一種智能防疫通道管理控制系統(tǒng)的設計

楊阿弟，陳 敏

（1.湄洲灣職業(yè)技術學院 產學研交流合作處，福建 莆田 351119；2.莆田學院 工程實訓中心，福建 莆田 351100）

因為突如其來的疫情，莆田政府相繼啟動了重大突發(fā)衛(wèi)生事件一級響應，身處的這座城市像是被按下的暫停鍵，曾經繁華熱鬧的廣場、廟會、公園、商場和飯店等人流量密集區(qū)域均被停止營業(yè)，所有人都自覺響應號召，少出門、不聚集，自覺地開始居家生活。福建莆田的新冠肺炎確診人員不斷增多，短短3天時間就新增了幾十例確診病例。隨后在泉州、廈門和漳州也相繼出現確診患者，并且人數仍在不斷增多，多地已經升級為中高風險地區(qū)，疫情傳播之迅速，讓所有人都不禁強打精神，分秒必爭、全力以赴。根據莆田市應對新型冠狀病毒感染肺炎工作指揮部發(fā)布的通告，要求所有小區(qū)全面實行出入嚴格管控，根據小區(qū)情況合理設置出入管理口，實行24小時值班。八閩健康碼也采用綠碼、黃碼和紅碼來區(qū)分是否來自中高風險地區(qū)，人員進入小區(qū)前先必須測溫、出示健康碼、戴口罩等，持有綠碼且體溫正常等符合防控要求方可進入小區(qū)，這樣就需要耗費大量人力，也增大了工作人員感染的風險。在這種情況下，是否能有一種無接觸通行管理方式，既能節(jié)省人力，又能減少工作人員交叉感染的風險。結合當前疫情防控要求，本文設計一種智能防疫通道管理控制系統(tǒng)，解決當前存在的問題。

1 系統(tǒng)硬件結構

1.1 系統(tǒng)整體結構設計

本研究設計一種可通過多種傳感器模塊配合使用檢測人員健康碼、體溫等相關信息而自動識別人員的健康狀況，從而控制執(zhí)行結構，可以模擬小區(qū)管理的真實環(huán)境，系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

系統(tǒng)結構主要包括顏色傳感器模塊、超聲波傳感器模塊、溫度傳感器模塊及紅外線對管模塊等輸入電路，以及液晶顯示模塊、發(fā)光二極管模塊、閘門、單向旋轉門閥和語音播報模塊等執(zhí)行機構和Arduino控制器[1-2]。

通過閘門使被檢測人員在待檢區(qū)有序排隊，當超聲波傳感器模塊檢測到待檢測區(qū)有人員檢測時，放下閘門，并開始啟動健康碼識別系統(tǒng)、非接觸式體溫檢測系統(tǒng)，并通過語音播報模塊對被檢測人員的健康狀況進行語音播報及燈光引導指示。①當被檢測人員健康碼是黃碼、紅碼或體溫異常時，語音模塊播報“不符合防疫要求，請離開”。②當被檢測人員健康碼是綠碼，語音模塊播報“健康碼正常，請檢測體溫”，同時白色發(fā)光二極管燈亮，且檢測到被檢測人員體溫正常，語音模塊播報“體溫正常，請通過”，門閥開關關閉，被檢測人員離開待檢測區(qū)，推動單向旋轉門，可以正常進入防疫通道，紅外對管模塊檢測到旋轉門時，門閥開關自動打開，閘門自動抬起，為下一個被檢測人員進入待檢區(qū)準備。

1.2 超聲波模塊

目前，超聲波測距模塊類型很多，比較常用的有HC-SR04、US-100、URM37、GY-US42、堔 圳 導 向KS104，有些超聲波傳感器接口是采用232接口，有些是采用TTL接口，其測量距離跟測量精度也不盡相同，應用的領域跟場合也不同，目前的超聲波測距模塊最高精度能到1cm。本設計采用HY-SRF05模塊，其5個引腳分別為Vcc、Trig、Echo、Out、GND，5 V供電，采用ⅠO引腳Trig觸發(fā)測距，給至少10 μs的高電平，即可開啟測距功能。

如果自動檢測到有信號返回時，通過ⅠO引腳Echo輸出一個高電平[3-4]。

開始給Trig一個大于10 μs的脈沖，使模塊開始工作，同時開啟定時器開始計時，將外部中斷接到Echo引腳上，當模塊檢測到回波時Echo被置高電平，這時外部中斷被觸發(fā)，進入中斷程序，因此可以在中斷程序中將時間讀出來，有了時間就可以根據distance=v×t/2，計算出距離，距離值就可以用于進一步的工作。

1.3 溫度檢測與顯示模塊

1.3.1 溫度檢測

本設計的溫度檢測需要采用紅外非接觸式溫度檢測模塊，目前比較常用的有SA30AS、GY-615V3和GY-MCU90615V2等。MLX90614是一款集成了17位模數轉換器、信號處理專用芯片、紅外感應熱電堆探測器芯片，以及低噪聲放大器和數字信號處理單元，使得溫度檢測更高分辨度和更高精度的紅外非接觸溫度器件。溫度器件具備出廠校準化，有數字PWM和SMBus（系統(tǒng)管理總線）輸出模式。作為標準，配置為10位的PWM輸出格式用于連續(xù)傳送溫度范圍為-20～120°C的物體溫度，其分辨率為0.14°C。圖2為MLX90614管腳圖，其中SCL是時鐘信號，SDA為數據信號，Vdd電壓為5 V。溫度檢測模塊電路如圖3所示。

圖3 溫度檢測模塊電路圖

工作原理：①發(fā)送數據時，按字節(jié)為單位進行發(fā)送，每次按一位一位發(fā)送，發(fā)送8個位后，等待判斷對方是否有應答，若是有應答，接著再發(fā)送下一個字節(jié)，若是沒有應答，也繼續(xù)發(fā)送下一個字節(jié)，重復重發(fā)幾次都沒有應答，就結束發(fā)送。②數據的接收，也是按照一位一位接收，接收完8個位后，向對方發(fā)送一個應答信號表示接收完畢，準備繼續(xù)接收下一個字節(jié)。

最后，在Tobj1中讀取到的數據通過式（1）計算后，在OLED液晶屏模塊顯示溫度值。

1.3.2 顯示模塊

顯示模塊采用0.96寸SSD1306藍色Ⅰ2C通信OLED液晶屏模塊，如圖4所示，顯示原理是在外界電壓的驅動下，液晶屏有機發(fā)光物質的分子受到激發(fā)后，能夠從基態(tài)跳變到激發(fā)態(tài)，當受激分子又回到基態(tài)時輻射躍遷而產光現象。簡單來說就是有機發(fā)光二極管，具備自發(fā)光，不需要背光源，且對比度高，可以說，新一代的移動終端設備，大多采用OLED，也是未來的趨勢[5]。

圖4 顯示模塊原理圖

1.4 顏色傳感器模塊

本設計顏色傳感器采用TAOS公司推出8引腳SOⅠC表面式封裝的TCS230，如圖5所示，其在單一芯片上集成了紅色、綠色及藍色濾波器等類型的64個光電二極管[6]。在排序上交叉使用，能減少因為入射光投射的不均勻，從而提高顏色識別的精確度。通過設置S0、S1可編程引腳來選擇100%、20%、2%的輸出比例因子或掉電，通過設置S2、S3可編程引腳來選擇紅色、綠色、藍色濾波器或清除。

圖5 TCS230引腳功能

由圖5可知，當入射光投射到TCS230上時，依次選通3種顏色的濾波器，在OE使能端的控制下，對TCS230的輸出脈沖進行計數，經過電流到頻率轉換器后輸出不同頻率的方波，不同的顏色對應不同的頻率方波，以適應不同的需求。

1.5 語音模塊

WT588F02B-8S是廣州唯創(chuàng)電子有限公司最新研發(fā)的一款16位DSP語音芯片、內部振蕩32 MHz，16位的PWM解碼[7]。強大功能讓WT588F02B-8S成為語音芯片行業(yè)中的佼佼者。目前WT588F02B-8S，較高音質最大可以支持存放170 s語音內容（若客戶對音質沒有要求，最大可以存放320 s的語音內容）。WT588F02B-8S區(qū)別于傳統(tǒng)OTP芯片，最大的突破是客戶可以自己通過配套下載器實現在線更換芯片內部語音內容；并且芯片內置硬件SPⅠ、UART、ⅠⅠC和比較器等各類資源，可以為客戶定制各種不同的個性化功能產品[8]。圖6為語音芯片引腳封裝圖。

圖6 WT588F02B-8S引腳封裝圖

WT588F02B-8S有一線串口通訊模式和兩線串口通訊模式。兩線串口通訊模式可以通過控制器向CLK線和DATA線給WT588F語音芯片發(fā)送數據以達到控制的目的?？梢詫崿F控制語音播放、停止、循環(huán)等功能。兩線串口控制方式具有較好的抗干擾能力，一條指令最短時間為6.6 ms。本設計比較簡單，采用的是一線串口通訊模式。圖7為語音模塊外圍電路圖。

圖7 WT588F02B-8S硬件電路圖

電路設計布線時電容C1靠近WT588F芯片VDD腳1 cm內，以增強WT588F系列語音芯片的抗干擾能力。語音芯片的工作電壓范圍為2.0～5.5 V。

2 系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)的軟件設計部分主要分為3大功能模塊，分別為健康碼識別系統(tǒng)、非接觸體溫檢測系統(tǒng)和單向旋轉門閥控制系統(tǒng)。程序控制流程圖如圖8所示。主程序是通過被檢測人員進行待檢測區(qū)后，根據健康碼識別系統(tǒng)和非接觸體溫檢測系統(tǒng)對被檢測人員的健康狀況進行識別，得出被檢測人員是否符合疫情防控要求而做出相應的語音播報及燈光引導指示。單向旋轉門閥控制系統(tǒng)是由單向旋轉門、門閥及紅外對管模塊組成的，是防止不符合疫情防控要求的被檢測人員進入防疫通道，同時，也是為下一個被檢測人員進行待檢測區(qū)開啟通道。

圖8 程序控制流程圖

3 系統(tǒng)測試

為驗證所設計的控制系統(tǒng)是否滿足設計使用要求，將電腦USB接口通過數據線與Arduino控制器相連接，用杜邦線插入Arduino控制器，調試系統(tǒng)的各部分模塊功能是否能正常工作，經過驗證表明，超聲波傳感器、溫度傳感器、語音播報、燈光指示、閘門和門閥等各部分功能都能順利實現，如圖9所示，將所有的模塊都連接起來，進行整體聯合調試，調試結果良好，達到預期目標。

圖9 系統(tǒng)調試

4 結束語

系統(tǒng)設計是在實驗室環(huán)境下模擬小區(qū)場景進行測試，驗證所設計的根據被檢測人員的健康碼和體溫等健康狀況而自動控制防疫通道旋轉門開啟或停止的控制系統(tǒng)，利用超聲波傳感模塊、溫度傳感器模塊和紅外對管模塊所采集回來的信息，能夠自動控制單向旋轉門和語音播報指示被檢測人員。實驗證明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，識別精度很高，實用性價值很強。