夏添卓 李 紅

（平頂山學(xué)院信息工程學(xué)院 河南平頂山 467000）

隨著經(jīng)濟全球化、全球各國交通運輸業(yè)得到迅速發(fā)展，公共交通可承載的運輸量也急劇增長，大大地方便了人口流動的同時也促進了經(jīng)濟的發(fā)展[1]。但是在一些特殊時期，范圍廣、規(guī)模大的人口流動帶來的影響是極為嚴(yán)重的，如：呼吸道飛沫傳染疾病流行時期。而目前來看，大部分的公共交通系統(tǒng)并沒有一個有效且高效的乘客健康信息檢測系統(tǒng)，在特殊時期普遍采用人工測溫的模式，這樣的工作模式可能會出現(xiàn)因為工作人員自身疏忽導(dǎo)致體溫異常的乘客進入車站，且工作效率低，本身存在著一些局限性[2-4]。由此可見，建立一個將乘客身份驗證、體溫測量、閘門、云平臺監(jiān)控融合為一體的乘客健康狀況檢測系統(tǒng)就顯得尤為重要。針對這一需求，設(shè)計了一款基于STM32的紅外智能測溫閘機系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

本系統(tǒng)設(shè)計的需求主要是通過多種傳感器與閘門的結(jié)合實現(xiàn)對車站進站閘門的智慧控制，其自動化程度高，提高了特殊條件下車站進站安檢效率和可靠性，需要實現(xiàn)的功能包括：

1）身份識別

對進站的乘客身份進行驗證，由于已購買車票的乘客身份卡信息已提前錄入系統(tǒng)，則只有已購票的乘客才能通過身份驗證，未購買車票的乘客則無法通過身份驗證。

2）體溫測量

已購票乘客完成身份驗證后，需要對其體溫信息進行采集，體溫值正常的乘客最后才能通過閘門。

3）信息顯示和提示

對身份驗證和體溫測量的結(jié)果分別進行實時地語音提示和OLED屏幕顯示。

4）執(zhí)行驅(qū)動

當(dāng)乘客既通過身份驗證且體溫值也在正常范圍內(nèi)，則閘門模塊開啟，乘客進站，否則不然。

5）遠(yuǎn)程監(jiān)控

系統(tǒng)結(jié)合WIFI模塊，通過網(wǎng)絡(luò)將系統(tǒng)傳感器模塊測量的有效數(shù)據(jù)上傳至云平臺，實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控。

1.2 系統(tǒng)總體框架

使用 STM32F407最小系統(tǒng)為主控模塊，結(jié)合射頻讀卡模塊、紅外測溫模塊分別對進站乘客身份和體溫進行信息采集并進行分析和處理。同時為展示結(jié)果，使用單片機驅(qū)動OLED顯示模塊實時顯示功能模塊采集的信息和邏輯判斷結(jié)果，驅(qū)動語音示警模塊播報單片機對模塊采集信息的邏輯判斷結(jié)果所相對應(yīng)的音訊。結(jié)合兩項信息的采集、處理和分析后，單片機根據(jù)結(jié)果驅(qū)動門禁繼電器模塊開關(guān)閘門。最后，通過 WIFI模塊將乘客的身份信息、體溫信息上傳至云平臺。

系統(tǒng)總體設(shè)計框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控模塊

本設(shè)計采用了STM32F407VET6單片機為主控芯片的最小系統(tǒng)板，該最小系統(tǒng)板自帶多功能電路，如：晶振電路、復(fù)位電路、電源電路和 ADC轉(zhuǎn)換電路等。選用該芯片可省去復(fù)雜外圍電路的設(shè)計，減少開發(fā)成本的同時提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此系統(tǒng)板具有低功耗、性能高、內(nèi)部資源豐富，有大量的通用 I/O接口和外設(shè)接口，可以滿足本次設(shè)計的需求。

2.2 射頻讀卡模塊

身份信息驗證模塊選用了RFID RC-522射頻讀卡模塊，它具備工作電壓低、體積小、成本低等特點。其利用了先進的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13.56 MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議[6]。支持快速加密算法，用于驗證 MIFARE系列產(chǎn)品，雙向數(shù)據(jù)傳輸速率可達424 kbit/s[7]。系統(tǒng)工作過程中，乘客首先需要進行身份驗證，即：刷身份卡，射頻讀卡模塊通過信息比對判斷是否為有效卡，并將邏輯值返回單片機，進行下一步操作。射頻讀卡模塊電路和實物圖如圖2所示。

圖2 RFID射頻讀卡模塊電路和實物圖

2.3 紅外測溫模塊

本設(shè)計的測溫模塊選用了 MLX90614系列的GY-906-BAA非接觸式紅外溫度計。因為加入了一枚17bit ADC 信號調(diào)節(jié)芯片和其他性能高效的DSP組件，所以在測量溫度時所得數(shù)據(jù)精度較高[8]。該模塊可采用3～5 V供電，其測量數(shù)據(jù)范圍是從-70.10℃到+382.19℃，在人體體溫范圍+32～+42℃時，測量的絕對精度為0.2℃。設(shè)計使用過程中，當(dāng)對乘客的身份進行采集和驗證后，系統(tǒng)需要對乘客的體溫進行非接觸式采集，并將采集的數(shù)據(jù)實時傳回給單片機進行下一步的操作。紅外測溫模塊電路和實物圖如圖3所示。

圖3 紅外測溫模塊電路和實物圖

2.4 WIFI通信模塊

通信模塊為ESP8266-01S WIFI無線通信模塊，模塊內(nèi)部集成超低功耗32位微型MCU，集成WIFI-MAC/BB/RF/PA/LNA自帶板載天線[9]，支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11n協(xié)議，完整的TCP/IP協(xié)議棧[10]，可以使用該模塊為現(xiàn)有的設(shè)備添加聯(lián)網(wǎng)功能。測試時給單片機寫入程序，提前設(shè)置路由器名稱和密碼，上電后單片機發(fā)送AT指令，WIFI模塊通過連接網(wǎng)絡(luò)與云平臺建立連接，系統(tǒng)部分模塊數(shù)據(jù)可上傳至云平臺，實現(xiàn)對測溫閘機系統(tǒng)的實時監(jiān)控。WIFI通信模塊電路和實物圖如圖4所示。

圖4 WIFI模塊電路與實物圖

2.5 人機交互模塊

人機交互模塊包含：語音示警模塊、OLED顯示屏、門禁繼電器。其中語音示警模塊通過讀取單片機對身份識別和體溫測量結(jié)果發(fā)出的指令驅(qū)動語音示警模塊播放相應(yīng)的音頻；OLED模塊用于實時顯示身份驗證結(jié)果和測溫模塊測得的溫度系數(shù)；門禁繼電器模塊，驅(qū)動繼電器模塊工作。語音示警模塊電路與實物圖如圖5所示，OLED顯示屏電路與實物圖如圖6所示，門禁繼電器模塊電路圖如圖7所示。

圖5 語音示警模塊電路與實物圖

圖6 OLED顯示屏電路圖與實物圖

圖7 門禁繼電器模塊電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體軟件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計需求，系統(tǒng)的主程序包含三大子程序，即：身份信息識別子系統(tǒng)、紅外測溫子系統(tǒng)、WIFI聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)。首先，系統(tǒng)接通電源，先對整個系統(tǒng)進行初始化。按照使用指令依次進入各個子系統(tǒng)程序系統(tǒng)總體流程圖，如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)總體流程圖

3.2 子系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.2.1 身份識別子系統(tǒng)程序設(shè)計

身份識別子程序設(shè)計如下：首先，系統(tǒng)上電后，對整個子系統(tǒng)和相應(yīng)的單片機引腳進行初始化，然后循環(huán)采集身份卡信息并判斷是否為有效卡，若為有效卡通過驅(qū)動語音示警模塊播報“刷卡成功”，為無效卡則驅(qū)動語音模塊播報“無效卡”。身份識別子模塊流程圖如圖9所示。

圖9 身份識別子模塊流程圖

3.2.2 紅外測溫子系統(tǒng)程序設(shè)計

紅外測溫子程序設(shè)計如下：對整個子系統(tǒng)與單片機引腳初始化，通過紅外測溫模塊采集溫度信息，同時驅(qū)動OLED屏實時顯示溫度系數(shù)，并判斷溫度值是否在正常范圍之內(nèi)。若溫度正常，驅(qū)動語音示警模塊播報“體溫正常”，驅(qū)動繼電器打開閘門；溫度超過正常范圍則驅(qū)動語音模塊播報“體溫異?！?，不打開閘門。紅外測溫子系流程圖如圖10所示。

圖10 紅外測溫子系統(tǒng)流程圖

3.2.3 WIFI聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)程序設(shè)計

本設(shè)計中，單片機通過AT指令給WIFI發(fā)送命令進行握手，然后將相應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)通過 WIFI傳送到云平臺。WIFI聯(lián)網(wǎng)子程序流程圖如圖11所示。

圖11 WIFI子程序流程圖

4 系統(tǒng)測試

4.1 紅外測溫模塊軟件測試及結(jié)果分析

測試過程：將系統(tǒng)通電，使物體靠近紅外測溫傳感器模塊2cm左右，同時查看OLED顯示模塊顯示的實時數(shù)據(jù)；通過更換溫度不同的物體進行反復(fù)測量并記錄數(shù)據(jù)值，最后分析數(shù)據(jù)結(jié)果并對程序進行相應(yīng)的調(diào)整。測試結(jié)果：OLED正常顯示測得溫度。結(jié)果分析：結(jié)合測試結(jié)果，該模塊符合本系統(tǒng)的測溫功能需求。測試效果圖如12所示。

圖12 紅外測溫模塊測試效果圖

4.2 射頻讀卡模塊軟件測試及結(jié)果分析

測試過程：將系統(tǒng)上電，將身份卡放在射頻讀卡模塊上，觀察 OLED顯示屏的結(jié)果。測試結(jié)果：OLED屏顯示“OK”以及已提前配置好的身份卡密碼。結(jié)果分析：結(jié)合模塊的功能測試結(jié)果，該模塊符合本系統(tǒng)的身份驗證功能需求。

4.3 系統(tǒng)總體測試

測試過程：將系統(tǒng)上電，先刷身份卡，然后伸手測量體溫，最后在Web上查看數(shù)據(jù)，對比系統(tǒng)實時測試的數(shù)據(jù)，完成整個系統(tǒng)的測試。測試結(jié)果：各模塊正常工作，云平臺能夠?qū)崟r顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)和記錄。結(jié)果分析：根據(jù)系統(tǒng)測試結(jié)果，該系統(tǒng)基本符合設(shè)計各項需求。

系統(tǒng)測試效果如圖13和圖14所示。

圖13 Web端數(shù)據(jù)顯示

圖14 歷史溫度檢測記錄折線圖

5 結(jié)語

基于 STM32單片機 STM32F407VET6，配合MLX90614紅外測溫模塊、RFID射頻讀寫卡模塊、JQ-6500語音模塊、OLED顯示模塊、WIFI模塊、繼電器模塊設(shè)計紅外智能測溫閘機系統(tǒng)。經(jīng)各項測試驗證，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)集身份驗證，體溫測量為一體的功能，能夠通過無線網(wǎng)將數(shù)據(jù)實時上傳至云平臺，并能實現(xiàn)相匹配的視覺顯示、語音示警等功能，能夠滿足一般公共場所的使用需求。但是本系統(tǒng)的測溫精度還有待提高，實際使用過程中的表現(xiàn)還有待加強，因此還需進一步的調(diào)試改進。