喬 倩

(山西工程職業(yè)學(xué)院,山西 太原 030009)

0 引言

管控病毒傳播為防疫的關(guān)鍵內(nèi)容，目的為避免健康群體遭受影響[1-4]。智能門禁即前沿的安全管控技術(shù)，其中搭載了微機(jī)智能化識別技術(shù)以及安全管控技術(shù)等[5-6]，后疫情階段對各個公共場合訴求人為的予以進(jìn)出成員的體溫檢測、健康碼的識別，這一模式潛在著交叉感染隱患，作業(yè)人員工作強(qiáng)度高，有可能存在工作疏漏等情況。本文設(shè)計(jì)了基于STC15的智能防疫測溫門禁裝置，通過該裝置可以實(shí)現(xiàn)無接觸測量人體體溫、自動識別健康碼顏色、人流計(jì)數(shù)、自動開啟門禁、門禁狀態(tài)反饋的功能，符合當(dāng)前的防疫需要。

1 測量原理

1.1 紅外測溫原理

如果物體溫度高于絕對零度情況下，則會往外傳遞電磁波，其大小和溫度有著密切聯(lián)系，同時(shí)和物體熱力學(xué)溫度4次方為正比聯(lián)系，具體公式即：

E=σ.

這之中，E、K、、T分別指代輻射出射度，W/m3；σ=5.67×10-8W/(M2K4)為斯蒂芬——玻爾茲曼常數(shù)；環(huán)境溫度、物體輻射率、物體溫度。結(jié)合上述函數(shù)可得，得到的E，即為得出溫度。結(jié)合這一機(jī)理制備紅外溫度感應(yīng)設(shè)備，支持非接觸檢測。機(jī)體的溫度一般恒定于36.5 ℃上下，機(jī)體能量的45%按照紅外輻射的形式向外散發(fā)，由此可切實(shí)基于紅外測溫方式予以檢測。

1.2 超聲測距原理

機(jī)械振動頻率一般為16～20000 Hz以內(nèi)，人耳可以捕獲的機(jī)械波即聲波，大于20000 Hz的即超聲波。超聲波技術(shù)主要基于其反射、折射以及衰減等特性展開。

超聲波測距主要依托超聲波脈沖回波用時(shí)予以實(shí)現(xiàn)。假定超聲波脈沖自感應(yīng)模塊產(chǎn)生至回收耗費(fèi)的周期是t，則其于空氣內(nèi)的傳遞速率即c，可得感應(yīng)模塊間距目標(biāo)對象的距離為D，即：

D=ct/2.

圖1 超聲波測距原理框圖

1.3 MEMS陀螺儀測傾角原理

以往的陀螺儀，主要基于角動量守恒激勵，其為持續(xù)性的轉(zhuǎn)動的物體，轉(zhuǎn)軸的指向與承載的支架轉(zhuǎn)動沒有必然聯(lián)系。MEMS即憑借微機(jī)機(jī)械技術(shù)于硅片襯底內(nèi)得到一可轉(zhuǎn)動架構(gòu)，結(jié)合科里奧利力—轉(zhuǎn)動物體于有徑向運(yùn)動期間承載的切向力完成加速度等的檢測，進(jìn)而計(jì)算出角度變化。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能防疫測溫門禁控制系統(tǒng)采用STC15W4K56S4單片機(jī)作為核心處理器，使用超聲波測距儀測量距離，當(dāng)檢測到有人體接近至某一距離值以內(nèi)時(shí)結(jié)束待機(jī)狀態(tài)喚醒系統(tǒng)；可通過無接觸式紅外輻射傳感器實(shí)現(xiàn)腕溫/額溫測量；通過圖像傳感器采集健康碼顏色；CPU將測量值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對比判斷，若符合防疫要求，則控制開關(guān)“打開”，若不符合要求則開關(guān)仍處于“閉合”狀態(tài)；紅外對管計(jì)數(shù)器檢測到有人員通過門禁后，計(jì)數(shù)加1；可通過與道閘同位安裝的傾角傳感器監(jiān)測反饋門禁真實(shí)開關(guān)狀態(tài)；以上測量值同步顯示在液晶屏上。系統(tǒng)方框圖如圖2所示。

圖2 總體設(shè)計(jì)方框圖

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由USB接口取電+5 VDC，經(jīng)DC-DC電源轉(zhuǎn)換芯片AMS1117-3.3處理后產(chǎn)生+3.3 VDC，形成電源回路，包括單片機(jī)、時(shí)鐘模塊、復(fù)位模塊等共同構(gòu)成了MCU系統(tǒng)，選用CH340G實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)TTL模式的串口設(shè)計(jì)燒錄程序；再在外部引腳上分別連接紅外輻射測溫模塊GY614V3DCC、超聲波測距模塊HC-SR04、傾角傳感器JY60、攝像頭模組OV7725(帶FIFO)組成檢測單元電路；連接電機(jī)28BYJ-48(帶驅(qū)動板ULN2003)、液晶顯示屏12864組成執(zhí)行顯示單元。其原理圖如圖3，圖4，圖5所示。

圖3 電源轉(zhuǎn)換電路

圖4 USB轉(zhuǎn)TTL程序下載電路

圖5 最小系統(tǒng)、檢測單元、執(zhí)行顯示單元電路原理圖

3.1 紅外輻射測溫模塊

非接觸紅外測溫傳感器模塊GY614V3DCC測量系統(tǒng)簡單、可以實(shí)現(xiàn)大面積測溫，也可以是被測物體某一點(diǎn)的溫度測量。該模塊測溫范圍為0～60 ℃，測量精度±0.2 ℃，采用3～5 VDC供電，靜態(tài)電流7 mA，在探頭10 cm范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測量。模塊連接單片機(jī)時(shí)，發(fā)送協(xié)議默認(rèn)串口UART模式，建立通信后會自動輸出數(shù)據(jù)。當(dāng)PCB上ps焊點(diǎn)焊上時(shí)可改成IIC的通訊機(jī)制，其加工技術(shù)簡便、成本也不高，響應(yīng)時(shí)效性更高、不會對目標(biāo)溫場造成影響、更具耐用性、操作便利等特質(zhì)。

3.2 超聲波測距模塊

該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)2 cm～400 cm的非接觸形式的距離檢測，精度更是達(dá)到3 mm，直流5 VDC電源，靜態(tài)電流低于2 mA。模塊涵蓋了超聲波發(fā)射單元、控制單元以及接收單元等。信息交互包含IIC以及UART兩類模式，這之中后者模式主要圍繞七個字節(jié)為一組，毫米為最低信息單位，雙字節(jié)十六進(jìn)制傳導(dǎo)，前高后低。傳遞至模塊最低10 μs的高電位，模塊隨即生成8個40 kHz的方波，分析其是不是存在信號反饋。存在信號返回，則結(jié)合輸入輸出端ECHO端口產(chǎn)生高電位，高定位持續(xù)周期即為超聲波自發(fā)射至返回的周期。

3.3 圖像識別模塊

該模塊為OV企業(yè)所推出的一款1/4寸的CMOS VGA圖像感應(yīng)模塊。其規(guī)格不大，工作電壓不高，搭載了VGA攝像以及分析等相關(guān)功能。可以產(chǎn)生整幀、子采樣等形式的各類分辨率，10位以及8位的影像信息傳遞。全部的圖像分析過程，包含白平衡、色度等等，均支持SCCB端口編譯。此模塊搭載了有源晶振，支持12 MHz始終為該模塊的XCLK輸入，搭載FIFO模塊，容量達(dá)到384k字節(jié)，支持保存2幀的QVGA影像信息。

3.4 六軸姿態(tài)角度傳感器

該模塊為典型的高精度陀螺加速度分析模塊，經(jīng)由串口輸出，能夠抵御干擾、精度較好。模塊之中搭載了穩(wěn)壓單元，支持3.3 V和5 V嵌入系統(tǒng)。引入了前沿的數(shù)字濾波技術(shù)，可切實(shí)減小噪音，提升測量精確性。其中更是集總了姿態(tài)解析模塊、搭配動態(tài)卡爾曼濾波模塊，可以于動態(tài)的背景下精確的得到模塊當(dāng)下的姿態(tài)。角度量程X、Z軸±180°，Y軸±90°。測量精度靜態(tài)0.05°，動態(tài)0.1°。電氣接口為串口(TTL電平)，波特率9600 kps。

3.5 紅外對管計(jì)數(shù)模塊

紅外對管即紅外線發(fā)射模塊以及光敏接收模塊，或是紅外接收模塊等融合應(yīng)用的統(tǒng)稱。紅外發(fā)射模塊即紅外二極管構(gòu)成發(fā)光體，基于紅外輻射效能高的原料得到PN結(jié)，正向偏壓往PN結(jié)傳遞電流促使其形成紅外光，它的光譜功率分布即中心波長830～950 nm。LED表現(xiàn)為正溫度參量，電流越高則溫度越大，溫度越大則電流越高，LED紅外燈功率以及電流之間有著密切聯(lián)系，如若正向電流高于限值情況下，則紅外燈發(fā)射功率反倒是會降低。本文設(shè)計(jì)選用的紅外對管技術(shù)參數(shù)如表1：

表1 紅外對管模塊技術(shù)參數(shù)表

3.6 顯示模塊

LCD模塊用于顯示智能防疫裝置的提示信息、體溫監(jiān)測值等，此次引入了液晶顯示模塊。搭載中文字庫的12864模塊間距4位/8位并行、2線/3線串行端口模式，其中更是包含了國標(biāo)一、二簡體中文字庫點(diǎn)陣圖液晶顯示單元，內(nèi)部包含8192個16*16的漢字以及128個的16*8的ascii字符集，基于這一模塊的多元化端口以及簡易、便捷的操作代碼，能夠得到全中文人機(jī)交互圖形頁面。繼而給出8*4行16*16的點(diǎn)陣字，也支持圖形呈現(xiàn)。

3.7 步進(jìn)電機(jī)

該電機(jī)為典型的四相八拍電機(jī)，支持直流5 V～12 V的電壓。對該電機(jī)給予連串的不間斷的控制脈沖情況下，可持續(xù)性的運(yùn)行。各個脈沖信息對應(yīng)步進(jìn)馬達(dá)的一相或兩相繞組得電狀態(tài)轉(zhuǎn)換依次，即對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動特定角度。如若得電模式轉(zhuǎn)化經(jīng)過一個周期，則轉(zhuǎn)子經(jīng)過特定的齒距。四相步進(jìn)電機(jī)支持于各類通電狀態(tài)下工作，典型的通電模式包含了單四拍、雙四拍等等。該電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)參量以及特點(diǎn)如表：

表2 步進(jìn)電機(jī)28BYJ-48技術(shù)參數(shù)表

ULN2003為典型的耐高壓、大電流的復(fù)合晶體管形式，其中涵蓋了7個NPN晶體管，每個達(dá)林頓管均串接以2.7 kΩ的電阻，于5 V的電壓情況下可以和TTL以及CMOS回路接通，繼而處理此前需求邏輯緩沖模塊分析的信息。

4 結(jié)語

本文闡述了智能防疫測溫門禁控制系統(tǒng)的開發(fā)背景、應(yīng)用場景、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)，與配套的軟件設(shè)計(jì)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)溫度、健康碼顏色對人員自動分流的功能，該系統(tǒng)在當(dāng)前疫情形勢常態(tài)化的趨勢下有較好的應(yīng)用前景。如若把門禁系統(tǒng)擴(kuò)增人臉識別等應(yīng)用，則其安全性以及智能化水平勢必會得到更大的提升。