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(shí)訓(xùn)中心，福建 莆田 351100）

因?yàn)橥蝗缙鋪淼囊咔?，莆田政府相繼啟動(dòng)了重大突發(fā)衛(wèi)生事件一級(jí)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(chǎng)、廟會(huì)、公園、商場(chǎng)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(hào)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(shí)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(jí)為中高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)，疫情傳播之迅速，讓所有人都不禁強(qiáng)打精神，分秒必爭(zhēng)、全力以赴。根據(jù)莆田市應(yīng)對(duì)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(shí)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(shí)行24小時(shí)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(xiǎn)地區(qū)，人員進(jìn)入小區(qū)前先必須測(cè)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(fèi)大量人力，也增大了工作人員感染的風(fēng)險(xiǎn)。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(xiǎn)。結(jié)合當(dāng)前疫情防控要求，本文設(shè)計(jì)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。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)一種可通過多種傳感器模塊配合使用檢測(cè)人員健康碼、體溫等相關(guān)信息而自動(dòng)識(shí)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(shí)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(duì)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(bào)模塊等執(zhí)行機(jī)構(gòu)和Arduino控制器[1-2]。

通過閘門使被檢測(cè)人員在待檢區(qū)有序排隊(duì)，當(dāng)超聲波傳感器模塊檢測(cè)到待檢測(cè)區(qū)有人員檢測(cè)時(shí)，放下閘門，并開始啟動(dòng)健康碼識(shí)別系統(tǒng)、非接觸式體溫檢測(cè)系統(tǒng)，并通過語音播報(bào)模塊對(duì)被檢測(cè)人員的健康狀況進(jìn)行語音播報(bào)及燈光引導(dǎo)指示。①當(dāng)被檢測(cè)人員健康碼是黃碼、紅碼或體溫異常時(shí)，語音模塊播報(bào)“不符合防疫要求，請(qǐng)離開”。②當(dāng)被檢測(cè)人員健康碼是綠碼，語音模塊播報(bào)“健康碼正常，請(qǐng)檢測(cè)體溫”，同時(shí)白色發(fā)光二極管燈亮，且檢測(cè)到被檢測(cè)人員體溫正常，語音模塊播報(bào)“體溫正常，請(qǐng)通過”，門閥開關(guān)關(guān)閉，被檢測(cè)人員離開待檢測(cè)區(qū)，推動(dòng)單向旋轉(zhuǎn)門，可以正常進(jìn)入防疫通道，紅外對(duì)管模塊檢測(cè)到旋轉(zhuǎn)門時(shí)，門閥開關(guān)自動(dòng)打開，閘門自動(dòng)抬起，為下一個(gè)被檢測(cè)人員進(jìn)入待檢區(qū)準(zhǔn)備。

1.2 超聲波模塊

目前，超聲波測(cè)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(cè)量距離跟測(cè)量精度也不盡相同，應(yīng)用的領(lǐng)域跟場(chǎng)合也不同，目前的超聲波測(cè)距模塊最高精度能到1cm。本設(shè)計(jì)采用HY-SRF05模塊，其5個(gè)引腳分別為Vcc、Trig、Echo、Out、GND，5 V供電，采用ⅠO引腳Trig觸發(fā)測(cè)距，給至少10 μs的高電平，即可開啟測(cè)距功能。

如果自動(dòng)檢測(cè)到有信號(hào)返回時(shí)，通過ⅠO引腳Echo輸出一個(gè)高電平[3-4]。

開始給Trig一個(gè)大于10 μs的脈沖，使模塊開始工作，同時(shí)開啟定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，將外部中斷接到Echo引腳上，當(dāng)模塊檢測(cè)到回波時(shí)Echo被置高電平，這時(shí)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(shí)間讀出來，有了時(shí)間就可以根據(jù)distance=v×t/2，計(jì)算出距離，距離值就可以用于進(jìn)一步的工作。

1.3 溫度檢測(cè)與顯示模塊

1.3.1 溫度檢測(cè)

本設(shè)計(jì)的溫度檢測(cè)需要采用紅外非接觸式溫度檢測(cè)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(hào)處理專用芯片、紅外感應(yīng)熱電堆探測(cè)器芯片，以及低噪聲放大器和數(shù)字信號(hào)處理單元，使得溫度檢測(cè)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(shí)鐘信號(hào)，SDA為數(shù)據(jù)信號(hào)，Vdd電壓為5 V。溫度檢測(cè)模塊電路如圖3所示。

圖3 溫度檢測(cè)模塊電路圖

工作原理：①發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，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(gè)位后，等待判斷對(duì)方是否有應(yīng)答，若是有應(yīng)答，接著再發(fā)送下一個(gè)字節(jié)，若是沒有應(yīng)答，也繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)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(gè)位后，向?qū)Ψ桨l(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)表示接收完畢，準(zhǔn)備繼續(xù)接收下一個(gè)字節(jié)。

最后，在Tobj1中讀取到的數(shù)據(jù)通過式（1）計(jì)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(dòng)下，液晶屏有機(jī)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(shí)輻射躍遷而產(chǎn)光現(xiàn)象。簡(jiǎn)單來說就是有機(jī)發(fā)光二極管，具備自發(fā)光，不需要背光源，且對(duì)比度高，可以說，新一代的移動(dòng)終端設(shè)備，大多采用OLED，也是未來的趨勢(shì)[5]。

圖4 顯示模塊原理圖

1.4 顏色傳感器模塊

本設(shè)計(jì)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(gè)光電二極管[6]。在排序上交叉使用，能減少因?yàn)槿肷涔馔渡涞牟痪鶆颍瑥亩岣哳伾R(shí)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(shí)，依次選通3種顏色的濾波器，在OE使能端的控制下，對(duì)TCS230的輸出脈沖進(jìn)行計(jì)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(duì)應(yīng)不同的頻率方波，以適應(yīng)不同的需求。

1.5 語音模塊

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(qiáng)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(duì)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(shí)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(gè)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?？梢詫?shí)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(shí)間為6.6 ms。本設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)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(jì)布線時(shí)電容C1靠近WT588F芯片VDD腳1 cm內(nèi)，以增強(qiáng)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。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分主要分為3大功能模塊，分別為健康碼識(shí)別系統(tǒng)、非接觸體溫檢測(cè)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(cè)人員進(jìn)行待檢測(cè)區(qū)后，根據(jù)健康碼識(shí)別系統(tǒng)和非接觸體溫檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)被檢測(cè)人員的健康狀況進(jìn)行識(shí)別，得出被檢測(cè)人員是否符合疫情防控要求而做出相應(yīng)的語音播報(bào)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(duì)管模塊組成的，是防止不符合疫情防控要求的被檢測(cè)人員進(jìn)入防疫通道，同時(shí)，也是為下一個(gè)被檢測(cè)人員進(jìn)行待檢測(cè)區(qū)開啟通道。

圖8 程序控制流程圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)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(yàn)證表明，超聲波傳感器、溫度傳感器、語音播報(bào)、燈光指示、閘門和門閥等各部分功能都能順利實(shí)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

4 結(jié)束語

系統(tǒng)設(shè)計(jì)是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬小區(qū)場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的根據(jù)被檢測(cè)人員的健康碼和體溫等健康狀況而自動(dòng)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(duì)管模塊所采集回來的信息，能夠自動(dòng)控制單向旋轉(zhuǎn)門和語音播報(bào)指示被檢測(cè)人員。實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，識(shí)別精度很高，實(shí)用性價(jià)值很強(qiáng)。