面向公共場所的智能存取裝置

李娜娜 張冬琴 孫淼 胡家豪 王橋 崔忠偉

摘要：國內(nèi)外公共場所使用的擠壓式洗手液可以起到清潔除菌的作用，但存在保存不當、取液不便、污染嚴重等問題。研發(fā)一款面向公共場所的智能存取裝置，有效地解決了上述難題。該裝置具備兩個功能：IC卡確認管理員身份后，經(jīng)STM32F103微控發(fā)出相應的指令，控制舵機打開裝置蓋，實現(xiàn)自動加液操作;紅外傳感器感應到需求后，STM32F103微控向繼電器發(fā)送指令，繼電器工作使蠕動泵釋放洗手液。由此可達到封閉式存取、適時自動釋放洗手液的目的。

關(guān)鍵詞：洗手液;公共場所;智能存取;紅外傳感器;STM32F103;蠕動泵

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）03-0252-03

隨著現(xiàn)代文明的發(fā)展和人們對環(huán)保健康的需求，洗手液作為日常生活中的必需品被大家普遍使用，特別是公共場所對于洗手液的需求更大。如果使用衛(wèi)生質(zhì)量不合格產(chǎn)品特別是使用細菌超標的洗手液，手會越洗越臟，給細菌提供再次傳播污染的機會，從而引起疾病[1]。我們研發(fā)了一款面向公共場所的智能存取裝置，該裝置可以實現(xiàn)自動出液，達到取液方便、衛(wèi)生快捷、低碳環(huán)保、避免交叉感染的效果。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)擬研發(fā)一款物聯(lián)網(wǎng)設備，其包含STM32F103微控、IC卡感應模塊、紅外傳感器、蠕動泵、舵機。系統(tǒng)主要通過紅外線傳感器感應人手，發(fā)送給單片機，由單片機判斷是否需要釋放液體并傳達給繼電器，繼電器控制蠕動泵開啟，實現(xiàn)適時自動釋放洗手液、封閉式存取的功能，達到避免傳播細菌的效果。

其中，STM32F103微控是整個系統(tǒng)的核心，可對各個模塊的請求發(fā)出相應的控制指令，是系統(tǒng)實現(xiàn)整體功能不可或缺的控制器;IC卡感應模塊用于判斷管理員的身份，管理員身份被確認后，舵機對系統(tǒng)裝置執(zhí)行開蓋處理，方便管理員加液操作;紅外傳感器判斷是否有人需要使用洗手液，當感應到手伸過來，則向微控發(fā)送信號，再由STM32F103微控向繼電器發(fā)出指令，繼電器收到指令后開始工作，此時蠕動泵通電，實現(xiàn)實時向用戶投放洗手液的功能。

系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示：

2 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)所用元器件以及相應的性能參數(shù)如表1所示：

利用上表元器件對整個系統(tǒng)裝置進行設計，其電路設計原理圖如圖2所示。

2.1 STM32F103微控制器原理

為了控制整個智能存取裝置.達到低功耗、便于使用、結(jié)構(gòu)簡單易懂、性能好等效果，我們選用STM32F103微控作為該裝置的控制模塊。

STM32F103（Microcontrollers）的類型是一種集成電路（IC），是一款基于ARM Corex-M內(nèi)核STM32系列的32位微控制器，其程序存儲容量是64KB（64K x 8）。采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把中央處理器、隨機存儲器f其容量為20K x 8）、I/O口數(shù)量為37、中斷系統(tǒng)、最多7個定時器以及計數(shù)器等部件組成，構(gòu)成適用于各種場合、各類裝置器件的多功能微控。體積小、結(jié)構(gòu)簡單、使用范圍廣是STM32F103微控制器的主要特點，具有編程方便，容易移植的優(yōu)點[2-6]。

2.2 基于管理員的控制功能

管理員需要對洗手液裝置進行添加洗手液操作。首先通過IC卡確認刷卡人的身份，不是管理員則無操作，若為管理員，則在STM32F103微控的控制下，利用舵機打開裝置容器蓋，管理員往裝置內(nèi)加入洗手液。實現(xiàn)管理員的控制功能采用如下三個模塊：

（1）IC卡模塊

為準確判斷管理員的身份，需要保證裝置能夠精準識別、模塊穩(wěn)定且可靠，基于此，我們選用型號為MF RC-522 RC522的IC卡模塊。本模塊價格低廉、體積小同時擁有高性能，適用于各種基于ISO/IEC 14443A標準的非接觸式通信場合。在本系統(tǒng)中通過串口通訊發(fā)送管理員信息給STM32F103微控[7-10]。

（2） STM32F103微控

在確認管理員身份后，需要對應的模塊發(fā)出相關(guān)的控制指令。為實現(xiàn)此功能，選用STM32F103微控，將相關(guān)指令發(fā)送給舵機。

（3）舵機

IC卡發(fā)出開蓋請求后，為實現(xiàn)感應舵機轉(zhuǎn)動從而打開系統(tǒng)裝置的功能，選用型號為MG995的舵機。該舵機的控制信號是周期為20ms的PWM（Pulse Width Modulaion，脈沖寬度調(diào)制）波，PWM信號的脈沖信號寬度為0.5ms時舵機轉(zhuǎn)動的度數(shù)為0度，相應的其中的脈沖寬度為2.5ms時，舵機轉(zhuǎn)動的度數(shù)為180度，裝置要求的旋轉(zhuǎn)度數(shù)根據(jù)用戶自定義社進行設置。STM32F103微控通過PWM波控制舵機打開容器蓋[11-12]。

2.3 基于用戶的控制功能

本系統(tǒng)裝置在STM32F103微控的控制下，利用紅外傳感器判斷用戶是否有使用洗手液的需求，若有需求，蠕動泵釋放洗手液，達到方便用戶健康使用洗手液的效果。實現(xiàn)用戶的控制功能采用如下兩個模塊：

（1）紅外傳感器

為判斷洗手液的使用需求，選用型號為E18-D80NK紅外傳感器。E18-D80NK是一種把發(fā)射和接收集成在一起的紅外傳感器，發(fā)射光在發(fā)出之前先進行調(diào)制，輸出時通過接收頭解調(diào)收到的反射光，這樣就防止了可見光的干擾。在本設計中該模塊通過數(shù)字信號的方式將請求發(fā)送到STM32F103微控[13-15]。

（2）蠕動泵

收到STM32F103微控發(fā)出的請求后，選用蠕動泵實現(xiàn)向用戶投放洗手液的功能。蠕動泵由三個部分構(gòu)成：驅(qū)動器，泵頭和軟管。它可以通過對軟管的交替擠壓來釋放流體，具有無污染、密封性良好和維護簡單等優(yōu)點[16-17]。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

本系統(tǒng)可實現(xiàn)伸手出液以及識別加液兩個功能：（1）啟用系統(tǒng)時首先對系統(tǒng)進行初始化，初始化的成功與否決定系統(tǒng)能否正常使用;（2）若系統(tǒng)初始化成功，在裝置有洗手液的情況下，通過紅外傳感器判斷是否有用戶伸手即有使用洗手液需求，若紅外傳感器檢測到用戶有使用需求，則STM32F103微控向繼電器發(fā)出工作指令，此時蠕動泵通電釋放洗手液，完成后用戶可以正常使用洗手液;（3）若無使用需求且系統(tǒng)裝置中無洗手液，IC卡模塊判斷有無刷卡操作，無刷卡操作，返回判斷使用需求;有刷卡操作，判斷當前是否為管理員，不是管理員返回判斷使用需求，是管理員則舵機控制裝置開蓋，管理員添加洗手液。

4 結(jié)果與分析

本裝置設計過程中需要對響應時間、液體流量、使用距離等進行驗證測量，達到使用時實時自動出液且出液量適當?shù)男Ч?。紅外傳感器可識別距離在3-80cm之間，當有人手接近出液口，紅外線光遇到人手時會將反射的光信號傳回紅外線接收頭，光信號轉(zhuǎn)換成電信號后再放大和整形，裝置就得到了“有人接近”的信號，此時通過繼電器控制蠕動泵動作便可打開出液口，在人手或物體離開后，將自動關(guān)閉。響應時間與液體流量取決于蠕動泵軟管的粗細，如需要0.005-0.05ml/min時，從流量上看，能夠使用THIOA+lxl，調(diào)速時，步進電機單位是O.1RPM（轉(zhuǎn)，分鐘），會以0.0042ml/min的倍數(shù)增長。裝置的流量以及響應時間受蠕動泵的影響。

5 結(jié)束語

本裝置實用價值高、受眾廣、結(jié)構(gòu)簡單，利用紅外線傳感器、STM32微控、電磁閥等，研發(fā)了這一款面向公共場所的智能存取裝置，取得了良好的效果。實驗表明，該裝置實現(xiàn)無接觸、無須按壓的功能，達到伸手出液、低碳環(huán)保、有效抑菌的效果，有利于保護人們的健康。

參考文獻：

[1]楊麗華，張永，趙銳，張冬瑩，王萍.公共場所中洗手液使用現(xiàn)狀及其衛(wèi)生質(zhì)量分析[J].中國衛(wèi)生檢驗雜志，2016，26（19）：2859-2860，2864.

[2]劉群銘，王勇，史穎剛.基于STM32的舵機控制器電路設計[J]江蘇科技信息，2019，36（21）：54-57.

[3]莫慧芳.基于STM32單片機控制的智能水杯設計[J].自動化技術(shù)與應用，2019，38（08）：139-143.

[4]劉雪霞，譚業(yè)發(fā).基于STM32單片機的液壓動力系統(tǒng)監(jiān)測儀設計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2019（09）：38-41.

[5]關(guān)超，柴寶仁，基于stm32的智能家居控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].輕工科技，2019，35（02）：91-92+95.

[6] Li Li，Lin Xue.Xiaoqi Zhang，Peifeng Ji，Pengxiao Teng，HesongHuang. Design of Remote Acquisition System for Debris FlowData Based on STM32[P]. DEStech Transactions on ComputerScience and Engineering，2018.

[7]鄧澤群，射頻識別RFID技術(shù)及其應用[J].中外企業(yè)家，2019（25）：131.

[8]邢玉廣，張彥軍，基于RFID的智能IC卡管理機的設計與研究[J].電子測量技術(shù)，2018，41（24）：40-45.

[9] Zhao Linlin，Liu Zhansheng，Mbachu Jasper. Development of In-telligent Prefabs Using IoT Technology to Improve the Perfor-mance of Prefabricated Construction Projects.[J]. Sensors （Ba-sel. Switzerland），2019，19（19）.

[10]B D Deebak，Al-Turjman Fadi.Mostarda Leonardo.A Hash-Based RFID Authentication Mechanism for Context-AwareManagement in IoT-Based Multimedia Systems. [J]. Sensors（Basel， Switzerland），2019，19（18）.

[11]朱璐，宋志強，劉偉.數(shù)字化電動舵機測控系統(tǒng)設計[J]現(xiàn)代防御技術(shù)，2019，47（04）：115-121.

[12]劉戰(zhàn)峰.基于單片機控制舵機的調(diào)平裝置設計[J].艦船電子工程，2019，39（05）：157-161.

[13]高韓，陳慧程，紅外傳感原理與應用簡析[J].智慧工廠，2019（05）：80-82.

[14]李斯祺，曾榮鑫，基于STM32的紅外傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計[J].工業(yè)控制計算機，2018，31（08）：30-31+33.

[15]蔡遠，陳玉霞，紅外傳感器技術(shù)的應用研究[J].電子制作，2017（08）：14+11.

[16]趙凱，舒明雷，劉照陽，高天雷，金中一.蠕動泵控制系統(tǒng)的研究和設計[J].自動化儀表，2018，39（10）：38-41，45.

[17]鄭誠，鄧建軍，王傳真，張孝逐.基于蠕動泵的浮選自動加藥裝置設計[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2019，39（03）：128-131.