李蔓，董文會(huì)，劉祥賓，張威，趙清晨

（德州學(xué)院 物理與電子信息學(xué)院，山東德州，253023）

0 引言

疫情常態(tài)化下，高速公路收費(fèi)崗?fù)ぬ帟?huì)出現(xiàn)司機(jī)與工作人員之間的卡票傳遞，這種傳送過(guò)程增加了病毒傳播的風(fēng)險(xiǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種卡票消毒智能管控系統(tǒng)，裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)了雙重雙面雙向的消毒模式，并增加了將人員體溫檢查和數(shù)據(jù)上傳的功能，避免了人員的交叉感染，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是一個(gè)在疫情常態(tài)化防控下具有實(shí)用性的測(cè)溫消毒裝置。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

卡票消毒裝置以STC15F2K60S2 為主控芯片[1,2]，由Kendryte K210 攝像頭模塊、TCRT5000 紅外傳感器、HCSR04 超聲波模塊、GY-906-ВCC 紅外測(cè)溫模塊、紫外線消毒燈、L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)、酒精噴灑器等構(gòu)成。測(cè)溫系統(tǒng)以STC15F2K60S2 為主控芯片，主要包含WiFi 模塊、APP、網(wǎng)頁(yè)等。其硬件電路框圖如圖1 所示。

圖1 硬件電路框圖

■1.1 卡票消毒裝置硬件設(shè)計(jì)

采用STC15F2K60S2 單片機(jī)為中央處理器，該芯片含有三個(gè)USART 接口，其中一個(gè)接口P3^0 與Kendryte K210 攝像頭模塊的P0^5 相連，實(shí)現(xiàn)人臉數(shù)據(jù)的傳輸功能。單片機(jī)的P0^0、P0^1 與分別超聲波模塊的Trig、Echo 相連，實(shí)現(xiàn)距離的測(cè)量與傳輸；單片機(jī)的P1^1 與舵機(jī)的PWM 相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)方向的控制；單片機(jī)的P3^2 與槽型對(duì)射光電傳感器的OUT 相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)升降機(jī)移動(dòng)距離的測(cè)量；單片機(jī)的P1^2 與繼電器的VIN 相連，實(shí)現(xiàn)控制紫外線消毒燈的開(kāi)關(guān)；單片機(jī)的P4^5 與紅外反射傳感器的PD^0 相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的檢測(cè)；單片機(jī)的P1^6、P1^7、P3^6、P3^5、P3^4、P3^3 與第一個(gè)L298N 驅(qū)動(dòng)的ENAВLEA、ENAВLEВ、INPUT1、INPUT2、INPUT3、INPUT4 相 連，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳送帶電機(jī)與卡票分離模塊中電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制；單片機(jī)的P1^4、P1^5、P4^4、P4^2、P4^1、P3^7 與第二個(gè)L298N 驅(qū)動(dòng)的ENAВLEA、ENAВLEВ、INPUT1、INPUT2、INPUT3、INPUT4 相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)酒精噴灑器與升降模塊電機(jī)的控制。其電路圖如圖2 所示。

圖2 卡票消毒裝置硬件電路圖

■1.2 測(cè)溫系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

用STC15F2K60S2 單片機(jī)為中央處理器，單片機(jī)的P3^1 與ESP-01S、WiFi 的RXD 連接，體溫監(jiān)測(cè)模塊檢測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)主控MCU 數(shù)據(jù)處理后再通過(guò)串口通信實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與WiFi 模塊的數(shù)據(jù)傳輸。單片機(jī)的P1^6、P1^7 分別與體溫監(jiān)測(cè)模塊的SCL、SDA 引腳相連，通過(guò)I2C 通信實(shí)現(xiàn)對(duì)體溫的測(cè)量數(shù)據(jù)的傳輸，體溫監(jiān)測(cè)模塊應(yīng)受到紅外感應(yīng)模塊的限制，防止數(shù)據(jù)不間斷地發(fā)送。其電路圖如圖3 所示。

圖3 測(cè)溫系統(tǒng)硬件電路圖

■1.3 各模塊設(shè)計(jì)

(1)主控芯片

STC15F2K60S2 芯片是一款基于單片機(jī)的微控制器，采用的是STC 公司的MCS-51 單片機(jī)架構(gòu)，主要用于智能控制應(yīng)用。該芯片具有多處優(yōu)勢(shì)，例如：擁有豐富的指令集，包括移位、跳轉(zhuǎn)、算術(shù)和邏輯指令，可以滿(mǎn)足精密控制的要求；具有快速的處理速度，它采用了波特率可達(dá)6T～12T的時(shí)鐘，可以在高速下正常運(yùn)行；內(nèi)置了1024 個(gè)字節(jié)的RAM，支持多種存儲(chǔ)方式，可以滿(mǎn)足復(fù)雜程序的需求；多種外設(shè)，如ADC、PWM、I2C、SPI 等，可以實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用；可以支持多個(gè)外設(shè)的中斷，最多支持18 種中斷服務(wù)，可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度；具有超低功耗，可以達(dá)到毫米級(jí)，減少系統(tǒng)的耗電量?？傊?，STC15F2K60S2 芯片具有精細(xì)、快速、低功耗、多種外設(shè)等特點(diǎn)，是一款非常優(yōu)秀的智能控制芯片。

(2) WiFi 通信模塊

WiFi 模塊是一種無(wú)線通信技術(shù)，可以將計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)、電視、攝像機(jī)等無(wú)線設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)。它使用無(wú)線電波來(lái)傳輸音頻和數(shù)據(jù)信息，并且可以覆蓋大范圍的地區(qū)。它通常使用2.4GHz 頻段的無(wú)線電波，用于傳輸音頻和數(shù)據(jù)信息，由于它具有高可靠性，可以實(shí)現(xiàn)更高的通信質(zhì)量。WiFi 模塊的主要組件包括電源模塊、發(fā)射模塊、接收模塊和調(diào)制模塊等。電源模塊負(fù)責(zé)為這些模塊提供電源；發(fā)射模塊使用無(wú)線電波來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)；接收模塊負(fù)責(zé)接收發(fā)射的信號(hào)，而調(diào)制模塊則負(fù)責(zé)將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。WiFi 模塊的工作原理是，首先將無(wú)線電波發(fā)射出去，然后，當(dāng)無(wú)線電波接收到設(shè)備時(shí)，接收模塊將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后調(diào)制模塊將其發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)，最后，當(dāng)收到的信號(hào)被發(fā)送到目標(biāo)設(shè)備時(shí)，調(diào)制模塊會(huì)將其轉(zhuǎn)換為音頻或數(shù)據(jù)信號(hào)，然后發(fā)射模塊將其發(fā)送出去。

(3)紅外傳感器模塊

MLX90614 傳感器中的傳感單元測(cè)量目標(biāo)物體發(fā)出多少紅外能量，計(jì)算單元使用17 位內(nèi)置ADC 將其轉(zhuǎn)換為溫度值，并通過(guò)I2C 通信輸出數(shù)據(jù)協(xié)議。傳感器同時(shí)測(cè)量物體溫度和環(huán)境溫度，以校準(zhǔn)物體溫度值。

(4)超聲波模塊

超聲波是指頻率高于20kHz 的聲音波。它是通過(guò)聲波發(fā)射器發(fā)出的一種高頻波，把聲發(fā)射器當(dāng)作發(fā)射源，它發(fā)出的聲波可以穿過(guò)氣體、液體和固體，形成某種自發(fā)現(xiàn)象，從而能檢測(cè)出更多物體的信息。當(dāng)一個(gè)聲發(fā)射器發(fā)出一個(gè)高頻聲波時(shí)，它會(huì)在空氣中穿梭，碰到物體會(huì)產(chǎn)生折射、反射等現(xiàn)象，這些聲波又會(huì)回到接收器，接收器會(huì)收集這些聲波，并通過(guò)電腦處理分析。通過(guò)聲波的反射和發(fā)射，可以推斷出物體的形狀、大小、厚度等信息，以及物體相對(duì)空氣的位置，達(dá)到檢測(cè)的目的。在本裝置中，超聲波模塊的Trig 管腳與單片機(jī)的P21 管腳連接，Echo 管腳與P22 管腳連接。超聲波測(cè)出的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)公式S=(高電平時(shí)間＊聲速(340m/s))/2 計(jì)算出距離，然后發(fā)出相應(yīng)的指令，控制其他模塊運(yùn)動(dòng)。

(5) OLED 顯示模塊

OLED 屏幕亮度更亮，自發(fā)光，能耗小，畫(huà)面對(duì)比度高。OLED 內(nèi)部集成了SSD1306 芯片，每頁(yè)128 個(gè)字節(jié)，共有8頁(yè)。每次發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，在單片機(jī)內(nèi)部創(chuàng)建好字庫(kù)文件。通過(guò)I2C 或者SPI 通信協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給SSD1306。我們使用的是四腳I2C 通訊的OLED 屏幕。速度相比SPI 通訊的OLED 屏幕來(lái)說(shuō)要慢很多，但是足夠項(xiàng)目的使用。OLED的在項(xiàng)目中主要顯示人體測(cè)溫的數(shù)據(jù)，超聲波距離的顯示。

(6) 舵機(jī)

舵機(jī)的控制電路板接受來(lái)自信號(hào)線的控制信號(hào)（PWM波），控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)一系列齒輪組，減速后傳動(dòng)至輸出舵盤(pán)。舵機(jī)的輸出軸和位置反饋電位計(jì)是相連的，舵盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)位置反饋電位計(jì)，電位計(jì)將輸出一個(gè)電壓信號(hào)到控制電路板，進(jìn)行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度，從而達(dá)到目標(biāo)停止。舵機(jī)的控制信號(hào)為周期是20ms 的脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，其中脈沖寬度從0.5ms～2.5ms，相對(duì)應(yīng)舵盤(pán)的位置為0～180度，呈線性變化。也就是說(shuō)，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)應(yīng)的角度上，無(wú)論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號(hào)，它才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng)的位置上。舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期20ms，寬度1.5ms 的基準(zhǔn)信號(hào)，有一個(gè)比較器，將外加信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)相比較，判斷出方向和大小，從而產(chǎn)生電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)。在本裝置中，主要使用舵機(jī)控制滾輪的位置。

2 軟件設(shè)計(jì)

■2.1 體溫檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

首先進(jìn)行定時(shí)器0 初始化、串口初始化、紅外測(cè)溫初始化和I/O 初始化，紅外感應(yīng)模塊檢測(cè)到人員放卡后，對(duì)卡票分離的同時(shí)進(jìn)行體溫檢測(cè)[3,4]，體溫監(jiān)測(cè)模塊是通過(guò)I2C通信協(xié)議與主控MCU 通訊的，在無(wú)人時(shí)，默認(rèn)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)為空氣的溫度；當(dāng)有人時(shí)，會(huì)檢測(cè)到人的體溫。將體溫檢測(cè)的數(shù)據(jù)依據(jù)串口通信通過(guò)WiFi 模塊上傳至數(shù)據(jù)分析云平臺(tái)；由于有紅外感應(yīng)模塊的存在，若未檢測(cè)到人員，則不進(jìn)行體溫檢測(cè)，避免了一直發(fā)送數(shù)據(jù)至云平臺(tái)，干擾數(shù)據(jù)的分析和處理。其程序框圖如圖4 所示。

圖4 體溫檢測(cè)主程序框圖

其次是WiFi 模塊的配置，WiFi 模塊的配置平臺(tái)為Arduino。對(duì)WiFi 模塊依次進(jìn)行串口、I/O、定時(shí)器、WiFi工作模式、MQTT 服務(wù)器初始化的配置，WiFi 連接MQTT服務(wù)器，連接成功后，單片機(jī)串口通過(guò)WiFi 模塊傳送體溫?cái)?shù)據(jù)至數(shù)據(jù)分析云平臺(tái)，若未成功繼續(xù)進(jìn)行MQTT 服務(wù)器的連接。其程序框圖如圖5 所示。

圖5 WiFi 模塊配置程序框圖

■2.2 卡票消毒裝置軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)，若攝像頭K210 檢測(cè)到人臉，則超聲波測(cè)量物體高度（崗?fù)ろ敳恐淋?chē)輛頂部的距離），若未檢測(cè)到，裝置處于休眠狀態(tài)；當(dāng)檢測(cè)到崗?fù)ろ敳恐淋?chē)輛頂部的高度不為0 時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)，將托盤(pán)調(diào)整至與車(chē)窗相同高度[5,6]；駕駛?cè)藛T放入卡票，觸動(dòng)托盤(pán)下方的紅外感應(yīng)模塊，托盤(pán)下降至底部，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)90 度后，進(jìn)入票分離環(huán)節(jié)，被分離的卡片依次進(jìn)入消毒環(huán)節(jié)，當(dāng)檢測(cè)到最后一張卡票消毒完畢后，工作結(jié)束。其程序框圖如圖6 所示。

圖6 正傳流程圖

工作人員按下反轉(zhuǎn)按鈕，將卡票片放入消毒室中進(jìn)入酒精噴灑和紫外線照射消毒環(huán)節(jié)，隨后卡票依次被傳送至托盤(pán)；當(dāng)卡票全部進(jìn)入托盤(pán)時(shí)，傳送帶繼續(xù)工作3 秒，防止卡票傳送中的卡頓，以保證卡票全部落入托盤(pán)中；此時(shí)超聲波再次測(cè)量崗?fù)ろ敳恐淋?chē)輛頂部的距離，將測(cè)量的距離數(shù)據(jù)傳輸至主控芯片，主控芯片發(fā)出控制命令調(diào)整托盤(pán)至車(chē)窗高度，駕駛?cè)藛T取走卡票，反轉(zhuǎn)工作完畢。其程序框圖如圖7所示。

圖7 反傳流程圖

3 結(jié)論

體溫檢測(cè)與卡票消毒智能管控系統(tǒng)主要運(yùn)用于高速公路收費(fèi)站中駕駛?cè)藛T與工作人員通行卡的傳遞以及測(cè)量駕駛?cè)藛T的體溫。在運(yùn)用中，可將此裝置固定在高速收費(fèi)站崗?fù)さ拇翱?，超聲波模塊安裝在崗?fù)ろ敳浚笛b置安裝在崗?fù)ひ粋?cè)。可實(shí)現(xiàn)工作人員與駕駛?cè)藛T無(wú)接觸雙向傳遞通行卡，并將體溫檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)分析云平臺(tái)，最后通過(guò)交互平臺(tái)展現(xiàn)給高速收費(fèi)站的工作人員。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、功率低和成本低，是一個(gè)在疫情防控常態(tài)化下具有實(shí)用價(jià)值的卡票消毒并測(cè)溫裝置。