黃裕滿 孫燕斌 劉文一 高鴻

摘? 要：基于STM32的飛沫智能檢測(cè)儀，是一款基于單片機(jī)控制的，集飛沫靜電吸附、電子顯微鏡物理觀察、程序自動(dòng)篩選、單片機(jī)控制的自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)于一體的簡(jiǎn)易裝置，為解決快速檢測(cè)空氣中飛沫是否攜帶致命感染病毒的問題。通過單片機(jī)控制，更快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)飛沫中攜帶的病毒，能大大提升預(yù)防傳染病的能力，對(duì)傳染病防治起到積極影響。

關(guān)鍵詞：STM32;飛沫;檢測(cè)儀

一、項(xiàng)目概述

據(jù)美國(guó)疾控中心研究表明新冠病毒的傳播主要是通過飛沫傳播。人體呼吸道飛沫的測(cè)量研究表明，人在講話和咳嗽時(shí)會(huì)在空氣中噴出帶有分泌物的飛沫，其中含有病原體的飛沫是導(dǎo)致呼吸道傳染病傳播的重要原因。由此可見，當(dāng)世界上出現(xiàn)某種新的傳染病病毒時(shí)，如果不被第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)的后果是多么的嚴(yán)重?；诖饲疤?，我們這款集靜電吸附、單片機(jī)程序控制于一體的智能飛沫檢測(cè)儀就運(yùn)應(yīng)而生。本產(chǎn)品是基于STM32控制的，集飛沫靜電吸附、電子顯微鏡物理觀察、程序自動(dòng)篩選、單片機(jī)控制的自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)于一體的簡(jiǎn)易裝置。主要是為了實(shí)現(xiàn)更快速，方便的檢測(cè)空氣中的飛沫是否攜帶致命病毒，更好的預(yù)防傳染病的發(fā)生。

二、項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)一款基于單片機(jī)控制的，集飛沫靜電吸附、電子顯微鏡物理觀察、程序自動(dòng)篩選、單片機(jī)控制的自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)于一體的簡(jiǎn)易裝置。計(jì)劃將目前已知病毒的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，再把已知病毒分類為危害大和危害小這兩種程度。電子顯微鏡的載玻片收集在空氣中飄動(dòng)的飛沫，飛沫會(huì)在環(huán)狀電極附近空間感應(yīng)帶電，在重力、靜電力和空氣阻力的作用下加速降落在載玻片上，通過電子顯微鏡的病毒成像與數(shù)據(jù)庫中的圖像進(jìn)行對(duì)比，判斷病毒類型，若數(shù)據(jù)庫中含有該病毒的數(shù)據(jù)，若擬合度超過90%及以上，認(rèn)為該病毒為已知病毒，再從數(shù)據(jù)庫里分析其危害程度。若危害程度大，則向接收設(shè)備發(fā)送警報(bào)信息;否則不發(fā)送。如果這種病毒為未被收錄進(jìn)已有的數(shù)據(jù)庫，也會(huì)向接收設(shè)備發(fā)送警報(bào)信息，提示出現(xiàn)新傳染病毒。同時(shí)自動(dòng)將該新型病毒收錄入庫。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.呼吸道飛沫收集裝置

本項(xiàng)目的主要收集裝置將采用基于感應(yīng)靜電加速技術(shù)的呼吸道飛沫收集裝置。該裝置包括呼吸道飛沫收集箱和感應(yīng)靜電發(fā)生系統(tǒng)，呼吸道飛沫收集裝置的主體箱上固定左右蓋板，前蓋板用于密封主箱體前面的開口，載玻片和鍍鋅鐵皮用一對(duì)強(qiáng)磁性的磁鐵均勻固定在主箱體底部和左右蓋面上，感應(yīng)靜電發(fā)生系統(tǒng)的靜電發(fā)生器產(chǎn)生靜電，電流在主箱體前部的環(huán)狀電極周圍空間形成感應(yīng)電場(chǎng)，在鍍鋅鐵皮上產(chǎn)生感應(yīng)電荷，絕緣環(huán)卡在主箱體前面的固定槽內(nèi)，完全包裹環(huán)狀電極，開關(guān)用來控制感應(yīng)靜電系統(tǒng)的通斷。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便、可行度高﹑攜帶方便和成本低，一次能采集到多種不同粒徑的顆粒物，且采樣不受外界的影響。

2.STM32控制器

STM32處理器的主要組成部分是微處理器、復(fù)位電路、存儲(chǔ)電路。該處理器性能高、體積小、成本低。工作頻率高達(dá)72MHz，程序存儲(chǔ)器容量高達(dá)256KB，支持I2C，SDIO，SPI，USART等接口模式，可滿足不同條件下的通信需求。本文采用的STM32處理器其內(nèi)部含有12位A/D轉(zhuǎn)換，是一種高效微處理器。

3.LCD1602

LCD1602受DE2開發(fā)板上的一塊Cyclone II FPGA控制，兩者相關(guān)引腳相連。通過對(duì)FPGA進(jìn)行編程就可以驅(qū)動(dòng)LCD1602，從而實(shí)現(xiàn)字符的顯示。本系統(tǒng)主要功能為通過LCD1602驅(qū)動(dòng)程序顯示CGROM中包含的字符，顯示過程中可以隨意選擇在LCD上顯示的字符位置，并且可以通過按鍵實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能。LCD1602通過8位并行信號(hào)進(jìn)行控制。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.圖像傳輸

本系統(tǒng)主要包括視頻信號(hào)采集、圖像處理、圖像傳輸三個(gè)部分。視頻信號(hào)的采集需要使用專用的視頻編碼器件;對(duì)于圖像處理功能，人們普遍采用了數(shù)字信號(hào)處理器代替?zhèn)鹘y(tǒng)計(jì)算機(jī)的方式;大量原始視頻數(shù)據(jù)的上傳存儲(chǔ)后的再分析則需要高速的PCI總線傳輸。本文對(duì)數(shù)字圖像的實(shí)時(shí)處理采用的是DSP芯片，同時(shí)用PCI總線接口來解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蕟栴}。在解決視頻信號(hào)采集方面，選用了A/D SAA7111A模塊;并利用TMS320VC5509A DSP芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像處理模塊的硬件電路設(shè)計(jì);解決了大量視頻數(shù)據(jù)的緩沖問題。構(gòu)建了系統(tǒng)視頻數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)圖像處理和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布脚_(tái)。

視頻信號(hào)采集完成后，圖像處理模塊即可對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行處理。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，F(xiàn)PGA將兩片大容量存儲(chǔ)器交替映射到DSP的CE2空間，F(xiàn)PGA將原始視頻信號(hào)存入一片存儲(chǔ)器的同時(shí)，DSP將另一片存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)讀入DSP并進(jìn)行處理，所得結(jié)果再存入這片存儲(chǔ)器。DSP擴(kuò)展異步存儲(chǔ)器的容量是有限的，但本設(shè)計(jì)視頻信號(hào)的存儲(chǔ)需要擴(kuò)展大容量的存儲(chǔ)器來實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)的方法是在FPGA中通過CEl空間擴(kuò)展一個(gè)地址寄存器，用這個(gè)寄存器作為大容量存儲(chǔ)器的高位地址，在需要時(shí)DSP對(duì)其進(jìn)行修改，F(xiàn)PGA將這個(gè)地址與DSP訪問CE2空間時(shí)的地址組合后作為訪問大容量存儲(chǔ)器的地址。本文通過運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行圖片處理，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)自帶反饋系統(tǒng)的多層次網(wǎng)絡(luò)，可以通過大量的練習(xí)，來減小鑒別誤差，得到期望的輸出結(jié)果。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分為三層，分別是輸入層、中間層、輸出層。通過層層傳遞，最大化的減小實(shí)驗(yàn)誤差。如果出現(xiàn)誤差（即所得結(jié)果達(dá)不到預(yù)期），就通過自帶的反饋系統(tǒng)讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反向傳遞，不斷根據(jù)誤差來調(diào)整精確度（權(quán)值合閥值）。就這樣多次的訓(xùn)練，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所得的結(jié)果就能更接近期望值。捕獲圖像數(shù)據(jù)的代碼如下：

if（！ i_vsync && i_href && i_start）begin

If（i==0）begin rgb565_buf[7：0]<=i_data[7：0];o_valid<=0;end

Else begin o_rgb565[15：0]<={rgb565_buf[7：0]，i_data[7：0]};

o_valid<=1;end

i<=～i;

End else o_valid<=0;

2.遠(yuǎn)程控制

應(yīng)用ONENET平臺(tái)的短消息服務(wù)，向裝置綁定的終端發(fā)送報(bào)警信息，同時(shí)該平臺(tái)也提供定位服務(wù)，可以讓我們更快定位發(fā)出信息的設(shè)備的位置。我們通過ESP8266以及MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與云平臺(tái)OneNET的交互，以此來達(dá)到人們對(duì)環(huán)境中飛沫的實(shí)時(shí)檢測(cè)的功能。

ESP8266模塊的主要代碼如下：

（1）SoftwareSerial mySerial （rxPin，txPin）;

（2）mySerial.println（“AT”）;

（3）mySerial.println（“AT+CWMODE=3”）;

（4）mySerial.println（“AT+RST”）;

（5）mySerial.println（“AT+CWJAP=＼”zzh＼”＼”12345678＼””）;

（6）mySerial.println（“AT+CIFSR”）;

（7）mySerial.println（“AT+CIPSTART=＼”TCP＼”＼”183.230.40.34＼”80”）;

（8）mySerial.println（“AT+CIPMODE=1”）;

（9）AT+CIPSEND;

五、、結(jié)語

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了以STM32F103為核心的飛沫智能檢測(cè)儀，集飛沫靜電吸附、電子顯微鏡物理觀察、程序自動(dòng)篩選、單片機(jī)控制的自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)于一體的簡(jiǎn)易裝置。能實(shí)現(xiàn)更快速，方便的檢測(cè)空氣中的飛沫是否攜帶致命病毒，更好的預(yù)防傳染病的發(fā)生的功能。該系統(tǒng)適用于醫(yī)療場(chǎng)所、學(xué)校等人員聚集的場(chǎng)所。

參考文獻(xiàn)

[1]黃帥，徐平.基于OneNet云平臺(tái)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2020，49（04）：20-26.

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