孫長(zhǎng)城，鄧 玲，牛牧原，李全彬

（江蘇師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，江蘇 徐州 221100）

0 引 言

作為生活必需品，空調(diào)逐漸成為對(duì)抗酷暑與寒冬的利器，但如果長(zhǎng)時(shí)間處于空調(diào)直吹環(huán)境，很有可能產(chǎn)生皮膚干燥、關(guān)節(jié)疼痛、頭暈頭痛等不良反應(yīng)。尤其是兒童、老人、孕婦等特殊群體，如果長(zhǎng)時(shí)間受到空調(diào)直吹，在自身免疫力低下時(shí)極易感染疾病，存在健康隱患。

目前市面上已存在的空調(diào)外置擋風(fēng)板雖然可以實(shí)現(xiàn)擋風(fēng)的基本需求，但卻無(wú)法靈活移動(dòng)。如空調(diào)直吹范圍內(nèi)無(wú)人，且室內(nèi)需要快速降溫時(shí)，就需要減少空調(diào)外置擋風(fēng)板的阻風(fēng)性，現(xiàn)有設(shè)計(jì)均需要人為手動(dòng)或遙控調(diào)節(jié)擋風(fēng)板。實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于老人、兒童、孕婦等群體，手動(dòng)調(diào)節(jié)不方便也不安全。此外，當(dāng)人體體溫偏高時(shí)，需要適量的微風(fēng)吹拂身體，因此，很有必要對(duì)擋風(fēng)板的開(kāi)啟和送風(fēng)的稀疏程度進(jìn)行合理控制。

為避免空調(diào)直吹帶來(lái)的健康危害，并且靈活適配現(xiàn)實(shí)生活場(chǎng)景，本文設(shè)計(jì)了基于STM32的智能空調(diào)送風(fēng)裝置，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制擋風(fēng)板的升降，并根據(jù)人體溫度變化合理控制送風(fēng)稀疏程度，在降低空調(diào)直吹風(fēng)危害的同時(shí)提高了生活品質(zhì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以STM32F103RCT6為核心控制器。首先，利用OpenMV4判斷空調(diào)直吹范圍之內(nèi)是否有人存在。若無(wú)人，則擋風(fēng)板保持升起狀態(tài)；若有人，則擋風(fēng)板下降至空調(diào)出風(fēng)口處，同時(shí)，OpenMV4返回視野人體中心坐標(biāo)至STM32F103RCT6。其次，STM32F103RCT6驅(qū)動(dòng)舵機(jī)帶動(dòng)MLX90614、超聲波測(cè)距模塊與OpenMV4旋轉(zhuǎn)至人體坐標(biāo)與視野中心坐標(biāo)重合的位置，利用MLX90614與超聲波測(cè)距模塊獲得體溫?cái)?shù)據(jù)和人體與空調(diào)外擋板之間的距離，并且結(jié)合距離對(duì)MLX90614測(cè)得的體溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，得出最終體溫?cái)?shù)據(jù)，根據(jù)最終體溫?cái)?shù)據(jù)控制擋風(fēng)板送風(fēng)的稀疏程度，從而達(dá)到防直吹的效果。系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路

2.1 STM32F103RCT6核心控制模塊

STM32F103是一種高性能、低成本、低功耗的32位單片機(jī)，擁有主流Cortex內(nèi)核及強(qiáng)大的軟件支持與豐富的軟件包。內(nèi)置 256 KB的 FLASH、48 KB的RAM、3×12位ADC、1×12位DAC、2個(gè)16位基本定時(shí)器、2個(gè)DMA控制器、3個(gè)SPI、2個(gè)IC、3路USART通信口、5個(gè)串口、1個(gè)USB，時(shí)鐘頻率最高可達(dá)72 MHz。STM32F103的每個(gè)I/O都可以作為外部中斷的中斷輸入口，STM32F103的中斷控制器支持19個(gè)外部中斷/事件請(qǐng)求，每個(gè)中斷設(shè)有狀態(tài)位，每個(gè)中斷/事件都有獨(dú)立的觸發(fā)和屏蔽設(shè)置。

2.2 OpenMV4機(jī)器視覺(jué)模塊

OpenMV4是一個(gè)開(kāi)源、低成本、功能強(qiáng)大的機(jī)器視覺(jué)模塊。以STM32F767CPU為核心，集成了OV7725攝像頭芯片，在小巧的硬件模塊上，用C語(yǔ)言高效實(shí)現(xiàn)了核心機(jī)器視覺(jué)算法，提供Python編程接口。OpenMV4上的機(jī)器視覺(jué)算法包括尋找色塊、人臉檢測(cè)、眼球跟蹤、邊緣檢測(cè)、標(biāo)志跟蹤等，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)非法入侵檢測(cè)、殘次品篩選、跟蹤固定標(biāo)記物等。OpenMV采用的STM32F427擁有豐富的硬件資源，引出UART，IC，SPI，PWM，ADC，DAC以及GPIO等接口方便擴(kuò)展外圍功能。USB接口用于連接電腦上的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境OpenMVIDE，協(xié)助完成編程、調(diào)試和更新固件等工作。TF卡槽支持大容量TF卡，可用于存放程序和保存照片等。

2.3 MLX90614溫度采集模塊

MLX90614是一款紅外非接觸溫度計(jì)。TO-39金屬封裝同時(shí)集成了紅外感應(yīng)熱電堆探測(cè)器芯片和信號(hào)處理專用集成芯片。溫度計(jì)出廠校準(zhǔn)，包括數(shù)字PWM和SMBus輸出模式。配置為10位的PWM輸出格式用于連續(xù)傳送溫度范圍為-20～120 °C的物體溫度，供電電壓為3 V，具有溫度梯度補(bǔ)償功能，分辨率為 0.01 °C，標(biāo)準(zhǔn)精度為 ±0.5 °C。該模塊具有體積小、成本低、易集成、高精度和高分辨率等優(yōu)點(diǎn)。MLX90614只有4個(gè)管腳，分別是供電端VDD，數(shù)字信號(hào)輸入輸出端SDA，時(shí)鐘信號(hào)輸入端SCL，接地端VSS，電路如圖3所示。為保證SDA與SCL在總線空閑時(shí)為高電平，使用2個(gè)上拉電阻與電源相連。MLX90614電路如圖3所示。

圖3 MLX90614電路

2.4 超聲波模塊HC-SR04

在測(cè)距模塊的選擇上，由于激光測(cè)距會(huì)影響人體皮膚溫度，于是本設(shè)計(jì)采用超聲波測(cè)距。HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可提供2～400 cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)3 mm。超聲波測(cè)距模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回，超聲波接收器收到反射波立即停止計(jì)時(shí)。根據(jù)時(shí)間差和超聲波的速度可以估算出發(fā)射位置到障礙物的距離。超聲波測(cè)距原理如圖4所示。

圖4 超聲波測(cè)距原理

超聲波發(fā)射電路如圖5所示。當(dāng)HC-SR04接收到單片機(jī)傳輸?shù)?0 kHz的PWM方波時(shí)，將驅(qū)動(dòng)CD4049芯片，反相器CD4049在方波的驅(qū)動(dòng)下輸出交流電壓到超聲波發(fā)射器，使超聲波傳感器產(chǎn)生諧振。當(dāng)HC-SR04接收到回波信號(hào)時(shí)，輸出回波信號(hào)，回波信號(hào)的脈沖寬度和距離成正比。

圖5 超聲波測(cè)距發(fā)射電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

完善的軟件控制系統(tǒng)是本系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的核心。本系統(tǒng)基于Keil μVision5編程環(huán)境，運(yùn)用C語(yǔ)言編寫代碼。軟件總體設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程

3.1 人像檢測(cè)功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過(guò)OpenMV4人像識(shí)別檢測(cè)視野內(nèi)是否有人活動(dòng)，若視野中同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)人時(shí)以最近者為準(zhǔn)。該功能利用OpenMV4的haar算子實(shí)現(xiàn)人像識(shí)別，一旦檢測(cè)到人就會(huì)將其框住并返回當(dāng)前坐標(biāo)到STM32F103RCT6。人像檢測(cè)功能反饋效果如圖7、圖8所示。

圖7 框選人體返回坐標(biāo)

圖8 舵機(jī)追蹤人體

3.2 人體測(cè)溫功能設(shè)計(jì)MLX90614

應(yīng)用MLX90614 紅外測(cè)溫模塊與超聲波測(cè)距模塊制作了人體測(cè)溫系統(tǒng)，由于距離因素會(huì)影響MLX90614的測(cè)溫精度，為了讓MLX90614在空調(diào)直吹范圍內(nèi)發(fā)揮最大性能，本文通過(guò)測(cè)量人體與空調(diào)出風(fēng)口之間的距離進(jìn)行對(duì)應(yīng)的溫度補(bǔ)償。人體測(cè)溫系統(tǒng)流程如圖9所示。

圖9 人體測(cè)溫系統(tǒng)流程

3.3 擋風(fēng)板的控制設(shè)計(jì)

單片機(jī)接收到OpenMV4傳回的數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行判斷。若空調(diào)直吹范圍內(nèi)無(wú)人，則舵機(jī)保持初始狀態(tài)，即空調(diào)擋風(fēng)板保持抬升狀態(tài)；若空調(diào)直吹范圍內(nèi)有人，則調(diào)用人體測(cè)溫功能，且單片機(jī)實(shí)時(shí)接收人體溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合人體溫度調(diào)節(jié)次擋風(fēng)板舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度來(lái)實(shí)時(shí)控制空調(diào)送風(fēng)的疏密程度。擋風(fēng)板控制流程如圖10所示。

圖10 擋板控制流程

4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，測(cè)試對(duì)象為2名青年男女。本實(shí)驗(yàn)分成3種情況：（1）空調(diào)直吹范圍內(nèi)無(wú)人；（2）青年女性為正常體溫，出現(xiàn)在空調(diào)直吹范圍內(nèi)；（3）青年男性模擬劇烈運(yùn)動(dòng)后出現(xiàn)在空調(diào)直吹范圍內(nèi)。整體裝置如圖11所示。

圖11 整體裝置

第一種場(chǎng)景是OpenMV4視野內(nèi)無(wú)人活動(dòng)。此時(shí)舵機(jī)保持初始狀態(tài)，空調(diào)擋風(fēng)板持續(xù)抬升。場(chǎng)景一裝置反饋結(jié)果如圖12所示。

圖12 場(chǎng)景一：視野內(nèi)無(wú)人活動(dòng)

第二種場(chǎng)景是OpenMV4視野內(nèi)有人且被測(cè)對(duì)象體溫在正常范圍內(nèi)。此時(shí)舵機(jī)帶動(dòng)OpenMV4追蹤人像，并用白框?qū)崟r(shí)框住人像，舵機(jī)帶動(dòng)擋風(fēng)板下降至空調(diào)出風(fēng)口處，由于被測(cè)者體溫在正常范圍內(nèi)，無(wú)需過(guò)多送風(fēng)，故擋風(fēng)板的小孔處于部分封閉狀態(tài)，這時(shí)送風(fēng)程度比較稀疏。場(chǎng)景二裝置反饋結(jié)果如圖13所示

圖13 場(chǎng)景二：有人且被測(cè)對(duì)象體溫在正常范圍內(nèi)

第三種場(chǎng)景是OpenMV4視野內(nèi)有人且被測(cè)對(duì)象體溫偏高，例如劇烈運(yùn)動(dòng)后或者炎熱的夏天。此時(shí)舵機(jī)帶動(dòng)OpenMV4追蹤人像，并用白框?qū)崟r(shí)框住人像，舵機(jī)帶動(dòng)擋風(fēng)板下降至空調(diào)出風(fēng)口處，由于被測(cè)者體溫較高，需要稍大的送風(fēng)量降暑，故擋風(fēng)板的小孔處于全部打開(kāi)狀態(tài)，這時(shí)送風(fēng)強(qiáng)度高。場(chǎng)景三裝置反饋結(jié)果如圖14所示。

圖14 場(chǎng)景三：有人且被測(cè)對(duì)象體溫偏高

以上是本設(shè)計(jì)模擬的3種比較典型的生活場(chǎng)景，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)能夠根據(jù)不同的生活場(chǎng)景很好地實(shí)現(xiàn)其對(duì)應(yīng)的功能。

5 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以控制空調(diào)擋風(fēng)板的升降和送風(fēng)疏密程度為主要內(nèi)容，智能空調(diào)送風(fēng)設(shè)計(jì)的研究不僅要考慮當(dāng)前室溫，還要考慮人與空調(diào)的距離。本文通過(guò)超聲波測(cè)距與紅外測(cè)溫模塊相互配合，由二者反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而控制擋風(fēng)板的疏密程度，達(dá)到防直吹的效果。STM32F103RCT6作為核心控制器，能實(shí)時(shí)接收、處理各模塊返回的數(shù)據(jù)，且可以根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)有效控制各模塊的運(yùn)作。

本設(shè)計(jì)具有自動(dòng)控制擋風(fēng)板升降、根據(jù)體溫變化合理控制送風(fēng)稀疏程度的功能，集智能化、個(gè)性化于一體，致力于為用戶打造安全、便捷的空調(diào)使用環(huán)境，在保障基本需求的同時(shí)帶給用戶更舒適的體驗(yàn)，應(yīng)用前景廣闊。