盧 淵，李艷麗，馮成龍，李新達(dá)

（荊楚理工學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，湖北 荊門(mén) 448000）

0 引 言

目前廣泛使用的傳統(tǒng)的手動(dòng)按壓式產(chǎn)品，因其出液量不固定，極容易造成資源浪費(fèi)。手動(dòng)按壓模式容易造成細(xì)菌殘留，增大交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)。公共場(chǎng)所放置洗手液的場(chǎng)合較多，經(jīng)常出現(xiàn)消殺用品無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充的情況，給用戶(hù)帶來(lái)不便。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)全新的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)免接觸式自動(dòng)泵壓出液、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)上傳、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，具有較高的實(shí)用性。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由3部分組成。數(shù)據(jù)采集板塊通過(guò)超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)人員距離的檢測(cè)，并通過(guò)單片機(jī)控制泵壓系統(tǒng)出液；單片機(jī)通過(guò)電阻式液位傳感器測(cè)量瓶裝液位的信息，并將數(shù)據(jù)通過(guò)4G通信模塊將數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)[1-2]。產(chǎn)品整體框架如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品整體框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 人體位置感應(yīng)測(cè)量模塊

綜合系統(tǒng)的使用環(huán)境與檢測(cè)性能，采用HC-SR04型號(hào)超聲波傳感器，系統(tǒng)通過(guò)2個(gè)該型號(hào)超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量。超聲波傳感器的觸發(fā)引腳trigger和回波引腳echo均需與單片機(jī)的數(shù)字引腳相連接。其中，trigger引腳必須給予10 μs以上的高電平才能發(fā)射超聲波，需與單片機(jī)可輸出PWM的數(shù)字引腳相連接[3-5]。

2.2 液位檢測(cè)模塊

本系統(tǒng)通過(guò)電阻式傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同電壓下，不同液位高度的電阻不同，電流差異較大，將電阻式液位檢測(cè)模塊輸出口與單片機(jī)模擬功能接口連接，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)液位信息的準(zhǔn)確讀取，后續(xù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)即可確定液位與采集的數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)液位的準(zhǔn)確判斷。電阻式液位傳感器原理如圖2所示。

圖2 電阻式液位傳感器原理

2.3 泵壓出液裝置

結(jié)合傳統(tǒng)裝置弊端，綜合考慮后，本系統(tǒng)采用微型無(wú)刷水泵，通過(guò)PWM對(duì)微型水泵進(jìn)行控制，改變泵出液速度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化出液。微型無(wú)刷水泵只需將水泵的正極與單片機(jī)實(shí)物PWM輸出端口連接，負(fù)極與單片機(jī)共地端連接即可[6]。

2.4 4G通信模塊

本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程連接，通過(guò)4G模塊將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，4G通信模塊與單片機(jī)之間通過(guò)TTL通信方式連接，傳輸單片機(jī)數(shù)據(jù)與4G通信模塊數(shù)據(jù)。通信模塊與單片機(jī)接口電路如圖3所示。

圖3 通信模塊與單片機(jī)接口電路

在使用該模塊時(shí)，將串口波特率設(shè)置為115 200，8位數(shù)據(jù)，需有1位停止位，無(wú)需校驗(yàn)位。通過(guò)固件，將通信模塊設(shè)置為T(mén)CP通信模式，通過(guò)專(zhuān)用命令，將服務(wù)器的IP和端口更改為建立數(shù)據(jù)庫(kù)的服務(wù)器，并設(shè)置通信串口[7]。

2.5 單片機(jī)整體電路設(shè)計(jì)

本裝置涉及硬件較多，為保障各模塊正常運(yùn)行，需有良好的硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)整體電路如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)整體電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)人員距離判斷與人員是否使用本產(chǎn)品的判斷，通過(guò)PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)微型無(wú)刷水泵轉(zhuǎn)速的控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)定量出液。當(dāng)液量無(wú)法滿足產(chǎn)品正常工作需求時(shí)，向客戶(hù)端發(fā)送報(bào)警信息，提醒工作人員加液，保障產(chǎn)品處于正常工作狀態(tài)。同時(shí)，工作人員可通過(guò)手機(jī)客戶(hù)端對(duì)產(chǎn)品剩余液量、工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看。程序整體工作流程如圖5所示。

圖5 程序整體工作流程

3.1 人體距離檢測(cè)模塊程序設(shè)計(jì)

式中，高電平時(shí)間通過(guò)單片機(jī)I/O口與定時(shí)器結(jié)合實(shí)現(xiàn)距離換算。當(dāng)位于系統(tǒng)正面的超聲波傳感器檢測(cè)到人員距離系統(tǒng)小于20 cm時(shí)，單片機(jī)將進(jìn)行10 ms定時(shí)中斷，10 ms內(nèi)產(chǎn)品前方人員距離數(shù)據(jù)變化在誤差范圍之內(nèi)，單片機(jī)對(duì)中斷內(nèi)容予以執(zhí)行。通過(guò)中斷激活下方超聲波傳感器工作，當(dāng)采集到的距離小于30 cm且趨于穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)跳出中斷，繼續(xù)利用正面人員監(jiān)測(cè)模塊收集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)無(wú)異常后，系統(tǒng)將判定為人員將使用本產(chǎn)品，發(fā)送指令，確定執(zhí)行[8]。

3.2 精準(zhǔn)化出液

為避免液體浪費(fèi)，本系統(tǒng)通過(guò)PID控制算法與液位檢測(cè)模塊共同作用，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確出液。

在本系統(tǒng)中，采用PID閉環(huán)控制算法，閉環(huán)控制具有更高的控制精確度，其中有類(lèi)似于生物中的反饋調(diào)節(jié)，能夠減小系統(tǒng)誤差，提高系統(tǒng)整體精確度。在一套系統(tǒng)中閉環(huán)控制可以通過(guò)連接各類(lèi)傳感器對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量與監(jiān)控，當(dāng)數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差時(shí)閉環(huán)控制就會(huì)根據(jù)制定的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的反饋糾正。算法如下：

式中：error為產(chǎn)品實(shí)際洗手液出量和目標(biāo)洗手液出量的誤差；0.01為系統(tǒng)最小增益系數(shù)，用來(lái)減小誤差；kP、kI分別表示為P算法和I算法的增益系數(shù)。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)H1的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，來(lái)達(dá)到減小洗手液出量的目的。當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間出液時(shí)，D算法會(huì)抵消一部分由P算法造成的過(guò)度響應(yīng)影響（d（error）/dt=響應(yīng)速度）。H2通過(guò)對(duì)累計(jì)的誤差進(jìn)行積分來(lái)降低產(chǎn)品長(zhǎng)時(shí)間工作造成的累計(jì)誤差。PID算法工作流程如圖6所示。

圖6 PID算法工作流程

3.3 系統(tǒng)缺液報(bào)警功能程序設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)初始化后，系統(tǒng)自動(dòng)將此刻數(shù)據(jù)記錄為初始值，因本產(chǎn)品使用的PID算法，每次出液量固定，系統(tǒng)自動(dòng)估算可以使用的次數(shù)，每使用一次，數(shù)據(jù)將會(huì)上傳到云平臺(tái)，顯示系統(tǒng)剩余液量。當(dāng)次數(shù)小于10次時(shí)，已無(wú)法保證正常運(yùn)行，系統(tǒng)將通過(guò)4G模塊向客戶(hù)端發(fā)送報(bào)警信息，提醒工作人員及時(shí)更換、補(bǔ)充。報(bào)警功能程序流程如圖7所示。

圖7 報(bào)警功能程序流程

4 產(chǎn)品調(diào)試

將系統(tǒng)安裝固定于墻面，走到距離系統(tǒng)正面50 cm處，系統(tǒng)不出液。走到距離系統(tǒng)10 cm處，下方檢測(cè)處無(wú)觸發(fā)，裝置無(wú)誤出液現(xiàn)象。將手伸入下方檢測(cè)裝置大于20 cm處，裝置無(wú)誤出液現(xiàn)象。手伸入正常檢測(cè)范圍，系統(tǒng)正常出液。系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)無(wú)誤，系統(tǒng)可正常工作。

因涉及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)使用了云服務(wù)器與通信模塊，前期需確保其配置無(wú)誤，否則系統(tǒng)的整體功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)。在本產(chǎn)品第一次對(duì)通信模塊進(jìn)行測(cè)試時(shí)，通信模塊與服務(wù)器無(wú)法連接，向服務(wù)器發(fā)送測(cè)試信息，正常等待后，無(wú)法獲得服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)，通信系統(tǒng)搭建失敗。檢查系統(tǒng)后，最終鎖定錯(cuò)誤出現(xiàn)的原因在于通信模塊配置時(shí)命令錯(cuò)誤，給予復(fù)位引腳7 s以上的高電平，成功對(duì)通信模塊進(jìn)行了初始化，按照操作手冊(cè)重新配置，成功收到服務(wù)器的響應(yīng)數(shù)據(jù)，通信線路搭建成功[9]。

本系統(tǒng)為使出液量趨于固定值，采用PID閉環(huán)控制算法，通過(guò)PID實(shí)現(xiàn)對(duì)出液的精準(zhǔn)化控制。PID閉環(huán)控制算法較為抽象，無(wú)法直接進(jìn)行現(xiàn)象觀察，本團(tuán)隊(duì)通過(guò)有、無(wú)PID閉環(huán)控制算法設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定產(chǎn)品中PID閉環(huán)控制算法是否可以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所列。

表1 有無(wú)PID閉環(huán)算法對(duì)照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)表中數(shù)據(jù)可看出，使用PID閉環(huán)控制算法出液平均誤差遠(yuǎn)小于未使用算法的數(shù)據(jù)，且使用PID閉環(huán)控制算法能夠使每次出液量更加穩(wěn)定、可靠。軟件中的PID閉環(huán)控制算法發(fā)揮了作用，且效果良好[10]。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于Arduino NANO單片機(jī)互聯(lián)免接觸式自動(dòng)泵壓消毒產(chǎn)品克服了傳統(tǒng)公共場(chǎng)所提供給用戶(hù)使用的消毒產(chǎn)品浪費(fèi)嚴(yán)重、重復(fù)利用率不高、無(wú)液時(shí)無(wú)法遠(yuǎn)程提醒的弊端，產(chǎn)品可以自動(dòng)偵測(cè)人員信息，利用雙重檢測(cè)避免產(chǎn)品誤碰、誤觸等問(wèn)題。利用PID閉環(huán)控制算法實(shí)現(xiàn)液體準(zhǔn)確出液，利用硬件+云服務(wù)+客戶(hù)端的形式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查看，缺液及時(shí)提醒，降低工作人員的工作強(qiáng)度，提升普通用戶(hù)使用體驗(yàn)。后續(xù)我們將對(duì)產(chǎn)品外觀進(jìn)行設(shè)計(jì)，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的復(fù)用性，為商場(chǎng)、醫(yī)院等公共場(chǎng)合減少開(kāi)支。