楊阿弟,陳 敏
(1.湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 產(chǎn)學(xué)研交流合作處,福建 莆田 351119;2.莆田學(xué)院 工程實訓(xùn)中心,福建 莆田 351100)
因為突如其來的疫情,莆田政府相繼啟動了重大突發(fā)衛(wèi)生事件一級響應(yīng),身處的這座城市像是被按下的暫停鍵,曾經(jīng)繁華熱鬧的廣場、廟會、公園、商場和飯店等人流量密集區(qū)域均被停止?fàn)I業(yè),所有人都自覺響應(yīng)號召,少出門、不聚集,自覺地開始居家生活。福建莆田的新冠肺炎確診人員不斷增多,短短3天時間就新增了幾十例確診病例。隨后在泉州、廈門和漳州也相繼出現(xiàn)確診患者,并且人數(shù)仍在不斷增多,多地已經(jīng)升級為中高風(fēng)險地區(qū),疫情傳播之迅速,讓所有人都不禁強打精神,分秒必爭、全力以赴。根據(jù)莆田市應(yīng)對新型冠狀病毒感染肺炎工作指揮部發(fā)布的通告,要求所有小區(qū)全面實行出入嚴(yán)格管控,根據(jù)小區(qū)情況合理設(shè)置出入管理口,實行24小時值班。八閩健康碼也采用綠碼、黃碼和紅碼來區(qū)分是否來自中高風(fēng)險地區(qū),人員進(jìn)入小區(qū)前先必須測溫、出示健康碼、戴口罩等,持有綠碼且體溫正常等符合防控要求方可進(jìn)入小區(qū),這樣就需要耗費大量人力,也增大了工作人員感染的風(fēng)險。在這種情況下,是否能有一種無接觸通行管理方式,既能節(jié)省人力,又能減少工作人員交叉感染的風(fēng)險。結(jié)合當(dāng)前疫情防控要求,本文設(shè)計一種智能防疫通道管理控制系統(tǒng),解決當(dāng)前存在的問題。
本研究設(shè)計一種可通過多種傳感器模塊配合使用檢測人員健康碼、體溫等相關(guān)信息而自動識別人員的健康狀況,從而控制執(zhí)行結(jié)構(gòu),可以模擬小區(qū)管理的真實環(huán)境,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括顏色傳感器模塊、超聲波傳感器模塊、溫度傳感器模塊及紅外線對管模塊等輸入電路,以及液晶顯示模塊、發(fā)光二極管模塊、閘門、單向旋轉(zhuǎn)門閥和語音播報模塊等執(zhí)行機構(gòu)和Arduino控制器[1-2]。
通過閘門使被檢測人員在待檢區(qū)有序排隊,當(dāng)超聲波傳感器模塊檢測到待檢測區(qū)有人員檢測時,放下閘門,并開始啟動健康碼識別系統(tǒng)、非接觸式體溫檢測系統(tǒng),并通過語音播報模塊對被檢測人員的健康狀況進(jìn)行語音播報及燈光引導(dǎo)指示。①當(dāng)被檢測人員健康碼是黃碼、紅碼或體溫異常時,語音模塊播報“不符合防疫要求,請離開”。②當(dāng)被檢測人員健康碼是綠碼,語音模塊播報“健康碼正常,請檢測體溫”,同時白色發(fā)光二極管燈亮,且檢測到被檢測人員體溫正常,語音模塊播報“體溫正常,請通過”,門閥開關(guān)關(guān)閉,被檢測人員離開待檢測區(qū),推動單向旋轉(zhuǎn)門,可以正常進(jìn)入防疫通道,紅外對管模塊檢測到旋轉(zhuǎn)門時,門閥開關(guān)自動打開,閘門自動抬起,為下一個被檢測人員進(jìn)入待檢區(qū)準(zhǔn)備。
目前,超聲波測距模塊類型很多,比較常用的有HC-SR04、US-100、URM37、GY-US42、堔 圳 導(dǎo) 向KS104,有些超聲波傳感器接口是采用232接口,有些是采用TTL接口,其測量距離跟測量精度也不盡相同,應(yīng)用的領(lǐng)域跟場合也不同,目前的超聲波測距模塊最高精度能到1cm。本設(shè)計采用HY-SRF05模塊,其5個引腳分別為Vcc、Trig、Echo、Out、GND,5 V供電,采用ⅠO引腳Trig觸發(fā)測距,給至少10 μs的高電平,即可開啟測距功能。
如果自動檢測到有信號返回時,通過ⅠO引腳Echo輸出一個高電平[3-4]。
開始給Trig一個大于10 μs的脈沖,使模塊開始工作,同時開啟定時器開始計時,將外部中斷接到Echo引腳上,當(dāng)模塊檢測到回波時Echo被置高電平,這時外部中斷被觸發(fā),進(jìn)入中斷程序,因此可以在中斷程序中將時間讀出來,有了時間就可以根據(jù)distance=v×t/2,計算出距離,距離值就可以用于進(jìn)一步的工作。
1.3.1 溫度檢測
本設(shè)計的溫度檢測需要采用紅外非接觸式溫度檢測模塊,目前比較常用的有SA30AS、GY-615V3和GY-MCU90615V2等。MLX90614是一款集成了17位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、信號處理專用芯片、紅外感應(yīng)熱電堆探測器芯片,以及低噪聲放大器和數(shù)字信號處理單元,使得溫度檢測更高分辨度和更高精度的紅外非接觸溫度器件。溫度器件具備出廠校準(zhǔn)化,有數(shù)字PWM和SMBus(系統(tǒng)管理總線)輸出模式。作為標(biāo)準(zhǔn),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,其分辨率為0.14°C。圖2為MLX90614管腳圖,其中SCL是時鐘信號,SDA為數(shù)據(jù)信號,Vdd電壓為5 V。溫度檢測模塊電路如圖3所示。
圖3 溫度檢測模塊電路圖
工作原理:①發(fā)送數(shù)據(jù)時,按字節(jié)為單位進(jìn)行發(fā)送,每次按一位一位發(fā)送,發(fā)送8個位后,等待判斷對方是否有應(yīng)答,若是有應(yīng)答,接著再發(fā)送下一個字節(jié),若是沒有應(yīng)答,也繼續(xù)發(fā)送下一個字節(jié),重復(fù)重發(fā)幾次都沒有應(yīng)答,就結(jié)束發(fā)送。②數(shù)據(jù)的接收,也是按照一位一位接收,接收完8個位后,向?qū)Ψ桨l(fā)送一個應(yīng)答信號表示接收完畢,準(zhǔn)備繼續(xù)接收下一個字節(jié)。
最后,在Tobj1中讀取到的數(shù)據(jù)通過式(1)計算后,在OLED液晶屏模塊顯示溫度值。
1.3.2 顯示模塊
顯示模塊采用0.96寸SSD1306藍(lán)色Ⅰ2C通信OLED液晶屏模塊,如圖4所示,顯示原理是在外界電壓的驅(qū)動下,液晶屏有機發(fā)光物質(zhì)的分子受到激發(fā)后,能夠從基態(tài)跳變到激發(fā)態(tài),當(dāng)受激分子又回到基態(tài)時輻射躍遷而產(chǎn)光現(xiàn)象。簡單來說就是有機發(fā)光二極管,具備自發(fā)光,不需要背光源,且對比度高,可以說,新一代的移動終端設(shè)備,大多采用OLED,也是未來的趨勢[5]。
圖4 顯示模塊原理圖
本設(shè)計顏色傳感器采用TAOS公司推出8引腳SOⅠC表面式封裝的TCS230,如圖5所示,其在單一芯片上集成了紅色、綠色及藍(lán)色濾波器等類型的64個光電二極管[6]。在排序上交叉使用,能減少因為入射光投射的不均勻,從而提高顏色識別的精確度。通過設(shè)置S0、S1可編程引腳來選擇100%、20%、2%的輸出比例因子或掉電,通過設(shè)置S2、S3可編程引腳來選擇紅色、綠色、藍(lán)色濾波器或清除。
圖5 TCS230引腳功能
由圖5可知,當(dāng)入射光投射到TCS230上時,依次選通3種顏色的濾波器,在OE使能端的控制下,對TCS230的輸出脈沖進(jìn)行計數(shù),經(jīng)過電流到頻率轉(zhuǎn)換器后輸出不同頻率的方波,不同的顏色對應(yīng)不同的頻率方波,以適應(yīng)不同的需求。
WT588F02B-8S是廣州唯創(chuàng)電子有限公司最新研發(fā)的一款16位DSP語音芯片、內(nèi)部振蕩32 MHz,16位的PWM解碼[7]。強大功能讓W(xué)T588F02B-8S成為語音芯片行業(yè)中的佼佼者。目前WT588F02B-8S,較高音質(zhì)最大可以支持存放170 s語音內(nèi)容(若客戶對音質(zhì)沒有要求,最大可以存放320 s的語音內(nèi)容)。WT588F02B-8S區(qū)別于傳統(tǒng)OTP芯片,最大的突破是客戶可以自己通過配套下載器實現(xiàn)在線更換芯片內(nèi)部語音內(nèi)容;并且芯片內(nèi)置硬件SPⅠ、UART、ⅠⅠC和比較器等各類資源,可以為客戶定制各種不同的個性化功能產(chǎn)品[8]。圖6為語音芯片引腳封裝圖。
圖6 WT588F02B-8S引腳封裝圖
WT588F02B-8S有一線串口通訊模式和兩線串口通訊模式。兩線串口通訊模式可以通過控制器向CLK線和DATA線給WT588F語音芯片發(fā)送數(shù)據(jù)以達(dá)到控制的目的。可以實現(xiàn)控制語音播放、停止、循環(huán)等功能。兩線串口控制方式具有較好的抗干擾能力,一條指令最短時間為6.6 ms。本設(shè)計比較簡單,采用的是一線串口通訊模式。圖7為語音模塊外圍電路圖。
圖7 WT588F02B-8S硬件電路圖
電路設(shè)計布線時電容C1靠近WT588F芯片VDD腳1 cm內(nèi),以增強WT588F系列語音芯片的抗干擾能力。語音芯片的工作電壓范圍為2.0~5.5 V。
控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分主要分為3大功能模塊,分別為健康碼識別系統(tǒng)、非接觸體溫檢測系統(tǒng)和單向旋轉(zhuǎn)門閥控制系統(tǒng)。程序控制流程圖如圖8所示。主程序是通過被檢測人員進(jìn)行待檢測區(qū)后,根據(jù)健康碼識別系統(tǒng)和非接觸體溫檢測系統(tǒng)對被檢測人員的健康狀況進(jìn)行識別,得出被檢測人員是否符合疫情防控要求而做出相應(yīng)的語音播報及燈光引導(dǎo)指示。單向旋轉(zhuǎn)門閥控制系統(tǒng)是由單向旋轉(zhuǎn)門、門閥及紅外對管模塊組成的,是防止不符合疫情防控要求的被檢測人員進(jìn)入防疫通道,同時,也是為下一個被檢測人員進(jìn)行待檢測區(qū)開啟通道。
圖8 程序控制流程圖
為驗證所設(shè)計的控制系統(tǒng)是否滿足設(shè)計使用要求,將電腦USB接口通過數(shù)據(jù)線與Arduino控制器相連接,用杜邦線插入Arduino控制器,調(diào)試系統(tǒng)的各部分模塊功能是否能正常工作,經(jīng)過驗證表明,超聲波傳感器、溫度傳感器、語音播報、燈光指示、閘門和門閥等各部分功能都能順利實現(xiàn),如圖9所示,將所有的模塊都連接起來,進(jìn)行整體聯(lián)合調(diào)試,調(diào)試結(jié)果良好,達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
圖9 系統(tǒng)調(diào)試
系統(tǒng)設(shè)計是在實驗室環(huán)境下模擬小區(qū)場景進(jìn)行測試,驗證所設(shè)計的根據(jù)被檢測人員的健康碼和體溫等健康狀況而自動控制防疫通道旋轉(zhuǎn)門開啟或停止的控制系統(tǒng),利用超聲波傳感模塊、溫度傳感器模塊和紅外對管模塊所采集回來的信息,能夠自動控制單向旋轉(zhuǎn)門和語音播報指示被檢測人員。實驗證明,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,識別精度很高,實用性價值很強。