫情期間免接觸電梯的設計

王壹創，馮順念，成龍，史道玲

（安徽新華學院 電子工程學院，安徽合肥，230088）

0 引言

當前疫情形勢依然嚴峻，在各個場所都相應的進行了一定的防范措施，但是對于電梯這一封閉環境而言，當前只有人工消毒這一單一方式，但電梯仍需人按鍵乘梯，而按鍵這一操作對于病毒傳播也是一種方式，所以若能實現無接觸的方式實現電梯的選層、呼叫、開門、關門這一系列操作將會使電梯這一封閉環境的防疫起到至關重要的作用，但對于新電梯開發這一功能在工廠內進行預安裝固然可行，但是就2020年而言全球電梯保有量已經達到1957萬臺，難道直接“以舊換新”，這顯然不切實際，若可以讓舊電梯“外設”完成無接觸功能的獲得，這一方式對比于直接改裝電路、廠內的預裝更具有經濟性，符合可持續發展的需求，，且疫情結束完全可以選擇繼續加裝或者拆除，當然如果可以在這一“外設”上實現除“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“定時消毒”、“體溫監測來控制梯門的開關”等功能，為疫情的早日結束貢獻屬于自己的力量。

本設計適用于任何傳統電梯且不限人群使用，本文將從設計的硬件、外觀以及如何實現“外設”方式等方面進行闡述。

1 設計思路

首先為了實現無接觸，決定采用語音控制和掃碼控制，因為如果采用單一的語音控制代替原有的人工按鍵控制，確實可以達到無接觸的控制電梯的目的，但卻忽略了一個問題，即使用者若為聾啞人或發聲障礙人士，那么語音控制對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現代替人工按鍵還可以同時完成按鍵的效率問題，極大減緩了由于人多而導致語音識別的壓力以及繁瑣的步驟問題。同時對于老年人也可通過打印二維碼達到選層的目的，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手勢識別當前成本過高。

其次全球電梯保有量一直在不斷增加，若采用廠家預裝的形式對電梯實現升級亦或廠家派專業人員前往舊電梯進行現場更換升級過于麻煩，所以本設計采用外掛的形式，存在類似于電梯外設，其具有安裝簡單以及日后可拆卸性強等特點，對于電梯前期的安裝設備以及日后的拆卸無疑是極具便捷的。

同時由于感染新型冠狀病毒大多數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測系統，檢測人的體溫是否異常再決定是否打開梯門。

最后由于消毒的人工過于繁瑣，因此可通過軟件實現某一時段的定時消毒，代替人工消毒。

2 硬件設計

關于本設計的硬件部分，本部分的硬件設計將從語音控制、掃碼、消毒以及體溫監測四部分進行闡述。

■2.1 語音控制

系統的主控單元為NRK3301語音識別芯片，通過紅外傳感器采集出入電梯的人員信息，在人員進入時主動發出詢問信號，在得到人員回復的信息后轉換成相應的信號，實現電梯的選層、開關門。系統硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖

NRK3301語音識別芯片的主要性能：高性能32位RISC 內核，主頻 240MHz，支持硬件浮點運算，其內置1MB SPI FLASH 支持離線語音識別，采用最新的神經網絡（TDNN）算法，具有識別精準，誤判率低等優勢，5 米遠場可靠識別且通過語音降噪算法可過濾掉穩態噪聲、對動態噪聲也有很好的抑制作用，噪音下也可準確識別。

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對話，故需要判斷人員是進入還是走出電梯，若為進入，則語音進行詢問，若為走出電梯則無需詢問，所以采用兩個紅外傳感器，兩傳感器分別命名為1、2，當人員進入時，先經過傳感器1（狀態1）再經過傳感器而再經過傳感器2（狀態2），而經過引腳獲得高電平，即狀態1時為“10”，狀態2時為“11”，即獲得為“1011”時為進入電梯，同理走出電梯為“0111”。不同狀態下的引腳值如圖2所示。

圖2 不同狀態引腳值

■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行解碼，將解碼信息進行上傳，與電梯通信，從而實現掃碼控制代替人工鍵控電梯的目的，且對于無智能手機的可以將二維碼進行打印，一樣實現控制電梯，相對于IC卡制卡成本大大降低且對于語言障礙人群十分友好。本部分采用遠景公司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行流程圖。

■2.3 體溫檢測

針對市面上的體溫檢測工具進行分析，決定采用人臉識別技術，測溫同時實現目標人臉識別，鎖定超溫目標，自動保存紅外及可見光報警圖像，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溫系統KDO-PC10-S650P，然后將其與電梯梯門進行連接，當檢測出異常體溫時不允許打開梯門，同時通知相關負責人進行重測或者其他相關措施，連接圖如圖4所示。

圖4 體溫檢測硬件連接圖

■2.4 自動消毒

通過對當前疫情環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，但是消毒水對于人體健康仍然有一點的危害，所以本設計為解決這一問題，采用定時消毒的模式，相關硬件連接圖如圖5所示。

圖5 自動消毒硬件連接圖

3 軟件設計

關于本設計的軟件設計，主要依據框圖從以下三個方面進行介紹，分別為語音控制、掃碼控制、自動消毒，而自動消毒模塊需與電梯“聯動”，如到達指定時間開始消毒，但是若電梯中有人（可通過有選層命令未執行），則不進行消毒，待命令完成后，該電梯不進行運送任務，則開啟自我消毒，待消毒完成后再進行正常工作。

■3.1 語音控制

關于語音控制這一模塊，語音處理大致可以分為幾步:音頻（模擬）信號轉換為數字信號、編碼處理、存儲、解碼處理、以及將數字信號轉換為音頻（模擬）信號。而所采用的NRK3301語音識別芯片除了具備以上功能以外，還可以進行人機交互，其具有識別精準、遠場降噪功能，適合于電梯這一類公共環境，且成本較低。

本設計假設有六層樓，用六個垂直安裝的LED模擬相應的樓層，實現是未進梯呼叫電梯的狀態如圖6(a)所示，進門后的狀態如圖6(b)所示。

圖6 未進梯及進梯流程圖

■3.2 掃碼控制

關于掃碼控制模塊的軟件設計，分為手機端小程序設計及掃碼模塊兩部分，根據用戶輸入的樓層等信息完成文字信息的轉換，然后從文字信息轉換為可讓單片機運行的代碼，最后完成代碼信息存儲在二維碼中。該部分不進行過多贅述了。

4 整體外觀設計

關于本設計的外觀設計，如圖7所示，其中整體采用滑槽結構，易于安裝及拆卸，其中圓形部分為語音交互區域，用戶可根據需求是否加裝屏幕，用于顯示AI人物與之交互，其次正方形區域為掃碼模塊，而橢圓部分為消毒模塊。

圖7 外觀設計草圖

5 小結

本設計立足于當前疫情的嚴峻形勢，旨在解決人們在電梯中因接觸導致感染風險的可能性問題。本設計不同于傳統的僅僅使用聲控這一單一的方式達到無接觸控制電梯目的，也為語言障礙者提供了另一種掃碼控制的方式，同時也減輕了語音控制的壓力。其次為符合實際，在當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”，實現了舊電梯的簡單升級，使其更加智能化，也符合可持續發展理念。同時還增加了自動消毒的功能，大大減少了人工消毒的繁瑣。本設計為當前疫情環境下電梯的發展提供了新的解決方案，設計細節方面還有待進一步深入探索和完善。