基于Arduino的无接触电梯按钮控制系统设计

2021-07-24闫庚尧孙晨曦李昶威胡宏亮董奕彤宋佳硕汪志超

电子测试 2021年13期

闫庚尧，孙晨曦，李昶威，胡宏亮，董奕彤，宋佳硕，汪志超

（1.沈阳航空航天大学航空发动机学院，辽宁沈阳，110136；2.沈阳航空航天大学自动化学院，辽宁沈阳，110136；3沈阳航空航天大学航空宇航学院，辽宁沈阳，110136；4沈阳航空航天大学工训中心，辽宁沈阳，110136）

1 研究背景

新冠病毒疫情爆发以来，公共环境卫生引起了极大的关注。尤其是在新冠病毒被证实了接触传播后，各种公众高频接触设施的安全更是值得思考[1-2]。消毒频次最高、任务量最大的就是对电梯按钮的擦洗消毒；其次电梯间内环境封闭，病毒残存时间和交叉感染风险相比其他区域都较高。如何能有效降低电梯按钮的消杀工作量，降低居民交叉感染的风险。在新冠尚在的这一段时间里，社区居民所采取的预防措施主要是通过间接接触，例如：用面巾纸摁电梯按钮，或者是牙签等等方式。然而本文认为当前的这种方式既不环保，也不便利。本文旨在设计红外光电[3]的应用以此代替手的直接触碰以防止接触传播。

2 系统方案总体设计

本文所设计的无接触电梯按钮控制装置由芯片控制和模拟电梯两部分组成。用户可自主选择切换楼层方式。当电梯人数较少时，用户可在电梯内部按键附近无需触碰按键选择楼层。当电梯人数较多时，用户可借助手机APP独立选择楼层。主机为是用户基于安卓系统的手机APP软件，该APP软件可以显示电梯所在楼层号及可以到达的楼层号，可以无接触控制所到楼层。从机系统部分以Arduino[4]为控制核心，以按键模块和APP为人机交互界面。当用户将手指放在对应楼层按键上方3-4cm处时，按键模块将识别并反馈至电梯的电机，从而将电梯运行至指定楼层。当用户在APP软件中输入点击需要到达的楼层号，手机APP通过WiFi或蓝牙将信号发送到从机系统控制端，控制部位接到信号后，驱动模拟电梯到达所需楼层。到达后返回信号至手机APP，显示到达。

用户始终在个人手机上操作，无需接触电梯按钮等公共设施，极大地降低了接触传播及交叉感染地风险，对当下常态化的疫情防控有着重要意义。系统的总体设计方案如图1所示。

图1 总体设计方案

3 无接触电梯按钮控制系统硬件模块设计

3.1 Arduino控制核心

根据控制要求，无接触电梯按钮采用Arduino单片机作为控制核心。Arduino单片机可通过多种传感器来感知环境，可在多种操作系统中运行。本文选用的Arduino开发板以ATmega328MCU为基础，含有6路模拟输入、一个USB接口、14路输入输出引脚、一个ICSP接头和一个复位按钮。具有32KB内存，可供用户读取输入信息。综上，这套系统非常适合该无接触控制等智能和物联网等系统的设计开发。

3.2 非接触控制按钮设计

系统采用红外光电传感器模块代替电梯按钮帮助乘客实现楼层选择功能。每个电梯楼层按钮对应一个红外光电传感器。将每个传感器之间保持一定探测安全距离构成非接触控制按钮矩阵。乘客将手指放在意向楼层所对应传感器前方一定位置，传感器即可识别并将信息通过串口通讯传递给单片机，实现非接触控制电梯按钮的功能。

本系统拟采用红外光电传感器作为非接触电梯按钮识别模块。该模块的工作电压范围在3V-5V，可采用通过单片机电源来进行模块供电。在安装使用时，传感器模块输出端口OUT直接与单片机IO口连接，也可直接驱动一个5V继电器。连接方式为VCC-VCC；GND-GND;OUT-10;此外，该传感器模块的检测距离为2cm-30cm,检测角度为35°，符合电梯小空间设置，可避免电梯内部人员拥挤或其他物品对模块检测带来干扰。模块内部电路图如图2所示。

图2 红外光电传感器模块内部电路图

3.3 蓝牙通讯模块

目前，大部分的无线开发系统中主要使用的无线通信模块有2.4G ZigBee、蓝牙无线通信、WiFi无线通信等。2.4G ZigBee 无线串口收发模块采用点对点广播模式，主从通信至少需要 2 块通信模块。若本系统采用 ZigBee 无线模块通信，则控制系统更复杂，成本更高，无法使用现有的手机资源[6]。

因此，本设计首选蓝牙连接，考虑电梯内WiFi及移动信号弱。备选ATK-ESP8266[5]串口转WiFi无线通信模块。本系统采用HC-06蓝牙模块作为通讯模块，HC-06蓝牙模块具有很强的应用性和可操作性，应用较为广泛，可在3.3-6V电压下使用。在连接时，Arduino和HC-06的GND相互连接，HC-06的TXD与接入Arduino的0接口，RXD接入Arduino的1接口。连接后通过接入单片机电源即可开启通讯。Arduino与HC-06的连接电路图如图3所示。

图3 Arduino与HC-06的连接电路图

3.4 模拟电梯模块

设计的模拟电梯由电源、驱动装置和轿厢等三部分构成。以Arduino为主控芯片，分别连接寻迹模块、电梯电机和蓝牙通讯模块。寻迹模块安置在电梯内部，可无接触获取乘客意向楼层，并通过串口通讯将楼层信息传递给Arduino单片机，Arduino单片机获取楼层信息并控制电机运转驱动电梯到达乘客意向楼层。Arduino单片机同时连接蓝牙通讯模块，可实现与用户手机APP的信息交互传递。即乘客可选择非接触式与APP式两种方式选择自身意向楼层，避免了电梯人员过多时带来的“选择拥堵”现象。

3.5 按键输入模块

考虑到无接触的设计目标，同时方便用户操作，设计矩形输入模块。拟构建用户端APP用于化解电梯楼层的“选择拥挤”现象。创建APP的步骤拟定四步。分别为登录网站、导入项目、开始修改和下载APP。导入项目后，可依次选择添加选项、添加并放置滑动条等功能。当电梯内乘客较多时，距离“按钮”较远的乘客可打开APP在APP按键选择对应楼层，通过蓝牙将楼层信息传递到Arduino 单片机。实现远程操作选择楼层的效果。

根据实际要求，实验楼层号由0～9构成。另外还需要删除键和确认键各一个，因此将键盘设计成如图的矩形键盘能满足要求。