基于云端的公共智能防疫監(jiān)控系統(tǒng)

蔣文美，楊海彬，李德威，張杰豪，陳錦煥，葉成梅

（東莞城市學(xué)院，廣東 東莞 523419）

0 引 言

目前，國(guó)內(nèi)的疫情已經(jīng)得到了較好的控制，經(jīng)濟(jì)也在逐步復(fù)蘇。但是國(guó)外疫情還在不斷蔓延，并沒有得到很好的控制。隨著當(dāng)前科技的發(fā)展，能夠有效緩解疫情給人們的生活帶來的困擾。云端智能防疫監(jiān)控系統(tǒng)能夠應(yīng)對(duì)公共場(chǎng)所每天大量出入人員的安全檢測(cè)防護(hù)工作，可以自動(dòng)完成一些簡(jiǎn)單的檢測(cè)工作，提高防疫檢測(cè)的工作效率，緩解工作人員的防疫壓力。

本系統(tǒng)主要為了實(shí)現(xiàn)疫情期間的房間自動(dòng)門禁、人數(shù)控制、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)以及自動(dòng)凈化空氣的功能；并結(jié)合云端技術(shù)，將獲取到的數(shù)據(jù)上傳至云端儲(chǔ)存，以便于查看和統(tǒng)計(jì)所需要的數(shù)據(jù)信息；還可以通過移動(dòng)終端實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)查看、遠(yuǎn)程操控等，以防突發(fā)情況，適用于公共閱讀室、自習(xí)室、圖書館等小型公共場(chǎng)所。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由Arduino Mega2560、紅外避障感應(yīng)、紅外體溫檢測(cè)、溫濕度檢測(cè)、語音播報(bào)、WiFi模塊ESP8266、電機(jī)風(fēng)扇、OLED顯示、舵機(jī)開關(guān)門、噴霧消毒、手機(jī)APP等模塊構(gòu)成，如圖1所示。其中Arduino為整個(gè)系統(tǒng)的中央控制單元，負(fù)責(zé)傳感器信息的采集、數(shù)據(jù)處理及上傳工作。

圖1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)的工作流程如下：硬件電路通電后，首先進(jìn)行各個(gè)模塊的初始化，包括連接到無線網(wǎng)絡(luò)及建立與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的通信鏈路。初始化完成后，紅外感測(cè)傳感器模塊開始工作，判斷是否有人體接近房間入口。當(dāng)有人靠近紅外感測(cè)模塊時(shí)，該模塊向Arduino板的數(shù)字I/O口輸出一個(gè)低電平信號(hào)。此時(shí)紅外體溫檢測(cè)傳感器自動(dòng)測(cè)量人體體溫，并通過語音模塊播報(bào)檢測(cè)結(jié)果，如果體溫在正常范圍內(nèi)則通過舵機(jī)將入口打開，同時(shí)計(jì)數(shù)器加1，表示有一人進(jìn)去房間，進(jìn)行房間內(nèi)的人數(shù)統(tǒng)計(jì)，并將統(tǒng)計(jì)結(jié)果上傳到云端。房間的出口安裝有紅外避障感應(yīng)傳感器，用作無接觸式的房門開關(guān)，當(dāng)人體靠近傳感器時(shí)，系統(tǒng)同樣通過舵機(jī)打開出口，同時(shí)計(jì)數(shù)器減1，代表室內(nèi)人數(shù)少一個(gè)。房間內(nèi)有人時(shí)，室內(nèi)的空氣凈化系統(tǒng)便會(huì)開啟，無人則自動(dòng)停止?？諝鈨艋到y(tǒng)使用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)風(fēng)葉，從而讓空氣流動(dòng)，達(dá)到室內(nèi)室外空氣循環(huán)的效果，風(fēng)葉轉(zhuǎn)速分為3檔，假設(shè)房間能容納的人數(shù)上限為6人，則設(shè)置1～2人時(shí)工作于1檔、3～4人時(shí)工作于2檔、5～6人時(shí)工作于3檔。當(dāng)房間內(nèi)人數(shù)已滿時(shí)，進(jìn)行語音播報(bào)提醒，此時(shí)入口不再打開，直至有人從房間出去。此監(jiān)控系統(tǒng)還包含噴霧消毒模塊，可自動(dòng)根據(jù)溫濕度檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行噴霧消毒，也可以在云端進(jìn)行手動(dòng)控制。圖2為公共智能防疫監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程。

圖2 系統(tǒng)流程

2 硬件設(shè)計(jì)

電路硬件設(shè)計(jì)的完整原理如圖3所示?？刂颇KArduino能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達(dá)以及其他的裝置來反饋和影響環(huán)境。

圖3 硬件電路原理

2.1 紅外避障感測(cè)電路

紅外感測(cè)傳感器模塊對(duì)環(huán)境光線適應(yīng)能力強(qiáng)，其具有一對(duì)紅外線發(fā)射和接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測(cè)方向遇到障礙物（反射面）時(shí)，紅外線反射回來被接收管接收；經(jīng)過比較器電路處理之后，信號(hào)輸出接口輸出一個(gè)低電平信號(hào)至Arduino的數(shù)字輸入引腳。紅外感測(cè)距離通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)，有效距離范圍為2～30 cm，檢測(cè)角度為35°。該傳感器干擾小、便于裝配、使用方便，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、避障小車、流水線計(jì)數(shù)及黑白線循跡等眾多場(chǎng)合。

系統(tǒng)中共使用四個(gè)避障模塊，分別用于入口和出口的開門和計(jì)數(shù)，并分別安裝于出入口的內(nèi)外側(cè)。一旦與模塊數(shù)據(jù)輸出口相連的Arduino數(shù)字接口檢測(cè)到有低電平輸入，即判斷有人靠近房間的入口或出口。為保證精準(zhǔn)的人數(shù)統(tǒng)計(jì)，特別設(shè)計(jì)在入口內(nèi)側(cè)和出口外側(cè)進(jìn)行二次檢測(cè)，只有二次檢測(cè)到有人的時(shí)候計(jì)數(shù)器才會(huì)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

2.2 IR紅外測(cè)溫和OLED顯示電路

本設(shè)計(jì)采用Melexis公司的MLX90614模塊進(jìn)行無接觸式的紅外測(cè)溫。根據(jù)被測(cè)物體的紅外輻射能量來確定物體的溫度，不與被測(cè)物體接觸，具有溫度分辨率高、響應(yīng)速度快、測(cè)溫范圍廣、不受測(cè)溫上限的限制、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。模塊內(nèi)部包括紅外感應(yīng)熱電堆探測(cè)器單元和信號(hào)處理單元。

OLED屏用于本地顯示當(dāng)前房間內(nèi)的總?cè)藬?shù)和所測(cè)的體溫值。IR紅外測(cè)溫電路及OLED顯示屏與Arduino之間均采用IC的通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將測(cè)溫模塊和OLED屏都設(shè)置為從機(jī)，SDA、SCL引腳分別連接到Mega2560的數(shù)字接口20、21引腳。

2.3 語音播報(bào)電路

體溫檢測(cè)的結(jié)果及房間內(nèi)的人數(shù)情況除了在OLED屏上顯示外，還同步通過語音模塊DFPlayer mini進(jìn)行播報(bào)。該模塊與主控間通過異步串口通信模式進(jìn)行指令發(fā)送，通過語音芯片規(guī)定的串口指令即可完成指定音樂的播放。語音模塊的RX、TX引腳分別與Arduino的31、30引腳相連，采用自定義的軟串口進(jìn)行串口通信。Arduino控制DFPlayer mini時(shí)，喇叭容易出現(xiàn)雜音，這是因?yàn)橹骺匕逄峁┑碾妷簽? V，而DFPlayer mini模塊的工作電壓只需要3.3 V。因此在TX、RX與MP3模塊的RX、TX之間分別串聯(lián)一個(gè)1 kΩ的電阻（圖3中的、），起到分壓的作用。

2.4 無線WiFi收發(fā)模塊電路

本系統(tǒng)主要用于公共閱讀室、自習(xí)室、圖書館等小型公共場(chǎng)所，以此降低人們?cè)诠矆?chǎng)所聚集的安全風(fēng)險(xiǎn)，緩解工作人員的防疫壓力。為了方便查看和統(tǒng)計(jì)所需要的數(shù)據(jù)信息，以及通過移動(dòng)終端進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看和共享來預(yù)防突發(fā)情況，設(shè)計(jì)將房間的人數(shù)、溫濕度等數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到貝殼物聯(lián)云平臺(tái)，此功能通過WiFi模塊的ESP8266來實(shí)現(xiàn)。ESP8266是一款超低功耗的串口WiFi透?jìng)髂K，專為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，可以將用戶的物理設(shè)備連接到無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信。

ESP8266的RX、TX引腳分別接到Arduino的18、19引腳，通過異步串口模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。程序中通過AT指令將ESP8266設(shè)置成客戶端模式，系統(tǒng)上電后即自動(dòng)接入WiFi熱點(diǎn)并主動(dòng)通過TCP協(xié)議連接貝殼物聯(lián)云端。

3 結(jié)果展示與分析

利用3D打印機(jī)制作房間外殼用以展示公共智能防疫監(jiān)控系統(tǒng)，將電路板安置在其內(nèi)部，并把OLED顯示屏和揚(yáng)聲器鑲嵌在外殼正面的入口旁邊，方便室外人員隨時(shí)觀察室內(nèi)的人數(shù)情況和待進(jìn)入人員的體溫檢測(cè)結(jié)果。公共智能防疫監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)物如圖4所示。

圖4 公共智能防疫監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)物圖

系統(tǒng)運(yùn)行起始，OLED屏顯示室內(nèi)默認(rèn)人數(shù)為0人，如圖5所示。系統(tǒng)將檢測(cè)到的房間內(nèi)的溫度和濕度信息以及室內(nèi)的人數(shù)情況傳到云端，并在APP上顯示出來，如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)初始人數(shù)為0

圖6 手機(jī)APP端顯示

當(dāng)有人靠近入口時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)人體體溫是否正常，若測(cè)試者體溫不超過37.3 ℃時(shí)為體溫正常，則門打開，且會(huì)有語音提示“體溫正常，請(qǐng)進(jìn)入”；否則，門不打開，語音提示“體溫不正常，不可進(jìn)”。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到測(cè)試者通過門口進(jìn)入后，門關(guān)閉，后臺(tái)統(tǒng)計(jì)人數(shù)加1，且實(shí)時(shí)顯示在屏幕上，并將數(shù)據(jù)上傳至云端；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到測(cè)試者通過后門出去后，后臺(tái)統(tǒng)計(jì)人數(shù)減1，并將數(shù)據(jù)上傳至云端。當(dāng)室內(nèi)人數(shù)到達(dá)設(shè)定值時(shí)，屏幕上顯示人數(shù)已滿，此時(shí)若有人嘗試進(jìn)入，系統(tǒng)并不會(huì)開門且進(jìn)行對(duì)應(yīng)的語音提示“人數(shù)已滿”，直到有人從出口出去后（即總?cè)藬?shù)在設(shè)定值內(nèi)）方可繼續(xù)開門進(jìn)人。

空氣凈化所用的風(fēng)扇共設(shè)置3個(gè)檔位，根據(jù)室內(nèi)人數(shù)自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速，當(dāng)室內(nèi)無人時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，如圖7所示。云端可以通過設(shè)定時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)噴霧消毒，亦可通過APP上的開關(guān)按鈕手動(dòng)遠(yuǎn)程操控，如圖8所示。

圖7 空氣凈化系統(tǒng)根據(jù)人數(shù)自動(dòng)調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速演示

圖8 噴霧消毒系統(tǒng)演示

4 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)采用Arduino控制器、紅外感測(cè)傳感器、溫濕度傳感器、紅外體溫檢測(cè)傳感器、語音播報(bào)、舵機(jī)、無線傳輸?shù)饶K實(shí)現(xiàn)了一種基于云端的公共智能防疫監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)無須人工干預(yù)即能實(shí)現(xiàn)進(jìn)入人員體溫的自動(dòng)檢測(cè)、室內(nèi)人數(shù)控制、室內(nèi)空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控、門開關(guān)的自動(dòng)控制、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制以及噴霧消毒等功能，并且會(huì)將檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到云端，管理人員可以通過APP隨時(shí)隨地查詢監(jiān)控房間內(nèi)的總?cè)藬?shù)、空氣質(zhì)量等。本裝置實(shí)用價(jià)值高、受眾廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有助于疫情防控工作的開展。