基于树莓派的智慧电梯楼层语音提醒装置设计*

唐雪景 马壮壮 陈军* 李思彤 杨一帆

(塔里木大学 信息工程学院，新疆 阿拉尔 843300)

近年来，随着科技发展，出现许多新技术和新设计促进我国公共设施在无形中向智慧化、科技化发展，其中与我们生活密切相关的电梯也变得更加智能化。乘坐电梯时，如果乘客人数过多没有语音提醒，很容易错过楼层，但目前实际应用在大部分电梯运行过程中的语音报站，其智能信息提醒功能单一受限、报站器楼层检测依赖于电梯控制系统，且安装、售后维护成本高，存在很多弊端[1-3]。针对现有问题，本文提出一种基于气压-海拔转换关系，利用相对海拔高度差原理，实现对电梯楼层检测智慧语音提醒装置的设计，利用采集到的气压值、海拔值，提出楼层检测算法，完成了电梯运行上下行状态、运行楼层参数的实时数据检测采集；根据传感器设计了自校准功能函数以及楼层检测算法来确定楼层数，并送到串口显示屏进行显示并播放智能语音提醒。本设计功能齐全、操作简单快捷、功能扩展性强、成本较低，具有较大的市场应用潜力。

1 系统硬件设计

1.1 树莓派核心板

现有电梯报站器多采用单片机实现检测控制，但单片机片上内存容量有限，要实现智能语音提醒还必须设计外围语音播放电路模块和音频文件存储模块，实现电路复杂[4-6]。本设计对比现有主流主控板性能优势，主控板选用ARM控制板树莓派3B+，利用树莓派GPIO口和气压传感器连接进行数据通信，利用板载内存存储语音提示信息，既满足控制通信需求又能存储大量语音文件。树莓派板载2G大容量内存，可以存储语音文件，同时自带音频解码芯片，不需要单独设计语音播放模块，高度集成的外围电路可以减小电路设计体积，在开发设计时通过键盘、鼠标、显示器和电源等外围设备连接到树莓派非常方便进行二次开发。树莓派提供了访问片上硬件，即用于开发应用程序的GPIO。通过访问GPIO，可以连接LED、传感器等设备，也可以进行外围电路设计与搭建，本文选用的主控板如图1所示。

图1 树莓派3B+主控板

1.2 外围按键模块

本设计为实现智能语音提醒系统便捷安装调试、自适应校准算法，在系统外围设计了按键模块，共有6个按键，分别为：KEY，主要功能为将当前所在楼层设置为1楼；KEY1为自锁开关，主要功能为按下开始获取当前海拔高度，松开再次获取海拔高度，两次差值为测量高度差；KEY2，主要功能为将检测的海拔高度差赋值给楼层高度设定值，以适应不同楼的楼层差；KEY3，主要功能为赋值初始化高度设定值；KEY4，主要功能为将设定的楼层高度减小5 cm；KEY5，主要功能为将设定的楼层高度增加5 cm。在初次安装使用本装置时，如果楼层高度不是通用标准楼层高，就需要测量一次楼层高度，然后将测量高度设定为楼层高，以实现适用任意楼层结构，根据测试误差还可小范围调整层高方便检测更加精准，安装时只需配置数据一次即可。

1.3 气压传感器

本设计采用气压传感器型号为ZN-34数字信号传感器。气压传感器将气压值实时采集输出，通过气压-海拔转换关系式，将气压值转换为海拔值。假设空气为理想标准大气状态，则大气压强与海拔高度存在如式(1)关系[7]：

(1)

式中：PH为高度H时的对应气压，Pa；Pb为高度Hb时的对应气压，Pa；β是温度垂直变化率，K/m；Tb是高度Hb时的温度，K；g是重力加速度常数，m/s2；R是空气专用气体数，m2/(K·s2)。

式(1)是关于气压和高度的非线性关系式，在编程时比较复杂，计算量较大，影响程序响应速度，因此将式(1)优化改进，先对其进行微分计算得到式(2)：

(2)

通过计算得到系数∂=-78.91(P/P0)-0.81，由于在标准海平面附近，气压变化较小，所以式中系数a约等于-78.91，根据国际标准大气压数据表计算可得海拔每升高1 m，气压下降12.7 Pa，进而推导出改进后的气压P与海拔高度数学模型关系式为式(3)：

(3)

采用这种算法将复杂的非线性关系转变线性关系式，既简化了编程难度又极大地提高了程序响应速度。

气压传感器串口的TX、RX、GND、VCC连接到树莓派的UART0 RX、UART0 TX、GND、VCC，即可通过串口进行数据传输。气压传感器相关参数信息如表1所示。

表1 ZIN-34气压传感器参数信息表

1.4 USART HMI显示屏

本设计人机接口显示屏幕采用的是Human Machine Interface(HMI)。HMI通过串口与MCU 进行通信交互，只需通过串口与HMI设备发送/接收指令，HMI设备即可作出相应响应，方便各种型号的MCU兼容，也易于程序二次开发移植，HMI根据需要有各种尺寸大小选择，本设计中选择的HMI屏分辨率为480×320。HMI设计显示界面流程如图2所示。

图2 HMI设计显示界面设计流程图

本系统中设计的电梯显示信息界面如图3所示，可以实时显示当前楼层、楼层高度、实时气压值和测量的楼层高度。

图3 电梯显示信息界面设计图

1.5 语音播放模块

本设计利用树莓派3B+主控板上自带的音频解码芯片可以直接播放音频文件，不需要单独设计外围播放电路，同时主控板载2G存储内存，可以存放提前录制好的智慧语音文件，将配置好的背景音乐文件调用Mplayer播放器根据检测信号控制播放，通过音响连接到树莓派的输出接口即可播放智慧语音提示。为实现良好的播放效果，本设计利用放大驱动电路设计了音响功放电路，实现音乐的大功率驱动播放，设计完成的音响播放模块如图4所示。

图4 音响播放模块

2 系统软件设计

本设计程序设计流程图如图5所示。气压传感器通过串口实时获取数据，经过奇偶校验判断数据包的完整性，数据无误后，选择当前气压值赋值给变量连续采样，如果气压值连续增、减，代表电梯正在运行，经过数据处理得到电梯运行状态；确定电梯运行状态后，在电梯启动瞬间获取一次气压值，等到电梯停止时再获取当前气压值，利用气压差测算出海拔差，再根据楼层实际高度和楼层状态位得到楼层信息，系统根据电梯运行状态位和楼层状态位调用播放器播放相应的音频提示信息。

图5 程序设计流程图

3 实验结果及分析

3.1 设计完成的实物装置图

本设计通过软硬件设计，最终设计完成的实物装置图如图6所示，此装置具有体积小、低功耗、高精度、便携独立安装等特点，适用于各种垂直电梯应用场合。

图6 本设计最终设计实物装置图

3.2 测试数据

为测试本设计准确性与稳定性，选择多部电梯实地测量，以标准楼层高度400 cm为基准进行多次测量，测量结果如表2所示。

表2 测试数据结果

3.3 结果分析

气压变化值与海拔上升高度变化值是高度相关的，楼层的高度变化过程与实际气压变化对应，本设计利用这一规律实现电梯楼层检测是准确可行的，可以实现电梯停靠楼层的计算进而实现电梯语音智能提醒。虽然电梯的环境尽可能地减少了外界环境对测量压强精确性的影响，但计算出的楼层高度与实际高度存在一定误差。根据实验结果可知，其高度测量与真实值偏差不大，误差范围在可允许的0～0.3米之内，取整运算后楼层信息准确，气压差值变化范围稳定，效果良好，满足测量要求。

4 市场前景

本文设计开发的独立式智慧电梯楼层语音提醒装置主要优势一方面在于采用独立式检测，即不需要任何辅助标定装置，可在任意垂直电梯安装使用，对比市场现有电梯报站器，多采用在电梯井安装红外对管、电磁感应传感器或需要接入电梯控制系统，对于安装维护来说，都需要联系专业技术人员或厂家进行，极为不便，同时可能造成一定的安全隐患，本设计完全不需要专业人员安装调试，使用简便；另一方面在于改变了传统只有单一语音提示功能，本设计提醒装置融合人机接口显示屏，提供多种信息显示，如电梯运行加速度、环境温度、运行时长等可以为电梯维保提供维保数据，同时定制个性化语音，除了播报楼层信息还可播放楼层附加信息，如本楼层有哪些公司、温馨提示、轻松音乐等等。随着科技的进步和时代的发展，我国电梯保有量持续增加，更加智能化、人性化的语音提示装置已经成为电梯运行的必需品[8,9]，而智慧电梯语音装置的提醒系统的使用也成为现代电梯的主流趋势，市场应用前景广阔、潜力巨大。

5 结论

本设计利用气压-海拔转换关系，设计了一种独立的智慧电梯语音提醒装置，相比较传统的电梯运用红外对管、电磁感应传感器或需要接入电梯控制系统而实现的电梯楼层提醒装置受制于系统控制，此装置节省了物力、人力、财力而更加灵活的适用于任意电梯。本设计的电梯自动语音提示系统以树莓派为核心，主要通过树莓派模块、气压传感器模块、外围按键模块、HMI显示模块四个模块协调工作，实现了电梯自动语音提示功能，运用自校准函数对上下行的检测结果做出相应处理和判断，将信号发送给语音模块，播报最终到达楼层和背景音乐，本设计填补了业界对独立式电梯楼层检测装置的空缺，满足现代社会发展需求，具有广泛的应用前景。