一種可用于新冠肺炎防控的紅外測溫槍

胡 慧，李亮杰，郭洪華，胡宇軒，田成明，徐 謙，王曉鳳

（1.湖南工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湘潭411104；2.湖南康驗(yàn)醫(yī)療科技有限公司，長沙410011）

0 序言

紅外測溫儀一般用于檢測物體溫度，而本文設(shè)計(jì)的紅外測溫槍，結(jié)合了疫情防控的特點(diǎn)，能對人體的體溫進(jìn)行精確測量.根據(jù)正常人體體溫的動態(tài)平衡范圍，如果體溫高于37.3℃將視為體溫異常，應(yīng)引起高度重視.

自新冠肺炎暴發(fā)以來，至2020年8月初，全球確診超過1800萬人［1］.在新冠肺炎的癥狀中，典型表現(xiàn)有體溫升高等.為做好疫情防控防治，需要設(shè)計(jì)安全的體溫計(jì)以篩查發(fā)熱病人［2］.

物體如果溫度超過絕對零度，能夠產(chǎn)生紅外線輻射，波長在0.7～30μm波段.基于該特性，采用非接觸紅外傳感技術(shù)，可對人體體溫進(jìn)行準(zhǔn)確、快速測量［3］.但新冠肺炎傳染性強(qiáng)，在隔離區(qū)、病房等場所、區(qū)域測量體溫，存在安全性不高、統(tǒng)計(jì)不便等問題.

采用STM 32單片機(jī)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種紅外測溫槍，可將測量結(jié)果通過藍(lán)牙發(fā)送到手機(jī)上的微信小程序中，方便統(tǒng)計(jì)與管理.為新冠肺炎、感冒、發(fā)燒等疾病的早期篩查、預(yù)防治療提供一種有效的技術(shù)手段.

1 紅外測溫槍測溫的原理

根據(jù)普朗克定律，黑體的光譜輻射功率E(λ,T)與絕對溫度T之間的關(guān)系.對于實(shí)際物體（灰體），還要考慮到物體的光譜發(fā)射率X(λ,T).由于被測溫度較低，有效波長選在近紅外區(qū)0.9μm處，由維恩定律簡化，可得：

其中，λ為波長，T為熱力學(xué)溫度，參數(shù)K=ln[ Cλ-r5X( λr,T )]，M=C2λr.因此，光電信號（電壓）的對數(shù)與被測溫度T的倒數(shù)呈線性關(guān)系［4］.

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件原理如圖1所示，微控制器采用STM 32單片機(jī).硬件系統(tǒng)包括紅外數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊、按鍵模塊、存儲模塊、語音模塊等，實(shí)現(xiàn)溫度檢測、語音播報(bào)、LCD顯示等功能.

圖1 硬件原理圖

（1）紅外測溫電路

采用的紅外測溫模塊和具體參數(shù)如圖2所示.

圖2 測溫模塊和具體參數(shù)

STM 32單片機(jī)通過串行總線與紅外數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行通信.通信協(xié)議采用IIC協(xié)議.IIC（Inter-Integrated Circuit）即集成電路總線，是PHILIPS公司設(shè)計(jì)出來的一種簡單、雙向、二線制、同步串行總線.IIC總線是一個多向控制總線，多個器件（從機(jī)）可以同時掛載到一個主機(jī)控制的一條總線上.每個連接在總線上的設(shè)備都是通過唯一的地址和其他器件通信，主機(jī)和從機(jī)的角色可互換.

IIC總線在物理連接上非常簡單，分別由SDA（串行數(shù)據(jù)線）和SCL（串行時鐘線）及上拉電阻組成.通過對SCL和SDA線高低電平時序的控制，來產(chǎn)生IIC總線協(xié)議所需要的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞.在總線空閑狀態(tài)時，這兩根線一般被上面所接的上拉電阻拉高，保持著高電平.IIC通信方式為半雙工，只有一根SDA線，同一時間只能單向通信.（2）電源穩(wěn)壓電路

電源電路采用兩個AMS1117-3V3穩(wěn)壓芯片，將外部輸入的6 V電壓穩(wěn)壓到3.3 V.配置四個電容對電源濾波使電壓穩(wěn)定，通過兩個上拉電阻接入兩個LED，作為指示燈，如圖3所示.

圖3 電源穩(wěn)壓電路

（3）按鍵控制電路

將STM 32單片機(jī)3個GPIO端口連接到3個按鍵，構(gòu)成按鍵電路，如圖4所示.3個按鍵分別是開關(guān)、設(shè)置和記憶功能，其中開關(guān)按鍵控制系統(tǒng)電路通斷，設(shè)置按鍵設(shè)置單位和開關(guān)聲音，記憶按鍵控制EEPROM數(shù)據(jù)的存儲和顯示.

圖4 按鍵控制電路

（4）存儲記憶電路

將STM 32的兩個引腳與EEPROM的時鐘線和數(shù)據(jù)線相連構(gòu)成存儲電路，如圖5所示.電路采用濾波電容穩(wěn)定芯片電壓.通過記憶按鍵實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲.

圖5 存儲記憶電路

（5）無線通信電路

采用低功耗HC-08藍(lán)牙模塊.通過調(diào)用微信小程序中藍(lán)牙連接模塊的API實(shí)現(xiàn)與手機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸.

設(shè)計(jì)的硬件電路PCB圖如圖6所示.

圖6 PCB圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件包括嵌入式系統(tǒng)C語言程序設(shè)計(jì)和微信小程序設(shè)計(jì).嵌入式系統(tǒng)編譯平臺為Keil.微信小程序采用騰訊官方的微信開發(fā)者工具.

（1）紅外測溫模塊

利用AT指令集向紅外測溫模塊發(fā)送開始測量、結(jié)束測量等指令.利用switch語句，將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析封裝，再通過藍(lán)牙發(fā)送解析后的數(shù)據(jù).將體溫?cái)?shù)據(jù)存儲到flash上，通過記憶按鍵，存儲、顯示體溫歷史數(shù)據(jù).

（2）按鍵檢測算法

通過Key Read按鍵檢測函數(shù)，讀取鍵值.函數(shù)中調(diào)用HAL_GPIO_ReadPin（）函數(shù)接口.利用3個if條件語句，循環(huán)檢測是否有按鍵按下，利用key_num變量標(biāo)記鍵值.

（3）微信小程序

微信小程序基于JavaScript、HTML兩種語言以及CSS樣式開發(fā).紅外測溫槍通過HC-08藍(lán)牙和手機(jī)進(jìn)行匹配，然后建立數(shù)據(jù)連接.微信小程序接收到數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在軟件界面進(jìn)行顯示.同時將數(shù)據(jù)保存到云數(shù)據(jù)庫，便于異地查詢和歷史數(shù)據(jù)查詢.該程序采用豐富的AT指令，降低項(xiàng)目開發(fā)的難度，有利于研發(fā)并投放市場.

（4）云端存儲

利用微信小程序的云服務(wù)，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫.數(shù)據(jù)采用鍵值對的格式存儲數(shù)據(jù)，在處理數(shù)據(jù)頁面，將接收數(shù)據(jù)時的時間賦值給變量，調(diào)用云數(shù)據(jù)庫的存儲API，將數(shù)據(jù)存到創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫中.

4 系統(tǒng)測試

4.1 硬件測試

目前已經(jīng)完成的樣機(jī)實(shí)物圖如圖7所示.通過電源按鍵將測溫槍打開.接著，將測溫頭對準(zhǔn)待測部位（建議測量耳溫）.按下開始按鍵，測溫槍開始測量，測量結(jié)果在LCD屏幕上進(jìn)行顯示.為了得到準(zhǔn)確、穩(wěn)定的測量結(jié)果，測量過程要求停留5 s左右.同時可通過HC-08藍(lán)牙模塊，將測量得到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)端進(jìn)行顯示和云端存儲.

圖7 樣機(jī)實(shí)物圖

4.2 軟件測試

利用小程序?qū)y溫槍通過藍(lán)牙協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理.設(shè)置監(jiān)聽函數(shù)、監(jiān)聽數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存到數(shù)組中，并通過微信小程序顯示.當(dāng)按再測一次按鈕時，當(dāng)前數(shù)據(jù)清空，微信小程序繼續(xù)監(jiān)聽、接收傳過來的數(shù)據(jù).測量結(jié)果如圖8所示.

圖8 微信小程序界面

5 結(jié)論

基于STM 32單片機(jī)、HC-08藍(lán)牙模塊，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種可用于新冠肺炎防控的紅外測溫槍.可通過手機(jī)上的微信小程序便捷、準(zhǔn)確地得到人體溫度變化，并查詢歷史數(shù)據(jù)，實(shí)時、遠(yuǎn)程、動態(tài)測量人體體溫，并進(jìn)行預(yù)警.為新冠肺炎等疾病的早期篩查、健康監(jiān)測，提供了可行的解決方法，保護(hù)了人民身體健康.