基于人體感應(yīng)的智能紫外線消毒控制系統(tǒng)設(shè)計

梁飛 劉娟秀 粟娟

摘要：針對辦公環(huán)境的消毒要求，使用嵌入式微處理器STM32F103C8T6作為控制單元，采用藍牙作為無線通信協(xié)議，再配合紅外人體感應(yīng)模塊和語音提示，利用紫外線消毒的特性，設(shè)計了一款智能紫外線消毒控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠遠程配置消毒時間段，自動根據(jù)配置的時間進行消毒，并在紫外線消毒期間對進入消毒區(qū)域進行人體檢測和語音提示。既有效完成了辦公環(huán)境紫外線消毒需求，也避免了紫外線輻射對人體的危害，同時實現(xiàn)了智能化和遠程控制，節(jié)省了人力和物力。

關(guān)鍵詞：嵌入式;人體感應(yīng);紫外線消毒;遠程控制;語音提示

中圖分類號：TP23? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）08-0001-03

Abstract： Aiming at the disinfection requirements of the office environment， an embedded microprocessor STM32F103C8T6 is used as the control unit， Bluetooth is used as the wireless communication protocol， combined with the infrared human body sensor module and voice prompts， and the characteristics of ultraviolet disinfection are used to design an intelligent ultraviolet disinfection control system. The system can remotely configure the disinfection time period， automatically perform disinfection according to the configured time， and perform human body detection and voice prompts when entering the disinfection area during ultraviolet disinfection. It not only effectively fulfills the needs of ultraviolet disinfection in the office environment， but also avoids the harm of ultraviolet radiation to the human body. At the same time， it realizes intelligence and remote control， saving manpower and material resources.

Key words： embedded system; human body induction; ultraviolet disinfection; remote control; voice prompt

1 背景

在日常生活中，保持室內(nèi)安全衛(wèi)生，定期實施有效消毒，特別是對辦公室、教室等公共場所環(huán)境的消毒非常重要[1]。紫外線殺菌的廣譜性最高，它對幾乎所有的細菌及病毒都能高效殺滅，主要是通過對微生物（細菌、病毒和芽孢等病原體）的輻射損傷和破壞核酸的功能使微生物致死，從而達到殺菌消毒的目的。由于紫外線殺菌產(chǎn)品的輻射光在不可見光波段，不需要加入任何化學(xué)藥劑，也不會對水和周圍環(huán)境產(chǎn)生二次污染，采用紫外線燈進行室內(nèi)消毒的方案被廣泛采用。但是人處在該類產(chǎn)品工作環(huán)境中時，紫外線殺菌燈工作時發(fā)出的輻射能量對人的眼睛和皮膚會產(chǎn)生灼傷，使用時一定要避免紫外線直接照射到人的眼和皮膚[2]。

另外在面對數(shù)量眾多的教室、辦公室、食堂、圖書館等公共設(shè)施時，往往需要在深夜無人時才能進行消毒操作，這就需要耗費大量的人力和物力，安排專人進行手動開關(guān)控制。另外由于人的主觀性，容易造成遺漏[3]。

本系統(tǒng)采用基于紅外人體感應(yīng)的智能控制，有效地避免了紫外線傷人事件的發(fā)生，同時根據(jù)消毒場所不同時間段的具體使用情況，管理人員可以靈活設(shè)置紫外線消毒時間，系統(tǒng)定時消毒，定時關(guān)閉，節(jié)省了人力物力。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

如圖1所示，系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)包括主控模塊、紅外人體感應(yīng)模塊、藍牙傳輸模塊、語音模塊、紫外燈控制模塊等部分。

主控部分采用STM32F103C8T6作為主控制器，主要完成定時紫外線消毒控制，其主頻達到72MHz，可以滿足系統(tǒng)響應(yīng)速度要求。為了避免人體傷害，主控還需要實時對紅外人體感應(yīng)模塊傳輸?shù)娜梭w感應(yīng)數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)結(jié)果控制語音模塊進行語音提示，同時控制繼電器來操作紫外線燈的開和關(guān)。系統(tǒng)控制紫外燈進行消毒的時間是可設(shè)置的，管理人員可以通過藍牙無線通信遠程進行消毒時間設(shè)置。

3 硬件電路設(shè)計

3.1 電源模塊設(shè)計

本系統(tǒng)中，主控和藍牙模塊所需要電壓為DC3.3V，紅外人體感應(yīng)模塊使用電源是DC5V，而整個系統(tǒng)采用AC220V供電，所以在電源輸入端使用AC-DC降壓穩(wěn)壓模塊，實現(xiàn)220V交流到直流5V輸出，該電壓提供給人體感應(yīng)模塊使用。再采用AMS1117電源芯片實現(xiàn)直流5V降壓到3.3V輸出，從而滿足處理器和藍牙模塊的電壓要求。電源模塊最大輸出功率為3.5W，滿足系統(tǒng)要求。

3.2 紅外人體感應(yīng)模塊設(shè)計

本系統(tǒng)采用HC-SR501人體紅外傳感器，HC-SR501是基于紅外線技術(shù)的自動控制模塊，用來檢測人的活動范圍，具有靈敏度高，可靠性強，功耗小，隱蔽性好等優(yōu)點;模塊內(nèi)部采用德國原裝進口LHI778 雙元探頭設(shè)計，探頭的窗口為長方形，雙元（A元，B元）位于較長方向的兩端，探頭上加了菲涅爾透鏡，使得探頭四面都可以感應(yīng)。當(dāng)人體進入感應(yīng)范圍時，紅外光譜到達雙元的時間、距離有差值，差值越大，感應(yīng)越靈敏。這一變化會被后續(xù)電路檢測到，并進行處理，從而產(chǎn)生報警信號，只要人體一直處于感應(yīng)范圍內(nèi)，人體紅外感應(yīng)模塊就會輸出高電平，主控收到該信號后，關(guān)閉紫外線燈，避免人體傷害。當(dāng)人離開時人體紅外感應(yīng)模塊會輸出低電平，主控在接收到該信號時，恢復(fù)之前的狀態(tài)[4-5]。

3.3 藍牙無線傳輸模塊設(shè)計

藍牙無線傳輸部分采用E104-BT10模塊，該模塊支持Sig-Mesh V1.0標(biāo)準(zhǔn)，可以實現(xiàn)、節(jié)點自組網(wǎng)，單網(wǎng)絡(luò)理論最大可容納10922個節(jié)點設(shè)備。設(shè)備入網(wǎng)后自動記憶網(wǎng)絡(luò)信息。手機App可任意節(jié)點代理入網(wǎng)，實現(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)遠程控制?？煞奖銓崿F(xiàn)網(wǎng)內(nèi)廣播或任意定點數(shù)據(jù)透傳，透傳數(shù)據(jù)單包最大支持80字節(jié)。模塊最大的優(yōu)勢在于可中繼網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的任意數(shù)據(jù)，任意模塊都是中繼，中繼的同時也都可收到數(shù)據(jù)，模塊數(shù)據(jù)信號覆蓋范圍50米左右，非常適合實現(xiàn)燈控應(yīng)用場景。

E104-BT10藍牙Mesh組網(wǎng)模塊包含E104-BT10G，E104-BT10N這兩種型號，E104-BT10G作為藍牙網(wǎng)關(guān)，是整個網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起者，整個網(wǎng)絡(luò)中有且只有一個，E104-BT10G在配置的時候，需要設(shè)置NetKey，AppKey，其中NetKey是用來保護網(wǎng)絡(luò)層通信的密鑰，在一個Mesh子網(wǎng)中的通信必須使用同一個網(wǎng)絡(luò)密鑰;AppKey用來保護上層傳輸層的密鑰，主要用于針對特殊應(yīng)用數(shù)據(jù)的保護[6]。E104-BT10N是整個網(wǎng)絡(luò)的藍牙節(jié)點設(shè)備，可以有多個，主要功能有2點，一是中繼功能，用于轉(zhuǎn)發(fā)Mesh消息，以構(gòu)建更大規(guī)模網(wǎng)絡(luò);二是數(shù)據(jù)收發(fā)功能，用于管理人員配置系統(tǒng)時間和紫外燈消毒時間。Mesh組網(wǎng)就是用 E104-BT10G 把 E104-BT10N 加入網(wǎng)絡(luò)中[7]。本系統(tǒng)中，E104-BT10N模塊與主控通過串口進行通信，波特率為115200。

3.4 語音模塊設(shè)計

語音模塊由NVC020C語音芯片和NS4158音頻功放兩部分組成。NVC020C語音芯片作為語音載體，它具有成本低，性能穩(wěn)定，音質(zhì)高，控制方便，電路簡單等諸多顯著優(yōu)點，正常工作電壓范圍為2V-5V，支持MCU一線串口控制，內(nèi)部可以存儲40s，80s等時長的語音，用戶主控MCU可控制任意段語音的觸發(fā)播放及停止，支持13bit的DAC輸出，可外接模擬功放[8]。NS4158音頻功放是一款高效率的單聲道D類音頻功放，在5V電壓工作時，可以提供5W的功率，同時內(nèi)部放大器可以自動檢測輸出破音失真，自動調(diào)整放大器的增益，實現(xiàn)防破音功能。該功放模塊支持MCU一線脈沖控制[9]。電路如圖2所示。

系統(tǒng)在進行紫外線消毒時，主控先讀取Audio_Busy管腳確定NVC語音芯片處于空閑狀態(tài)。再通過PA_EN管腳輸出2個高低電平寬度都為6us，幅值為3.3V的脈沖，在第二個脈沖上升沿后，保持高電平，使NS4158進入防破音模式。最后通過Audio_Data管腳向NVC芯片發(fā)送播放內(nèi)容的地址請求，通過訪問語音芯片不同的地址有選擇地進行語音播報。語音芯片存放播放內(nèi)容和相應(yīng)訪問地址如表1所示。

3.5 紫外燈控制模塊設(shè)計

紫外線消毒的控制是通過打開或關(guān)閉紫外燈來實現(xiàn)的，紫外燈工作電壓為交流220V，但是控制系統(tǒng)工作電壓為直流3.3V和5V，系統(tǒng)使用繼電器來實現(xiàn)弱電對強電的控制，同時為了對主控系統(tǒng)進行保護，采用了光耦進行電氣隔離。電路如圖3所示。

紫外燈通過JK2_IN和JK2_OUT接在繼電器常開管腳上，處理器通過JK_2信號管腳控制紫外燈開和閉，該管腳輸出為低電平時，光耦導(dǎo)通，使Q1的PNP三極管導(dǎo)通，在射極輸出大電流進入繼電器，使繼電器內(nèi)部動觸電移動，開關(guān)閉合，紫外燈點亮。該管腳輸出高電平時，光耦不通，Q1三極管截止，射極無電流輸出，繼電器恢復(fù)常開狀態(tài)，紫外燈滅。

4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電正常工作后，系統(tǒng)會將紅外人體感應(yīng)模塊、語音模塊、藍牙無線模塊、串口中斷等硬件和RTC時鐘初始化，然后進入消毒處理程序。系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖4所示。

系統(tǒng)在設(shè)置的規(guī)定時間內(nèi)進行消毒工作，但是在工作之前需要先對紫外消殺區(qū)域內(nèi)進行人體檢測，若無人，則開啟0x00H地址的語音，并打開紫外燈進行消殺。若有人，則開啟0x02H地址的語音，并提示人員盡快離開，此時不再開啟紫外燈，直至人員離開為止。如果在紫外消殺期間有人進入消殺區(qū)域，則開啟0x02H地址的語音，并提示人員盡快離開，并關(guān)閉紫外燈，直至人員離開為止。消殺完成后，開啟0x01地址的語音，并關(guān)閉紫外燈。

4.1 系統(tǒng)定時消毒設(shè)計

系統(tǒng)使用STM32的RTC定時器進行連續(xù)計數(shù)來實現(xiàn)消毒的定時工作。RTC定時器中有一個鬧鐘寄存器RTC_ALR，系統(tǒng)當(dāng)前時間計數(shù)器按TR_CLK周期累加，并與存儲在RTC_ALR寄存器中的可編程時間相比較。系統(tǒng)在RTC定時器中RTC_CR控制寄存器中設(shè)置了相應(yīng)允許位，計數(shù)器時間與RTC_ALR寄存器時間匹配時將產(chǎn)生一個時鐘中斷，表示消毒時間到達，需要進行紫外線消毒工作。消毒時間完成的設(shè)計也是同理。

系統(tǒng)可以通過修改計數(shù)器的值來重新設(shè)置系統(tǒng)當(dāng)前的時間和日期，可以通過修改RTC_ALR 寄存器中的可編程時間來重新設(shè)置需要進行消殺的時間段。

4.2 系統(tǒng)組網(wǎng)流程

紫外線消毒時間的遠程配置是由藍牙Mesh網(wǎng)絡(luò)來進行的，在組建網(wǎng)絡(luò)時，先通過控制器串口發(fā)送命令對E104-BT10G藍牙網(wǎng)關(guān)模塊設(shè)置相應(yīng)的NetKey和AppKey，再通過E104-BT10G模塊發(fā)送設(shè)備入網(wǎng)廣播。E104-BT10N作為Mesh網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點設(shè)備，在接收到設(shè)備入網(wǎng)廣播后，返回自己的MAC地址和網(wǎng)絡(luò)地址，藍牙網(wǎng)關(guān)設(shè)備將得到的新入網(wǎng)設(shè)備的MAC地址和網(wǎng)絡(luò)地址保存下來，用于管理人員進行配置。管理人員通過手機App連入指定的Mesh網(wǎng)絡(luò)，通過發(fā)送包含指定網(wǎng)絡(luò)地址的廣播命令，實現(xiàn)對指定節(jié)點設(shè)備上的紫外燈消毒時間或指定節(jié)點設(shè)備上的系統(tǒng)運行時間進行設(shè)置和修改。入網(wǎng)配置流程如圖5所示。

5 測試

系統(tǒng)上電后，通過手機藍牙App實現(xiàn)遠程配置紫外燈消毒時間段和當(dāng)前系統(tǒng)運行時間，系統(tǒng)配置完成后，在消毒時間段內(nèi)，可在紅外探頭前方，2～4m范圍內(nèi)實現(xiàn)對人員活動的檢測。有人時，斷開繼電器，同時發(fā)布語音提示，無人時開啟繼電器，進行紫外線消毒。不在消毒時間段，紅外探頭前方無論是否有人員活動，系統(tǒng)都將斷開繼電器。硬件實物圖如圖6所示。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款可遠程配置，基于人體感應(yīng)的智能紫外線消毒控制系統(tǒng)。用戶可通過藍牙無線通信靈活配置紫外消毒時間和當(dāng)前系統(tǒng)運行時間。系統(tǒng)將自動根據(jù)設(shè)置的紫外消毒時間進行定時消毒，期間無須人為操作，同時使用人體紅外感應(yīng)監(jiān)測消毒時間段內(nèi)該區(qū)域是否有人員活動，并播放語音進行提示，避免紫外線誤傷。該設(shè)計具有安全化、智能化的特點，同時節(jié)省了大量的人力和物力，在辦公室、食堂、學(xué)生教室等公共場所的日常消毒方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】