基于STM32單片機的智能防疫消殺車設(shè)計

段浩平 劉云江

關(guān)鍵詞：流行性疾??；消殺；智能車；STM32 單片機

中圖分類號：TP23 文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

近年來，全世界經(jīng)歷過無數(shù)流行性疾病。新冠疫情后，全球公共衛(wèi)生面臨嚴峻挑戰(zhàn)，新的流行性疾病不斷涌現(xiàn)。這些疾病的暴發(fā)和傳播給人們的健康和生活帶來了極大的威脅。

面對流行性疾病的挑戰(zhàn)，需要采取有效的措施來預(yù)防和控制其傳播。這些措施包括加強疫苗接種、提高公眾的衛(wèi)生意識、加強國際合作等。而做好消殺工作則能夠從源頭抑制流行性病毒的傳播。

做好防控消殺工作，需要耗費大量的人力和物力。其中智能防疫消殺車（簡稱“消殺車”）在衛(wèi)生防控工作中的應(yīng)用和推廣，不僅能夠大幅提高防疫作業(yè)的消殺效率，還能夠保證防疫作業(yè)的安全性。通過智能防疫消殺車的自動作業(yè)，工作人員不與實際病毒接觸，能從根源上消除工作人員感染病毒的風(fēng)險，并且避免病毒的擴散。在大幅度減少日常防疫消殺成本的同時，還能節(jié)省人力資源，降低流行性疾病及呼吸道疾病的發(fā)病率。但目前我國智能防疫消殺車僅覆蓋在大城市且數(shù)量較少，整體覆蓋率低。

醫(yī)院人流量大，又是疾病的多發(fā)地。其智能防疫消殺系統(tǒng)主要布置在室內(nèi)，走廊過道的消殺主要依靠人力?；诖?，本文基于STM32 單片機設(shè)計了一款智能防疫消殺車，主要應(yīng)用于醫(yī)院走廊過道的消殺工作。

智能防疫消殺車以車為載體，在車內(nèi)配備消毒系統(tǒng)，主要包括霧化消殺車、紫外線消殺車等類型，其中霧化消殺車的應(yīng)用較為普遍。霧化消殺車利用內(nèi)部裝置的液壓泵將消毒液霧化噴出，產(chǎn)生消毒作用，實現(xiàn)了在室外環(huán)境下消殺作業(yè)的廣域覆蓋和擴散，可以對空氣中的有害病毒、微生物等進行大面積、無死角的消殺。并且消殺車能夠沿著規(guī)劃的行駛路線對沿線環(huán)境進行精確的自動消殺。

1 設(shè)計思路

智能防疫消殺車主要由運載車體和噴霧裝置兩個部分組成。在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計方面采用4 輪驅(qū)動式輪式機械，配備了4 個功率為15 W 的直流驅(qū)動電機為其提供動力。每個輪子都被獨立的執(zhí)行機構(gòu)所控制，各自都可以獨立驅(qū)動。通過4 個輪子間的差速旋轉(zhuǎn)可以實現(xiàn)消殺車的轉(zhuǎn)向，以適應(yīng)復(fù)雜多變的作業(yè)環(huán)境。構(gòu)建一種水平方向為單軸直流電機和垂直方向為1 rad/s 雙軸直流電機的自由度云臺，將其作為載體，裝配噴霧水泵作為噴霧裝置，開展多角度的消殺工作。消殺車硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1 所示，利用一塊容量為12 000 mA·h、電壓為12 V 的高容量電池作為供電電源，能夠滿足裝置進行長時間作業(yè)的需求。該智能防疫消殺車使用STM32F103作為主控芯片。利用藍牙模塊進行通信，電源模塊分別給L298N 驅(qū)動模塊和STM32F103 主控芯片提供所需電力。裝置利用L298N 驅(qū)動模塊控制直流電機和噴霧液壓水泵進行防疫藥物噴灑作業(yè)。為了改善設(shè)備的實際應(yīng)用效果和操作便捷性，還可以在設(shè)備中集成OpenMV 圖像傳輸模塊以及超聲波避障模塊、紅外循跡模塊等輔助消殺作業(yè)執(zhí)行[1]。

為了滿足現(xiàn)在市場環(huán)境對智能防疫消殺車的需要，消殺車需要具備較強的環(huán)境適應(yīng)性，能應(yīng)對各種復(fù)雜的工作環(huán)境，還要精確靈敏，能對傳輸回來的信息迅速處理并做出反饋等。本文基于STM32單片機設(shè)計出一款智能防疫消殺車，該消殺車采用STM32 單片機的OpenMV 模塊對周圍環(huán)境進行視覺識別與處理，實現(xiàn)對所收集信息的識別、讀取、傳輸與處理[2]。將OpenMV4 Cam H7 Plus 智能攝像頭和多個超聲波測距模塊相結(jié)合對前方10 cm 及以上的凸起與凹陷地方或障礙物進行識別，輔助消殺車實現(xiàn)停車及避障。智能防疫消殺車以STM32F103C8T6 芯片為控制核心，利用OpenMV視覺模塊來傳輸信息，二者共同控制4 個大功率電機以提升控制精度。消殺車還通過繼電器控制自由度云臺與液壓水泵；通過電磁閥控制噴霧裝置。

本文所設(shè)計的智能防疫消殺車具有成本低、功能完備、便于調(diào)節(jié)、精度較高、功耗較低等特點。通過OpenMV 對周圍環(huán)境進行拍攝，并對所拍攝的圖像進行灰度處理和偏角計算后，消殺車可以進行視覺循跡，并控制自由度云臺搭載噴霧水泵進行大規(guī)模噴灑。該消殺車可對相距1 m 的15 cm×15 cm的圖形進行識別判斷，并可進行準(zhǔn)確循跡，完全滿足在視覺循跡的條件下進行防疫消殺工作的要求。

2 主要模塊

2.1 循跡功能模塊

循跡功能模塊電路采用5 路循跡傳感器，由紅外對管和電壓比較器兩個部分組成。光電循跡的原理是由紅外發(fā)射管發(fā)射光線，白色反射光線能力強，被傳感器接收后輸出低電平，黑色反射光線能力弱，輸出高電平。通過檢測高低電平的變化，判斷黑白光線并進行循跡。該模塊具備快速響應(yīng)和低功耗的特點。

此模塊通過與其他傳感器、執(zhí)行器等組合使用，實現(xiàn)更加復(fù)雜的智能控制系統(tǒng)。探頭部分由紅外發(fā)射管和接收管等組成，使用電壓比較器，并在其中加入遲滯回路（遲滯回路能有效防止臨界輸出抖動），這些原件組合作為核心器件構(gòu)成中控電路。循跡功能模塊在智能控制領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，極大滿足了自動化機器或設(shè)備實現(xiàn)自主導(dǎo)航、路徑規(guī)劃等功能的要求。

2.2 GPS 模塊及傳感器模塊

全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）模塊是一個由基帶芯片、射頻芯片、核心CPU 和相關(guān)外圍電路所組成的集成電路。GPS 模塊功耗低、靈敏度高。其可以應(yīng)用于導(dǎo)航器、手機、筆記本電腦等領(lǐng)域，因此被廣泛使用。為了讓智能防疫消殺車能正常行駛，本系統(tǒng)使用了GPS 模塊。

GPS 模塊設(shè)計如圖2 所示，這個模塊是基于STM32 單片機開發(fā)的。通過串口接收來自GPS 的數(shù)據(jù)，并將其傳輸給STM32 單片機。STM32 單片機會根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算出正確的導(dǎo)航角度，并將其與消殺車當(dāng)前所在區(qū)域進行對比，從而計算出導(dǎo)航角度的偏差。根據(jù)這個偏差，消殺車可以調(diào)整自身的行駛方向，自動規(guī)劃路線并行駛。通過事先設(shè)定的多個導(dǎo)航點，消殺車可以到達預(yù)定目的地。如圖3 所示，消殺車導(dǎo)航的基本原理是通過比較消殺車所在坐標(biāo)與設(shè)定航點所在坐標(biāo)來計算當(dāng)前位置和航點的距離以及航向角的大小。半正矢（haversine）計算公式如下：

利用紅外線傳感器可以將消殺車內(nèi)部模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為開關(guān)量信號。同時紅外線傳感器具有高靈敏性和高可靠性，因此可以實現(xiàn)消殺車緊急躲避障礙物的功能。

2.3 避障功能模塊

基于超聲波測距的方法，消殺車利用發(fā)射探頭、接收探頭和蜂鳴器來實現(xiàn)避障功能。該部分功能保證消殺車在執(zhí)行如循跡等自動控制任務(wù)時，前方道路暢通，周遭環(huán)境安全。

當(dāng)消殺車按照預(yù)定的路徑行駛，到達特定位置時，通過通用輸入/ 輸出口（general-purpose input/output，GPIO）接收超聲波信號（由STM32 微控制器控制超聲波發(fā)射電路發(fā)出信號），同時通過計算時間差來確定超聲波傳感器與前方障礙物的距離。超聲波發(fā)送和接收電路如圖4 所示。

2.4 電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動模塊包含了獨立的微控制器STM32F103C8T6 和電機驅(qū)動模塊L298N，其用于驅(qū)動4 組直流電機，且每組電機都配備了獨立的測速碼盤。基于模塊化的電機驅(qū)動單元，核心控制芯片可以通過更加簡短、迅速的程序指令來控制系統(tǒng)，也可通過直流減速電機來實現(xiàn)更精確的控制[3]。

3 控制算法

本文的研究對象是可以根據(jù)周邊環(huán)境的不同需求來校正噴灑量的變量噴灑系統(tǒng)。其采用閉環(huán)控制方式，通過校正輸入量，借助于控制對象機構(gòu)輸出的反饋量來實現(xiàn)噴灑量的準(zhǔn)確控制。

比例積分微分（proportion integration differentiation，PID）控制是閉環(huán)控制方式中的經(jīng)典策略，簡單實用。以PID 控制算法作為變量噴灑系統(tǒng)控制算法，可實現(xiàn)系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確的響應(yīng)與反饋。

PID 的3 個字母分別代表3 種不同的校正器。通過系統(tǒng)地組合這3 種不同的校正器，能夠有效地校正受控對象的誤差，使控制系統(tǒng)能夠迅速達到穩(wěn)定狀態(tài)。圖5 為PID 控制理論流程。

控制系統(tǒng)的反饋偏差量計算如下：

e（t）=c（t）-r（t）。 （ 2）

其中，e（t）為控制系統(tǒng)的反饋偏差量；c（t）為控制系統(tǒng)的實際輸出值；r（t）為控制系統(tǒng)的輸入量。

PID 控制器將e（t）作為輸入量，經(jīng)過PID 控制算法調(diào)整后得到修正量u（t），這個修正量也是控制系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的實際輸入量。整個控制過程包括了控制系統(tǒng)的各個組成部分，形成了一個完整的閉環(huán)。典型PID 控制方程如下：

4 功能實現(xiàn)

STM32 單片機總體結(jié)構(gòu)包括控制板、圖像視頻傳輸模塊、傳感器、電機驅(qū)動以及電源電壓檢測模塊。其主要功能是處理數(shù)據(jù)信息、讀取信號并準(zhǔn)確計算控制量數(shù)據(jù)，同時將脈沖寬度調(diào)制（pulsewidth modulation，PWM）信號傳輸?shù)诫姍C驅(qū)動系統(tǒng)，以此控制噴霧裝置和云臺設(shè)備的工作[5]。

在給消殺車系統(tǒng)通電后，主程序先進行初始化操作，檢測完畢后進入等待運行狀態(tài)，在檢測到啟動按鍵按下后進入主循環(huán)。主程序會調(diào)用各傳感器模塊函數(shù)來執(zhí)行相關(guān)動作。系統(tǒng)整體運行流程如圖6 所示。

消殺車可以將傳感器檢測到的液壓水泵水壓數(shù)據(jù)、車輛前后距離障礙數(shù)據(jù)、車體傾斜角度數(shù)據(jù)以及車體溫度數(shù)據(jù)等信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32 單片機系統(tǒng)中。同時，STM32 單片機中的電壓模塊能夠?qū)崟r檢測電池電量，不同數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)娇刂瓢?，然后控制板做出控制，再將控制信號發(fā)送給STM32 單片機，并在顯示屏上顯示各類數(shù)據(jù)。此外，為了防止機械系統(tǒng)在操作云臺或噴霧裝置時受損，車輛具備適當(dāng)?shù)木o急剎車性能。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，消殺車系統(tǒng)設(shè)置了云臺機械限位和噴霧裝置的左右限位。同時，嚴格設(shè)定自動擺動功能，確保噴霧裝置在開啟過程中的擺動幅度始終在可控范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

通過對基于STM32 單片機的智能防疫消殺車進行硬件和軟件方面的詳細設(shè)計和測試，證實了該消殺車具備多項智能化的功能，包括自動沿軌跡行駛、主動規(guī)劃最優(yōu)路線、識別和避開障礙物、噴灑消毒液等。目前還需要進一步完善和優(yōu)化整體架構(gòu)設(shè)計模式和體系，以確保軟件系統(tǒng)、硬件設(shè)備和整車車體機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)性和合理性。此外，還需要進行更多試驗、測試，并分析測試結(jié)果，以確保該設(shè)計能夠滿足市場需求。