CN109626158A - 一种电梯智能语音提示系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电梯智能语音提示系统及方法，传感器检测模块，其安装在轿厢上，所述传感器检测模块用于采集所述轿厢所处高度的气压；语音提示单元，其安装在所述轿厢内；主控板，其接收所述传感器检测模块反馈的气压信息，所述主控板根据所述气压信息检测电梯的运行状态，并依次计算得到所述轿厢的海拔高度和所处楼层，所述主控板的输出端与所述语音提示单元连接，所述语音提示单元用于实时播报楼层信息以及电梯运行状态信息。本发明解决现有语音系统安装不便、成本高、信息提示种类少、内容更新不便等问题。

Description

一种电梯智能语音提示系统及方法
技术领域
本发明涉及电梯技术领域，具体涉及一种电梯智能语音提示系统及方法。
背景技术
目前业界所有的电梯语音提示系统，都存在以下几个缺点：
(1)电梯运行状态检测复杂，主要有两种方法，一是直接接入电梯自身系统获取电梯状态信息；另一种是通过在电梯井的每一层安装红外光电对射管做位置检测开关。这两种方式都不能实现独立式便携检测安装。
(2)提示信息种类受限，现有语音提示系统都是基于单片机外接语音播放模块来实现语音信息的存储和播放，受容量、体积限制，它们无法提供多种信息丰富的智能提示。
(3)语音提示信息更换不便，难以达到实时信息更新，不能提供播放紧急通知、人机智能对话等功能，因此智能化程度受限。
(4)不能实现语音内容无线更新，一键后台更新。
(5)现有语音提示系统解决方案安装成本较高，尤其对于高层建筑来说安装成本更高且极为不便。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明的目的是提供一种电梯智能语音提示系统及方法，该系统采用融合先进算法处理数据的大气压强检测传感器，去检测电梯运行状态，更加智能、迅速、准确，可以有效解决现有电梯语音提示系统的检测系统复杂；采用Python编程语言实现检测数据滤波处理、大气压强海拔换算算法，可以实现独立式电梯智能语音提示系统研发，解决现有语音系统安装不便、成本高、信息提示种类少、内容更新不便等问题。
为了实现根据本发明的这些目的和其他优点，提供了一种电梯智能语音提示系统，包括：
传感器检测模块，其安装在轿厢上，所述传感器检测模块用于采集所述轿厢所处高度的气压；
语音提示单元，其安装在所述轿厢内；
主控板，其接收所述传感器检测模块反馈的气压信息，所述主控板根据所述气压信息检测电梯的运行状态，并依次计算得到所述轿厢的海拔高度和所处楼层，所述主控板的输出端与所述语音提示单元连接，所述语音提示单元用于实时播报楼层信息以及电梯运行状态信息。
优选的，所述传感器检测模块采用的是JY901B型大气压强传感器，所述主控板采用的是Raspberry Pi 3B+控制器。
优选的，所述语音提示单元包括音量调节旋钮、音频功放模块和喇叭，所述音频功放模块与所述主控板连接，所述音量调节旋钮和喇叭分别与所述音频功放模块连接，所述音频功放模块接收所述主控板发出的音频信号，经放大后传输至所述喇叭中进行外放。
优选的，还包括一充放电模块，其与电源模块连接，所述主控板的电源端通过所述充放电模块与所述电源模块连接；所述充放电模块还连接一电池组。
优选的，还包括无线通信模块，其与所述主控板的输入输出接口连接，所述主控板通过所述无线通信模块与移动终端通信连接。
一种电梯智能语音提示方法，包括以下步骤：
步骤一、传感器检测模块多次采集气压信息，并传送至主控板中；
步骤二、根据所述气压信息，判断电梯的运行状态，并进行语音播报；
步骤三、根据所述气压信息计算出海拔高度信息；
步骤四、记录相邻两个楼层之间的实际高度HIGH；
步骤五、记录电梯前后的气压变化差值，根据气压变化差值计算出相对高度变化值，进而计算得出电梯所处楼层，并进行语音播报。
优选的，所述步骤一中，对采集的气压信息进行滤波处理：用中值滤波法和算术平均滤波法结合使用去除高频噪声，先循环获取传感器检测模块实时采集的气压值，每隔150ms取一次当前值，连续获取10次，记为D1-D10，去掉其中最大值和最小值，对剩下的数据求一次平均值记为avg1，连续循环3次得到avg1、avg2、avg3，对三次均值avg1、avg2、avg再做差值运算，得到所处位置处的实际气压值。
优选的，所述步骤二中，至少对气压值连续进行三次采样，采集的气压值记为Pa1、Pa2、Pa3，如果Pa1>Pa2>Pa3，则判定为电梯在上行；如果Pa1<Pa2<Pa3，则判定为电梯在下行；如果Pa1、Pa2、Pa3在一定幅度波动，则判定为电梯处于停止状态；
如果计算得出电梯处于运动状态则改变电梯状态标志位run＝1，发出电梯运行信号；若计算得出处于停止状态，则修正电梯状态标志位run＝0。
优选的，所述步骤三中，首先计算气压值，JY901B型大气压强传感器采集到气压值数据包0x55 0x55P0P1P2P3H0H1H2H3SUM，每个数据由高字节、低字节组合成一个有符号的short类型数据，气压计算方法如式(1)：
其中，0x55 0x56是数据包选择校验，P0-H3为8位数据，P是气压，SUM是数据奇偶校验位；
所述海拔高度的计算方法如式(2)：
式中PH为高度H时的对应气压，Pb为高度Hb时的对应气压；β是温度垂直变化率；Tb是高度Hb时的温度；g是重力加速度常数；R是空气专用气体数；
将公式(2)优化改进，先对其进行微分计算得到公式(3)：
通过计算得到系数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-78.91m/kPa，根据国际标准大气压数据表计算可得海拔每升高1m，气压下降12.7Pa，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(4)：
根据公式(4)即可根据气压值计算出海拔高度。
优选的，所述步骤五中，设置一个楼层计数变量count并赋值程序开始运行时的楼层楼，默认程序在一楼复位开始检测运行，则记count＝1，当电梯开始运行时，状态位run＝1，通过串口向传感器发送指令0xFF 0xAA 0x01 0x01 0x00将根据传感器气压值换算的海拔高度设置为默认值0米，获取此时气压值记为data1，当等到电梯停止run＝0时，获取当前气压值记为data2，再对data1、data2进行差值运算结果记为data_change，将data_change经过气压-海拔高度转换算法得到相对高度变化值change_H，最后计算change_H/High＝change_count，并对change_count进行取整，即可计算出当前电梯到达楼层为count+＝change_count层。
与现有技术相比，本发明包含的有益效果在于：
1、基于稳定性高、抗干扰强的RPI控制板和JY901B大气压强传感器，可以实现电梯运行状态的精准检测，无需接入电梯自身运行系统或在电梯井安装红外光电对管去获取电梯运行信息，极大的降低成本，实现独立便携安装，系统整体体积小，真正实现了智能化、实时化。
2、可以通过手机APP，电脑等设备，通过WIFI或3G网络，远程登录系统终端，对每个设备进行实时在线内容更新。
3、可以为不同楼层定制个性语音信息、楼层简介、播放语音广告、播放紧急通知等信息。
4、可以在电梯故障时切换自带电源播放安抚语音，开启紧急对话系统。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1是本发明系统硬件框图；
图2是本发明语音提示方法的流程图；
图3是实施例中的测试图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明文字能够据以实施。
如图1所示，本发明提供了一种电梯智能语音提示系统，系统由如下组成：Raspberry Pi 3B+、大气压强传感器、1865电池组、5W小喇叭、音频功放模块、全网通3G模块、手机端APP、5V电源。
系统硬件设计：
系统硬件由JY901B大气压强传感器、Raspberry Pi 3B+(RPI)控制器、1865电池组、5W小喇叭、音频功放模块、全网通3G模块、手机端APP、5V电源等部分组成。传感器模块将采集到的数据通过串口通信传给RPI控制器处理后进行数据处理计算得到当前电梯运行信息，再由控制器调用播放器播放语音提示。
系统硬件框图如附图1所示。传感器检测模块，即JY901B大气压强传感器，安装在轿厢上，随轿厢同步上下移动，以采集所述轿厢所处高度的气压。语音提示单元安装在所述轿厢内，所述语音提示单元包括音量调节旋钮、音频功放模块和喇叭，所述音频功放模块与所述主控板连接，所述音量调节旋钮和喇叭分别与所述音频功放模块连接，所述音频功放模块接收所述主控板发出的音频信号，经放大后传输至所述喇叭中进行外放。
主控板接收所述传感器检测模块反馈的气压信息，所述主控板根据所述气压信息检测电梯的运行状态，并依次计算得到所述轿厢的海拔高度和所处楼层，所述主控板的输出端与所述语音提示单元连接，所述语音提示单元用于实时播报楼层信息以及电梯运行状态信息。
充放电模块与电源模块连接，所述主控板的电源端通过所述充放电模块与所述电源模块连接，电源模块为主控板提供电源；所述充放电模块还连接一电池组，用于储能，当电源模块失电时，为系统提供电源。
无线通信模块与所述主控板的输入输出接口连接，所述主控板通过所述无线通信模块与移动终端通信连接。
JY901B大气压强传感器是一款采用cortex-M0内核处理器进行卡尔曼滤波姿态融合算法处理的低功耗、高精度十轴传感器，其数据输出速率达200HZ，气压测量范围为200hPa-1200hPa，精度可达0.03hPa，转换速率高达205次/s，满足系统设计要求。
RPI是一款基于ARM的微型电脑开发板，在本系统中RPI搭载Raspbian轻量级Liunx桌面操作系统，利用RPI的串口和传感器连接进行数据通信，利用板载2G内存可以存储海量语音提示信息，既满足控制通信需求又能存储大量语音文件，还能接入显示器进行系统调试维护、二次开发，相比传统电梯语音报站器采用单片机外加语音播放模块来说，无论是从性能、存储容量、更新维护、体积大小、功能需求等各方面都有无法比拟的优势。其存储内容更新可以通过搭载的3G模块和配套的手机APP无线实时更新。
系统软件设计：
系统软件设计流程图如附图2所示。传感器通过串口获取数据，选择当前气压值，经过数据处理得到电梯运行状态，在电梯启动瞬间的获取一次气压值，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存储在Samba服务器中的音频提示信息。
一种电梯智能语音提示方法，包括以下步骤：
步骤一、传感器检测模块多次采集气压信息，并传送至主控板中；
步骤二、根据所述气压信息，判断电梯的运行状态，并进行语音播报；
步骤三、根据所述气压信息计算出海拔高度信息；
步骤四、记录相邻两个楼层之间的实际高度HIGH；
步骤五、记录电梯前后的气压变化差值，根据气压变化差值计算出相对高度变化值，进而计算得出电梯所处楼层，并进行语音播报。
所述步骤一中，对采集的气压信息进行滤波处理：用中值滤波法和算术平均滤波法结合使用去除高频噪声，先循环获取传感器检测模块实时采集的气压值，每隔150ms取一次当前值，连续获取10次，记为D1-D10，去掉其中最大值和最小值，对剩下的数据求一次平均值记为avg1，连续循环3次得到avg1、avg2、avg3，对三次均值avg1、avg2、avg再做差值运算，得到所处位置处的实际气压值。
所述步骤二中，至少对气压值连续进行三次采样，采集的气压值记为Pa1、Pa2、Pa3，如果Pa1>Pa2>Pa3，则判定为电梯在上行；如果Pa1<Pa2<Pa3，则判定为电梯在下行；如果Pa1、Pa2、Pa3在一定幅度波动，则判定为电梯处于停止状态；
如果计算得出电梯处于运动状态则改变电梯状态标志位run＝1，发出电梯运行信号；若计算得出处于停止状态，则修正电梯状态标志位run＝0。
具体的，当电梯运行时，气压值是连续变化的，停止时气压值由于气流干扰会产生噪声，因此，本系统采用软件数字滤波，用中值滤波法去除高频噪声，先循环获取传感器实时气压值，每隔150ms取一次当前值，连续获取10次，记为D1-D10，再去掉其中最大值和最小值，然后对剩下的数据求一次平均值记为avg1，连续循环3次得到avg1、avg2、avg3，该滤波法能够有效消除脉冲性干扰，抑制周期干扰，将中位值滤波法和算术平均滤波法的优点结合起来，最后对三次均值再做差值运算，如果连续大于或连续小于，则说明电梯处于运行状态，其他情况可判断为外界干扰或电梯处于停止状态。如果计算得出电梯处于运动状态则改变电梯状态标志位run＝1，发出电梯运行信号，若计算得出处于停止状态，则修正电梯状态标志位run＝0，可以及时、精准的确定电梯运行状态。利用气压差值比较算法可以有效避免气压传感器的温度漂移问题，其测试结果精确稳定。
所述步骤三中，JY901姿态传感器的数据采用16进制的方式进行传输，这种方式相对于ascii码优势是效率高占用内存小，为了得到正确数据包，必须在串口接收到数据后进行校验，根据通讯协议规定0x55开头SUM结尾的数据包为一个正确的数据包，由于JY901姿态传感器是一个十轴传感器，本系统只需要气压值，所以根据协议只筛选出气压值数据包0x55 0x55 P0 P1 P2 P3 H0 H1 H2 H3 SUM即可，每个数据由高字节、低字节组合成一个有符号的short类型数据，计算方法如式1：
计算出大气压强后，再根据大气压强测算出海拔高度，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2关系：
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))。
公式2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，因此将公式1优化改进，先对其进行微分计算得到公式3：
通过计算得到系数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-78.91m/kPa，根据国际标准大气压数据表计算可得海拔每升高1m，气压下降12.7Pa，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4：
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的提高了程序响应速度。根据公式(4)即可根据气压值计算出海拔高度。
所述步骤五中，传统楼层检测需借助电梯自身系统或安装光电传感器在电梯井，使用极为不便，成本较高。本系统设计是利用气压变化差值计算得出海拔相对变化高度，再根据楼层自身高度，测算出电梯运行层数。具体算法是先设置一个楼层计数变量count并赋值程序开始运行时的楼层楼，一般默认程序在一楼复位开始检测运行，则记count＝1,再记一层楼的实际高度为变量High，当电梯开始运行时，状态位run＝1,通过串口向传感器发送指令0xFF 0xAA 0x01 0x01 0x00将根据传感器气压值换算的海拔高度设置为默认值0米，获取此时气压值记为data1，然后等到电梯停止run＝0时，获取当前气压值记为data2，再对data1、data2进行差值运算结果记为data_change,这就是电梯运行的气压变化差值，将data_change经过气压-海拔高度转换算法得到相对高度变化值change_H，最后计算change_H/High＝change_count,由于计算出的change_count为浮点数，所以对其四舍五入后取整，由此可计算出当前电梯到达楼层为count+＝change_count层。
实施例
通过从电梯引入一路5V直流电源为系统供电，气压传感器连续采样检测当前气压值，根据上述计算方法计算出大气压强后，再根据大气压强测算出海拔高度，根据楼层高换算出到达楼层。实际对某个5层大楼测试数据结果如附图3所示。实验证明此系统运行稳定检测精准，满足设计要求。
通过主控板数据处理可以判断出当前电梯运行状态和所处楼层从而进行语音播报。播报语音信息可以通过手机APP远程连接在主板板上搭建的Samba服务器进行无线更新，语音内容可以根据所到楼层进行定制内容，也可插播紧急语音通知。当电梯正常运行时，电梯为系统供电并为系统自带电池组充电，当电梯停电时，系统供电切换为电池供电，同时程序自动切换为播放安抚语音，并根据检测电梯内有无人声判断是否开启紧急通话模式，连通电梯故障处理电话。系统安装方便，后期维护工作量小。
结果及分析
为了验证本系统的准确性和有效性，对某5层建筑物的电梯各个楼层进行实地测量，实际楼层每层高度为4米的大楼，程序在第5层复位开始运行，记录五楼到一楼利用气压差值转换海拔高度与真实高度的误差统计结果如表1所示，电梯运行气压检测数据曲线如图3所示。
表1实验数据结果
根据实验结果可知，其高度测量与真实值误差在可允许的0-0.5米范围之内，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。
再对电梯智能语音提示系统整体测试，在电梯运行、停止、指定楼层播放相应语音提示信息的准确度统计如表2所示。实验表明系统运行稳定，检测准确，语音提示播放无误。
表2系统整体测试报站语音准确度统计表
结论
本发明设计的基于JY901姿态传感器和Raspberry Pi的电梯智能语音提示系统通过模块化组合和有效的软件算法处理，实现了电梯精准报站和多种智能语音提示功能，具有体积小、低功耗、高精度、便携独立安装等特点，适用于各种电梯应用场合，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。
由上所述，本发明的电梯智能语音提示系统及方法采用基于稳定性高、抗干扰强的RPI控制板和JY901B大气压强传感器，可以实现电梯运行状态的精准检测，无需接入电梯自身运行系统或在电梯井安装红外光电对管去获取电梯运行信息，极大的降低成本，实现独立便携安装，系统整体体积小，真正实现了智能化、实时化。
同时，可以通过手机APP，电脑等设备，通过WIFI或3G网络，远程登录系统终端，对每个设备进行实时在线内容更新。并且可以为不同楼层定制个性语音信息、楼层简介、播放语音广告、播放紧急通知等信息。进一步的，可以在电梯故障时切换自带电源播放安抚语音，开启紧急对话系统。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易的实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种电梯智能语音提示系统，其特征在于，包括：
传感器检测模块，其安装在轿厢上，所述传感器检测模块用于采集所述轿厢所处高度的气压；
语音提示单元，其安装在所述轿厢内；
主控板，其接收所述传感器检测模块反馈的气压信息，所述主控板根据所述气压信息检测电梯的运行状态，并依次计算得到所述轿厢的海拔高度和所处楼层，所述主控板的输出端与所述语音提示单元连接，所述语音提示单元用于实时播报楼层信息以及电梯运行状态信息。
2.如权利要求1所述的电梯智能语音提示系统，其特征在于，所述传感器检测模块采用的是JY901B型大气压强传感器，所述主控板采用的是Raspberry Pi 3B+控制器。
3.如权利要求2所述的电梯智能语音提示系统，其特征在于，所述语音提示单元包括音量调节旋钮、音频功放模块和喇叭，所述音频功放模块与所述主控板连接，所述音量调节旋钮和喇叭分别与所述音频功放模块连接，所述音频功放模块接收所述主控板发出的音频信号，经放大后传输至所述喇叭中进行外放。
4.如权利要求3所述的电梯智能语音提示系统，其特征在于，还包括一充放电模块，其与电源模块连接，所述主控板的电源端通过所述充放电模块与所述电源模块连接；所述充放电模块还连接一电池组。
5.如权利要求4所述的电梯智能语音提示系统，其特征在于，还包括无线通信模块，其与所述主控板的输入输出接口连接，所述主控板通过所述无线通信模块与移动终端通信连接。
6.一种电梯智能语音提示方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、传感器检测模块多次采集气压信息，并传送至主控板中；
步骤二、根据所述气压信息，判断电梯的运行状态，并进行语音播报；
步骤三、根据所述气压信息计算出海拔高度信息；
步骤四、记录相邻两个楼层之间的实际高度HIGH；
步骤五、记录电梯前后的气压变化差值，根据气压变化差值计算出相对高度变化值，进而计算得出电梯所处楼层，并进行语音播报。
7.如权利要求6所述的电梯智能语音提示方法，其特征在于，所述步骤一中，对采集的气压信息进行滤波处理：用中值滤波法和算术平均滤波法结合使用去除高频噪声，先循环获取传感器检测模块实时采集的气压值，每隔150ms取一次当前值，连续获取10次，记为D1-D10，去掉其中最大值和最小值，对剩下的数据求一次平均值记为avg1，连续循环3次得到avg1、avg2、avg3，对三次均值avg1、avg2、avg再做差值运算，得到所处位置处的实际气压值。
8.如权利要求7所述的电梯智能语音提示方法，其特征在于，所述步骤二中，至少对气压值连续进行三次采样，采集的气压值记为Pa1、Pa2、Pa3，如果Pa1>Pa2>Pa3，则判定为电梯在上行；如果Pa1<Pa2<Pa3，则判定为电梯在下行；如果Pa1、Pa2、Pa3在一定幅度波动，则判定为电梯处于停止状态；
如果计算得出电梯处于运动状态则改变电梯状态标志位run＝1，发出电梯运行信号；若计算得出处于停止状态，则修正电梯状态标志位run＝0。
9.如权利要求8所述的电梯智能语音提示方法，其特征在于，所述步骤三中，首先计算气压值，JY901B型大气压强传感器采集到气压值数据包0x55 0x55 P0 P1 P2 P3 H0 H1 H2H3 SUM，每个数据由高字节、低字节组合成一个有符号的short类型数据，气压计算方法如式(1)：
其中，0x55 0x56是数据包选择校验，P0-H3为8位数据，P是气压，SUM是数据奇偶校验位；
所述海拔高度的计算方法如式(2)：
式中PH为高度H时的对应气压，Pb为高度Hb时的对应气压；β是温度垂直变化率；Tb是高度Hb时的温度；g是重力加速度常数；R是空气专用气体数；
将公式(2)优化改进，先对其进行微分计算得到公式(3)：
通过计算得到系数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-78.91m/kPa，根据国际标准大气压数据表计算可得海拔每升高1m，气压下降12.7Pa，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(4)：
根据公式(4)即可根据气压值计算出海拔高度。
10.如权利要求9所述的电梯智能语音提示方法，其特征在于，所述步骤五中，设置一个楼层计数变量count，并赋值程序开始运行时的楼层楼，默认程序在一楼复位开始检测运行，则记count＝1，当电梯开始运行时，状态位run＝1，通过串口向传感器发送指令0xFF0xAA 0x01 0x01 0x00将根据传感器气压值换算的海拔高度设置为默认值0米，获取此时气压值记为data1，当等到电梯停止run＝0时，获取当前气压值记为data2，再对data1、data2进行差值运算结果记为data_change，将data_change经过气压-海拔高度转换算法得到相对高度变化值change_H，最后计算change_H/High＝change_count，并对change_count进行取整，即可计算出当前电梯到达楼层为count+＝change_count层。
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