基于JY901的电梯楼层自动检测系统的研制

2019-12-20游长莉马双宝

武汉纺织大学学报 2019年6期

游长莉，马双宝

（武汉纺织大学机械工程与自动化学院，湖北武汉 430200）

关键字：楼层检测；JY901；线性插值；语音系统

0 引言

电梯是当今世界高层建筑中必不可少的垂直运输工具。随着城市文明和现代化建设的发展，建筑群的规模越来越大，楼层越来越高，人们对电梯的服务要求也越来越来高，不仅对安全性和可靠性的要求越来越高，而且对电梯的人性化要求也越来越高。因此，研发一种电梯楼层自动检测所到达楼层的通用型电梯语音系统具有重要意义。电梯楼层自动检测系统具有电梯到达楼层报数、显示的功能，是人性化乘梯的具体显示。

电梯如需要楼层信息报站服务需要外加语音报站器。目前国内许多学者针对该问题做了许多深入研究[1-3]。一般而言现有的电梯语音报站系统采用接入电梯按键控制系统，通过乘梯人键入的楼层信息播报相应的语音信息[4]。或者采用语音芯片根据楼层运行、停留的时间录放楼层信息语音存储和播放[5-7]。但语音芯片系统存在一些缺陷，如音质不高、容量有限以及语音更改不变等。

本文提出一种基于JY901姿态角度传感器的气压测量的语音报站系统，设计了一种通过ARDUINO微处理器读取JY901姿态角度传感器测量的电梯轿厢气压，幵将电梯轿厢在运行和停止的气压差转换成海拔高度，换算出楼层高度的自动语音报站系统。该系统具有体积小、精度高、功耗低等优点，因而适用于各类应用场合的电梯设备。

1 检测原理与方法

电梯楼层自动检测系统采用JY901姿态角度传感器测量电梯轿厢大气密度的变化。不管电梯轿厢处于向上运行还是向下运行，轿厢内部的气压随着电梯轿厢的运行而不断变化，通过气压高度公式计算得到电梯楼层信息。

气压-高度测量原理：

气压-高度测量的原理是随着高度的升高，大气气压降低。因此可以通过气压传感器测量环境大气压就能够间接获取电梯所到楼层的高度，从而计算出电梯所在楼层，公式（1）表示以海平面为基准，大气压和高度之间的关系：

式中：H为相对应于海平面的高度，单位m；P0为海平面大气压，单位KPa；在15℃时，P0=101.325 KPa。

根据大气压强与海拔高度的关系曲线和计算公式（1），通过测量某一位置的大气压强值，就可以准确的算出对应的海平面高度。

2 系统硬件设计

系统总体设计的原则是保证自动检测报站系统的可靠性和抗干扰能力，既要做到准确报站（不错报、不漏报、及时报）。其电路主要是电梯楼层信号的采集与处理，外部电源模块，M3语音播放模块，显示输出模块以及外围电路组成。微控制器Arduino UNO通过串口与JY901姿态角度传感器连接。

电梯楼层自动检测系统正常工作时，需要采集电梯运行的相关信息。本系统采用JY901姿态角度传感器通过串口和微控制器Arduino UNO相连接，电梯轿厢运行到达的楼层经过气压传感器的测量与处理后送至微处理器，微处理器分析、判断、提取出有效信息，在通过微控制器处理输出控制信号到M3语音播放模块，在驱动外部的音响或喇叭放音。系统总体设计原理图如图1所示。

图1 系统总体设计原理图

2.1 JY901姿态角度传感器

JY901模块集成高精度的陀螺仪、加速度计、地磁场传感器，采用高性能的微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法。先进的数字滤波技术，能有效降低测量噪声，提高测量精度。模块内部集成了姿态解算器，配合动态的卡尔曼滤波算法，能够在动态环境下准确输出模块的当前姿态。内部自带电压稳定电路，工作电压3.3V～5V，引脚电平兼容3.3V/5V的嵌入式系统。支持串口和IIC两种数字接口，串口速率2400bps～921600bps可调，IIC借口支持全速400K速率。最高200Hz数据输出速率。

2.2 微控制器Arduino UNO

微控制器Arduino UNO为主控制器，是整个系统的核心，负责复位操作、传感器数据采集、数据运算处理、语音播报、显示器驱动等。该系统选用的Arduino UNO微控制芯片是意大利Arduino公司出品的一个开源电子设计平台。以ATmega328 MCU控制器为基础。系统采用的Arduino UNO微控制器具有14路数字输入/输出引脚(其中6路可用于PWM输出)、6路模拟输入。它采用Atmega16U2芯片进行USB到串行数据的转换。能方便的与外围设备进行通信。Arduino Uno可通过USB连接或者外部电源供电。外部供电电压在5V～12V之间，本系统外部电源从用5V直流电源。

2.3 显示模块

本系统采用标准的1602液晶显示器来输出显示。1602液晶显示器是一种将液晶显示屏、控制集成电路、PCB板、背光源、结构构件装备在一起的集合。

显示器的主要参数：D0～D7数据口，R/W读写选择，RS数据/命令寄存器，BLA/BLK分别为背光正极/背光负极，VDD接+5V，VSS电源接地，VL液晶显示偏压用来调节对比度。

2.4 语音播放模块

系统选用已有的集成M3语音播放模块。该模块直流5V/1A供电，提供9个触发端口，可直接触发也可单片机编码触发播放，具有有源音箱和喇叭借口，最大支持16G内存。

JY901姿态传感器通过串口连接到Arduino微控制器，语音播放模块和显示输出模块与 Arduino的数字I/O连接，最后得到该系统的硬件电路总图如图2所示。图中U1为1602液晶显示器，显示电梯轿厢到达的楼层信息，U2为Arduino UNO微控制器，U3为JY901姿态角度传感器，通过串口与微控制器连接，U4为M3语音播放模块，通过数字I/O口与微控制连接。

图2 电梯楼层自动检测系统硬件电路连接图

3 系统软件设计

由于电梯楼层自动检测语音报站系统在使用过程中，主要是根据电梯轿厢到达楼层的相关信息自动播报语音。检测系统的软件设计程序主要是基于Arduino IDE软件编写。程序设计思路为顶层到底层，采用模块设计方案，主要包括系统及其设备初始化、JY901姿态角度传感器测量气压数据读取、楼层信息和语音播报与显示。程序以循环方式进行，系统工作流程图如图3所示。以下对四部分程序设计进行详细说明。

图3 楼层高度测量语音报站工作流程图

3.1 系统及其设备的初始化

电梯楼层自动检测系统上电后，首先对系统及其设备进行初始化。系统初始化主要包括对系统的I/O接口、波特率、时钟等进行设置。而设备的初始化主要是对JY901传感器和1602液晶显示器进行初始化，使其能够正常工作。系统初始化后对JY901姿态角度传感器测量的气压数据进行读取，发送给微处理器，按公式（1）计算出楼层相对地面海拔高度（楼层距离地面的处置距离）。

3.2 语音播报系统

电梯楼层自动检测语音报站系统的基本功能，是根据楼层气压信息换算出楼层高度信息，语音播报到达的相对应的楼层。基于气压高度传感器的楼层自动检测语音系统，根据电梯轿厢升降高度不同，检测气压变化差值计算出楼层高度，通过串口发送给Arduino微控制器，微控制器判断、提炼有效信息，然后通过数字I/O口将楼层信息发送给语音播报系统。该电梯楼层自动检测语音系统不需要电梯生产公司提供电梯控制系统的API接口，连接外部的语音系统模块；也不需要在各个楼层的电梯井内安装红外检测，检测电梯轿厢到达楼层；也不需要与电梯按键系统连接。该系统的独立性良好，因而适用于各类应用场合的电梯设备。

电梯楼层自动检测语音报站系统流程图4所示。系统实现过程如下：假定电梯轿厢停靠在n楼，自动检测语音报站系统电路在接通电源后，首先进行系统及其设备的初始化，实时读取JY901姿态角度传感器测量的气压值，换算出电梯轿厢的实时高度。以一楼为楼层自动检测基准，若电梯轿厢上升的高度小于两米且处于停止状态为一楼；检测电梯轿厢的运行状态，电梯轿厢停止时检测到的气压减去上一个电梯轿厢停止运行时检测到的气压，若气压差值随时间增加而减少，表明电梯轿厢处于向上运行状态，电梯轿厢停止运行后，传感器检测出的高度大于2米小于6米，楼层为2楼，JY901通过串口将数据发送给Arduino微控制器，语音播放模块播报当前楼层信息。反之若检测到的气压值增大，则表明电梯轿厢处于向下运行状态。