基于單片機的公共交通樞紐疫情防控系統(tǒng)

宋汶凱

（山東理工大學，山東 淄博 255000）

0 引言

新冠肺炎是近代人類遭遇的規(guī)模最大、危害最嚴重的公共傳染病，其嚴重威脅了人民的身體健康和生命安全。而作為人員大量聚集且復雜的交通樞紐便成了疫情防控的重點地區(qū)。目前，國內、國外的疫情防控檢測設施存在類型單一、功能簡單、設備價格昂貴、效率低以及實用性不強等問題。根據客觀需要，該文結合單片機最小系統(tǒng)、機器學習以及多種檢測技術設計了一款實用性強的綜合性智能公共交通樞紐疫情防控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實時開展進站人員健康狀態(tài)檢測和霧化消毒工作，對健康狀態(tài)異常人員給予報警與顯示。該系統(tǒng)的具體功能如下：1） 人員進站檢測。通過超聲波探測技術判斷是否有目標進入區(qū)域，及時向處理器反饋檢測信息，控制下層系統(tǒng)的開機、關機。2） 目標人員是否佩戴口罩檢測。通過OpenMV4 Plus和數字圖像處理對人臉信息進行采集與分析。3）紅外測溫模塊。采用MLX90614紅外測溫傳感器進行非接觸式測溫，它可以保證數據的可靠性。4）霧化消毒模塊。采用單片機驅動超聲波霧化消毒器，實用性強，可人為設置消毒時間，且消毒效果好。5） 門禁模塊。通過單片機驅動ASMG-MTB舵機進行開門、關門，實現對人員進站進行把控的目標。

1 系統(tǒng)總體設計方案

系統(tǒng)總體方案分為不同層級，每層又包括不同子模塊，按從上層到下層的順序依次檢測，既可以減少系統(tǒng)的工作量，又可以節(jié)約電能，當目標人員健康狀況符合該層級標準時，下一層級開始工作，對人員進行檢測，當目標人員健康狀況至少有1項不符合標準時，則發(fā)送報警信息，交由工作人員進行處理。基于單片機的公共交通樞紐疫情防控系統(tǒng)以STM32單片機為核心，由數字圖像處理與分析以及多種高精度傳感器組成，其具有5個功能模塊，系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 公共交通樞紐疫情防控系統(tǒng)流程圖

1.1 基于超聲波探測的人員進站檢測模塊

該模塊主要由2個部分組成，分別為STM32單片機最小系統(tǒng)和超聲波傳感器。通過超聲波實時檢測，根據超聲波返回時間來判斷是否有目標人員進入區(qū)域，如果沒有目標人員進入， 就保持檢測，其他模塊保持待機；如果有目標人員進入，則系統(tǒng)開機，開始工作。

1.2 基于數字圖像處理的人員是否佩戴口罩檢測模塊

該模塊主要由3個部分組成，分別為OpenMV4 Plus信息采集模塊、數字圖像處理與分析模塊以及蜂鳴器。通過OpenMV4 Plus信息采集模塊對目標人員的圖像進行采集，系統(tǒng)追蹤目標人員，將目標區(qū)域定位至人臉，通過訓練OpenMV4 Plus神經網絡模型得到高精度的檢測算法，結合系統(tǒng)的判斷逐步確定目標人員是否佩戴口罩，對未佩戴口罩的人員進行報警，并通知工作人員；已佩戴口罩的人員則進行下一步檢測。

1.3 基于紅外測溫傳感器的測溫模塊

該模塊主要由3個部分組成，分別為單片機最小系統(tǒng)、MLX90614紅外測溫傳感器以及蜂鳴器。該模塊通過MLX90614紅外測溫傳感器進行非接觸式測溫，通過目標人員紅外輻射能量的強弱、人體溫度與波長分布的關系對人體表面溫度進行測量，它在保證數據的可靠性的同時，還可以提高工作效率。如果目標溫度超過設置的閾值，就報警；如果目標溫度沒有超過設置的閾值，則進行下一步處理。

1.4 基于超聲波霧化消毒器的消毒模塊

該模塊主要由2個部分組成，分別為單片機最小系統(tǒng)、超聲波霧化消毒器。該模塊根據上層傳來的指令，通過單片機驅動超聲波霧化消毒器，實用性強，可人為設置消毒時間，且消毒效果好。

1.5 基于單片機的門禁模塊

該模塊主要由2個部分組成，分別為單片機最小系統(tǒng)、舵機。該模塊根據上層傳來的控制信息，當目標人員檢測狀況至少有1項不符合標準時，門禁模塊保持關門，發(fā)出報警信息，由工作人員進行處理，當目標人員檢測狀況全部符合規(guī)定標準時，舵機工作，人員放行。

基于單片機的公共交通樞紐疫情防控系統(tǒng)效果如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)效果圖

2 基于單片機的公共交通樞紐疫情防控系統(tǒng)模塊

2.1 超聲波人員進站檢測模塊

該模塊以單片機為控制核心，以超聲波傳感器作為組成部分，以串口收發(fā)作為傳輸接口，通過串口進行數據通信，采用超聲波傳感器來實現對車站、機場以及地鐵站等公共交通樞紐進站人員進行檢測的功能。在系統(tǒng)開始工作后，由單片機發(fā)出指令，超聲波傳感器內部的壓電晶片根據電壓的變化做出響應，當壓電晶片彎曲振動時，就會發(fā)出超聲波，超聲波發(fā)出的同時開始計時，當碰到障礙物時，超聲波就會被反射回來，接受部分由換能器和放大電路組成，當超聲波傳感器的壓電晶片部分接收到返回的超聲波振動時，就會產生1個電信號，經放大器放大后，交由檢波電路檢波，再放大后，就會產生1個回波脈沖，當換能器接收到返回的超聲波時就停止工作，通過公式計算距離，如公式（1）所示。

式中：為距離，m；為聲速，m/s；為時間，s。

即為檢測設備到障礙物的距離，因為使用范圍是不變的，所以檢測距離也是恒定的，當檢測范圍內出現目標人員移動時，計算得到的距離就會發(fā)生變化，系統(tǒng)做出響應，傳送指令，控制下層系統(tǒng)開機，這樣系統(tǒng)既可以做到及時響應，又可以節(jié)省資源。

在單片機的配置過程中，將VCC接5 V電壓，GND接地，Trig觸發(fā)控制信號輸入，接PD5，配置為高電平并保持至少10 μs，將ECHO接PD3，控制信號輸出?？刂苽鞲衅靼l(fā)出8個脈沖的聲波，單片機在脈沖調制電路中，以控制定時器的復位端，使定時器分時工作，進而產生脈沖頻率為40 kHz 、周期為30 ms的方波，處理器實時檢測信號的返回，通過I/O口的ECHO產生高電平，統(tǒng)計高電平的時間，該時間就是超聲波的傳播時間，處理器調用公式計算便可輸出距離。當檢測到距離發(fā)生變化時，下層系統(tǒng)開始工作，繼續(xù)保持探測；當距離沒有變化時，下層系統(tǒng)待機，超聲波傳感器保持探測。超聲波探測程序關鍵語句如下。

GPIO_SetBits(dist_Trig_PORT，dist_Trig_Pin);

delay_nus(10);

GPIO_ResetBits(dist_Trig_PORT，dist_Trig_Pin);

delay_nus(100);

while(GPIO_ReadInputDataBit(dist_Echo_PORT， dist_Echo_PIN) == 0);

TIM_Cmd(TIM4，ENABLE);

while(GPIO_ReadInputDataBit(dist_Echo_PORT， dist_Echo_PIN));

TIM_Cmd(TIM4,DISABLE);

count = TIM_GetCounter(TIM4);

dis = (int)count/60.034;

2.2 進站人員是否佩戴口罩檢測模塊

該模塊由OpenMV4 Plus信息采集模塊、數字圖像處理和分析模塊組成。OpenMV4 Plus使用了STM32H7微控制器，在480 MHz的主頻上工作，它的MCU芯片是STM32，因此它相當于集成了圖像處理算法的可編程單片機，可以通過IIC、SPI、UART以及I/O直接進行通信、數據傳輸，它可以完成尋找色塊、邊緣檢測以及標志跟蹤等任務，因此可以用它來實現人臉檢測、目標物跟蹤等功能。它還配有基于caffe深度學習框架的cnn神經網絡架構，智能程度很高，可以根據用戶的需要配置OpenMV4 Plus，以完成特定的操作，OpenMV4 Plus采集圖像信息后，將圖像交由計算機進行數字圖像處理與分析。

口罩檢測需要利用EDGE IMPULSE在線網站通過遷移學習訓練神經網絡來得到符合要求的OpenMV4 Plus神經網絡模型，并將系統(tǒng)部署到OpenMV4 Plus。利用OpenMV4 Plus對圖像進行采集，分別采集1 000張各個年齡段男性、女性戴口罩和不戴口罩的圖像，并將圖像傳至EDGE IMPULSE進行訓練，從而保證訓練集的基數數量可以滿足要求，進而保證訓練結果的可靠性。目前，常用的神經網絡處理算法有Mobilenet、InceptionV4等。通過選擇合適的優(yōu)化器和充分的訓練使Loss的值逐漸變低、accuracy的值逐漸增高，當算法的準確度達到要求時，系統(tǒng)會自動停止訓練。

通過導流板實現人員排隊進入、依次檢測的目標，OpenMV4 Plus對人臉進行圖像采集后，將數據傳至計算機，系統(tǒng)自動通過神經網絡的訓練結果進行識別，并在串行終端輸出判斷結果，如果檢測結果為目標人員已佩戴口罩， 就進行下一模塊檢測；如果檢測結果為目標人員未佩戴口罩，則發(fā)送報警信息，由工作人員介入。

2.3 紅外測溫模塊

該模塊以單片機為控制核心，以MLX90614紅外測溫傳感器、蜂鳴器為組成部分。傳統(tǒng)的測溫方式分為2種，即接觸式測溫和非接觸式測溫。在以疫情為背景的大前提下，接觸式測溫就存在安全隱患，因此紅外測溫便成為主流。MLX90614紅外測溫傳感器利用波長與溫度的聯(lián)系以及與人體輻射的紅外能量大小的關系對溫度進行測量。它性能優(yōu)良，可以直接產生線性或近似線性的信號。在理想情況下，輸出電壓如公式（2）所示。

式中：為被測物體溫度，K；為傳感器自身溫度，K；為元件的靈敏度常數。

MLX90614紅外測溫傳感器的SCL、SDA管腳連接單片機的普通I/O口，通過這2個接口實現MCU與傳感器間的數據通信，因為傳感器的輸入、輸出接口是漏極開路結構，所以需要增加上拉電阻。MLX90614產生的溫度信號經運算放大器放大后傳送給ADC，再經過低通濾波器濾波后輸出。當溫度信息符合標準溫度（低于37 ℃）時，準備進入下一步處理；當溫度信息高于標準溫度時，則傳送告警信息，蜂鳴器工作，由工作人員介入。單片機與MLX90614的連接電路如圖3所示。

圖3 單片機與MLX90614連接電路

2.4 霧化消毒模塊

霧化消毒模塊以單片機最小系統(tǒng)為核心，以超聲波霧化器作為組成部分。通過單片機控制超聲波霧化器以2.4 MHz的頻率使消毒液產生霧化現象，把消毒液霧化為直徑約為5 μm的水珠。

超聲波霧化器分別接24 V電源與電容三點式振蕩電路的三極管的基極，單片機實時檢測電路中的電流，根據=可知（為電壓，V；為電阻，Ω；為電流，A），電阻不變，電流越大則電壓越大，單片機通過通道接在電阻RA一端，檢測該點的輸出電壓，通過A/D轉換將模擬信號轉換為數字信號。當處理器輸出的5 V高電平經過三極管后，電壓被放大至24 V，利用單片機控制引腳輸出脈沖寬度，調制PWM的高低占空比，從而控制整體電路電流，調節(jié)霧化器的振動強度，改變霧化片振幅，進而對消毒狀態(tài)、噴灑藥量大小進行調節(jié)。通過系統(tǒng)的定時器設置消毒時間，根據上層傳來的指令對目標人員進行消毒。

2.5 門禁模塊

該模塊以單片機為控制核心，以ASMG-MTB舵機作為組成部分。ASMG-MTB舵機具有體積小、質量輕以及扭矩大等優(yōu)點，它的扭矩可以達到500 kg·cm。舵機控制信號是脈沖調制信號，脈沖寬度為0.5 ms~2.5 ms，與舵盤位置0° ~180°呈線性關系。ASMG-MTB舵機參數見表1。

表1 ASMG-MTB舵機參數

ASMG-MTB舵機的紅色線接+24 V電壓，白色線接STM32單片機的PA（引腳），黑色線接STM32單片機的GND。單片機控制電路收到系統(tǒng)傳來的控制脈沖，驅動舵盤轉動，電機通過添加齒輪的方式，以較大的比例降低舵盤的轉動速度，并以較大的比例放大舵機的扭矩。使用2個電位器，第一個與LCD（液晶顯示模塊）連接，改變LCD的對比度，它有3個引腳，中間引腳連接到LCD的v（引腳），兩端分別接+5.0 V的電壓與GND。另一個電位器用來控制輸入模擬電壓、改變舵盤的位置，中間輸出接STM32的PA（引腳），兩端分別接+3.3 V的電壓和GND。電位器和齒輪組同時轉動，電路板檢測并通過電位器判斷舵盤的轉動角度，根據配置控制舵機轉到目標位置。

當上層的信號傳送到單片機時，系統(tǒng)做出響應 ，驅動舵盤轉動，反饋電位計做出反應，將1個電壓信號返回給控制電路，控制電路根據舵盤定位位置及速度判斷是否到達目標位置，從而放行檢測合格人員。

3 結語

該文設計了一種基于STM32單片機的綜合性智能公共交通樞紐疫情防控系統(tǒng)。該系統(tǒng)覆蓋了人群從進站到健康狀態(tài)核驗的完整流程，再配合工作人員的動態(tài)調整與設置，可以實時提供可靠的檢測與反饋，具有很大的優(yōu)勢，打破了傳統(tǒng)人工檢測效率低且風險大的障礙，彌補了現有設備單一、檢測具有局限性的缺陷，還降低了設備的成本。該系統(tǒng)由人員進站檢測模塊、人員是否佩戴口罩檢測模塊、紅外測溫模塊、霧化消毒模塊以及門禁模塊等組成，實現了全方位的動態(tài)檢測與防護，節(jié)省了大量的人力 、物力和財力，具有很強的實用性。