关于疫情期间免接触电梯的设计

王壹创，冯顺念，成龙，史道玲

（安徽新华学院 电子工程学院，安徽合肥，230088）

0 引言

当前疫情形势依然严峻，在各个场所都相应的进行了一定的防范措施，但是对于电梯这一封闭环境而言，当前只有人工消毒这一单一方式，但电梯仍需人按键乘梯，而按键这一操作对于病毒传播也是一种方式，所以若能实现无接触的方式实现电梯的选层、呼叫、开门、关门这一系列操作将会使电梯这一封闭环境的防疫起到至关重要的作用，但对于新电梯开发这一功能在工厂内进行预安装固然可行，但是就2020年而言全球电梯保有量已经达到1957万台，难道直接“以旧换新”，这显然不切实际，若可以让旧电梯“外设”完成无接触功能的获得，这一方式对比于直接改装电路、厂内的预装更具有经济性，符合可持续发展的需求，，且疫情结束完全可以选择继续加装或者拆除，当然如果可以在这一“外设”上实现除“无接触乘梯”的其他功能控制病毒的传播那就是锦上添花，例如可加上“定时消毒”、“体温监测来控制梯门的开关”等功能，为疫情的早日结束贡献属于自己的力量。

本设计适用于任何传统电梯且不限人群使用，本文将从设计的硬件、外观以及如何实现“外设”方式等方面进行阐述。

1 设计思路

首先为了实现无接触，决定采用语音控制和扫码控制，因为如果采用单一的语音控制代替原有的人工按键控制，确实可以达到无接触的控制电梯的目的，但却忽略了一个问题，即使用者若为聋哑人或发声障碍人士，那么语音控制对他们而言完全是不可能，只能求助于他人。因此为适用不同人群，同时增加了扫码控制，解决了这一类人群的使用问题。而且由于这两种方式不仅可实现代替人工按键还可以同时完成按键的效率问题，极大减缓了由于人多而导致语音识别的压力以及繁琐的步骤问题。同时对于老年人也可通过打印二维码达到选层的目的，相比于IC卡的制作成本大大降低，且相比于其他无接触手段如AI手势识别当前成本过高。

其次全球电梯保有量一直在不断增加，若采用厂家预装的形式对电梯实现升级亦或厂家派专业人员前往旧电梯进行现场更换升级过于麻烦，所以本设计采用外挂的形式，存在类似于电梯外设，其具有安装简单以及日后可拆卸性强等特点，对于电梯前期的安装设备以及日后的拆卸无疑是极具便捷的。

同时由于感染新型冠状病毒大多数情况伴有高烧等体温异常的情况，所以可在电梯外安装体温监测系统，检测人的体温是否异常再决定是否打开梯门。

最后由于消毒的人工过于繁琐，因此可通过软件实现某一时段的定时消毒，代替人工消毒。

2 硬件设计

关于本设计的硬件部分，本部分的硬件设计将从语音控制、扫码、消毒以及体温监测四部分进行阐述。

■2.1 语音控制

系统的主控单元为NRK3301语音识别芯片，通过红外传感器采集出入电梯的人员信息，在人员进入时主动发出询问信号，在得到人员回复的信息后转换成相应的信号，实现电梯的选层、开关门。系统硬件框图如图1所示。

图1 系统硬件框图

NRK3301语音识别芯片的主要性能：高性能32位RISC 内核，主频 240MHz，支持硬件浮点运算，其内置1MB SPI FLASH 支持离线语音识别，采用最新的神经网络（TDNN）算法，具有识别精准，误判率低等优势，5 米远场可靠识别且通过语音降噪算法可过滤掉稳态噪声、对动态噪声也有很好的抑制作用，噪音下也可准确识别。

音频解码上支持 MP3、WAV、WMA、APE、FLAC、AAC、MP4、M4A、AIF、AIFC音频解码。BT支持SBC和AAC音频解码音频。BT电话支持mSBC 音编解码器。

音频：两通道16位DAC，SNR> = 95dB ；单通道16位 ADC，SNR> = 90dB；采样率支持 8kHz /11.025kHz/16 kHz/22.05kHz/24kHz/32kHz/44.1kHz/48kHz；三通道立体声模拟 MUX，DAC支持直推式,单端或者差分输出。

电源：VBAT 为 2.2V～5.5V，VDDIO 为 2.2V～3.6V。

2.1.2 红外传感器

为了避免不必要的人机对话，故需要判断人员是进入还是走出电梯，若为进入，则语音进行询问，若为走出电梯则无需询问，所以采用两个红外传感器，两传感器分别命名为1、2，当人员进入时，先经过传感器1（状态1）再经过传感器而再经过传感器2（状态2），而经过引脚获得高电平，即状态1时为“10”，状态2时为“11”，即获得为“1011”时为进入电梯，同理走出电梯为“0111”。不同状态下的引脚值如图2所示。

图2 不同状态引脚值

■2.2 扫码控制

所谓扫码控制，即为用户出示软件生成的码，然后电梯自带的扫码模块进行解码，将解码信息进行上传，与电梯通信，从而实现扫码控制代替人工键控电梯的目的，且对于无智能手机的可以将二维码进行打印，一样实现控制电梯，相对于IC卡制卡成本大大降低且对于语言障碍人群十分友好。本部分采用远景公司EM20系列二维码扫描器作为扫码和解码模块，图3是扫码控制的大致运行流程图。

■2.3 体温检测

针对市面上的体温检测工具进行分析，决定采用人脸识别技术，测温同时实现目标人脸识别，锁定超温目标，自动保存红外及可见光报警图像，如市面上广州科缔欧电子科技有限公司旗下的智能红外热像仪测温系统KDO-PC10-S650P，然后将其与电梯梯门进行连接，当检测出异常体温时不允许打开梯门，同时通知相关负责人进行重测或者其他相关措施，连接图如图4所示。

图4 体温检测硬件连接图

■2.4 自动消毒

通过对当前疫情环境下电梯消毒手段分析，百分之九十以上采用人工消毒模式，但是消毒水对于人体健康仍然有一点的危害，所以本设计为解决这一问题，采用定时消毒的模式，相关硬件连接图如图5所示。

图5 自动消毒硬件连接图

3 软件设计

关于本设计的软件设计，主要依据框图从以下三个方面进行介绍，分别为语音控制、扫码控制、自动消毒，而自动消毒模块需与电梯“联动”，如到达指定时间开始消毒，但是若电梯中有人（可通过有选层命令未执行），则不进行消毒，待命令完成后，该电梯不进行运送任务，则开启自我消毒，待消毒完成后再进行正常工作。

■3.1 语音控制

关于语音控制这一模块，语音处理大致可以分为几步:音频（模拟）信号转换为数字信号、编码处理、存储、解码处理、以及将数字信号转换为音频（模拟）信号。而所采用的NRK3301语音识别芯片除了具备以上功能以外，还可以进行人机交互，其具有识别精准、远场降噪功能，适合于电梯这一类公共环境，且成本较低。

本设计假设有六层楼，用六个垂直安装的LED模拟相应的楼层，实现是未进梯呼叫电梯的状态如图6(a)所示，进门后的状态如图6(b)所示。

图6 未进梯及进梯流程图

■3.2 扫码控制

关于扫码控制模块的软件设计，分为手机端小程序设计及扫码模块两部分，根据用户输入的楼层等信息完成文字信息的转换，然后从文字信息转换为可让单片机运行的代码，最后完成代码信息存储在二维码中。该部分不进行过多赘述了。

4 整体外观设计

关于本设计的外观设计，如图7所示，其中整体采用滑槽结构，易于安装及拆卸，其中圆形部分为语音交互区域，用户可根据需求是否加装屏幕，用于显示AI人物与之交互，其次正方形区域为扫码模块，而椭圆部分为消毒模块。

图7 外观设计草图

5 小结

本设计立足于当前疫情的严峻形势，旨在解决人们在电梯中因接触导致感染风险的可能性问题。本设计不同于传统的仅仅使用声控这一单一的方式达到无接触控制电梯目的，也为语言障碍者提供了另一种扫码控制的方式，同时也减轻了语音控制的压力。其次为符合实际，在当今电梯保有量巨多的大背景下采用了外挂的方式，作为电梯的“外设”，实现了旧电梯的简单升级，使其更加智能化，也符合可持续发展理念。同时还增加了自动消毒的功能，大大减少了人工消毒的繁琐。本设计为当前疫情环境下电梯的发展提供了新的解决方案，设计细节方面还有待进一步深入探索和完善。