核酸檢測排隊(duì)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜永星，楊延寧，2，雷文禮，2，馮樹棟，董晨樂

（1.延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000；2.南昌理工學(xué)院，江西 南昌 330044）

0 引 言

近3年來，新冠疫情病毒席卷全球，在2020年3月底，美國政府曾援引數(shù)據(jù)模型預(yù)測，美國將有10萬～24萬人死于新冠肺炎疫情。截至當(dāng)?shù)貢r(shí)間2022年5月4日，美國累計(jì)新冠肺炎確診病例超過8 000萬例，死亡病例[1-2]超過100萬例。為了更好地阻止疫情的蔓延，核酸檢測成為必不可少的環(huán)節(jié)。在核酸檢測排隊(duì)過程中，除了做好自身防護(hù)措施外，如果沒有保持適當(dāng)?shù)拈g距，就非常容易造成群體性的相互感染。

2021年8月，江蘇南京和揚(yáng)州兩個(gè)地方接連因核酸檢測引發(fā)感染事故，一名2歲兒童隨家人做核酸時(shí)，因排隊(duì)期間與確診病例近距離交談后被感染。

另外，7月29日，江蘇省揚(yáng)州市廣陵區(qū)某村核酸檢測點(diǎn)設(shè)置不規(guī)范、現(xiàn)場組織混亂，導(dǎo)致在該檢測點(diǎn)與王某（被確診為新冠肺炎病例）密切接觸的23名人員被感染，“一米線”形同虛設(shè)，導(dǎo)致在排隊(duì)過程中造成了相互感染的嚴(yán)重后果[3-4]。

在實(shí)際的核酸檢測過程中，雖然要求隊(duì)伍間隔為1 m，但大多情況下并不能引起人們的重視，需要醫(yī)護(hù)人員和志愿者不斷地提醒和強(qiáng)調(diào)。此外，由于全員核酸檢測人數(shù)眾多，醫(yī)護(hù)人員人數(shù)有限，不能時(shí)刻對檢測隊(duì)伍進(jìn)行整理，如果在核酸檢測過程中存在體溫異常甚至是陽性人員，那么近距離的接觸就會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果。

為了減小核酸檢測排隊(duì)過程中相互感染事件的發(fā)生，本文設(shè)計(jì)一種核酸檢測排隊(duì)預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)搭載超聲波測距傳感器、紅外測溫傳感器以及自動(dòng)報(bào)警裝置，對核酸檢測隊(duì)伍中人們的體溫以及間距進(jìn)行監(jiān)測，通過對被檢測隊(duì)伍設(shè)定間距的提醒以及個(gè)人體溫的測量，能夠使醫(yī)務(wù)工作者對核酸檢測隊(duì)伍的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而減小醫(yī)護(hù)人員、社區(qū)工作者、志愿者等應(yīng)對核酸檢測隊(duì)伍的壓力。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文系統(tǒng)選用STM32F103C8T6微處理器作為主控制器；選用HC-SR04超聲波模塊作為測距傳感器，用于對核酸檢測隊(duì)伍間距的測量；選用MLX90614芯片作為紅外溫度傳感器的核心芯片，用于對隊(duì)伍人員的體溫進(jìn)行測量；NV020C語音模塊負(fù)責(zé)對間距進(jìn)行語音提示；蜂鳴器與ZigBee模塊負(fù)責(zé)對異常體溫?cái)?shù)據(jù)的報(bào)警和數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)原理框圖

首先通過按鍵控制模塊設(shè)置溫度的上下限和隊(duì)伍間隔距離下限，并將MLX90614紅外溫度傳感器采集到的人體溫度通過串口發(fā)送給STM32F103C8T6微處理器；當(dāng)溫度超過設(shè)置的閾值范圍時(shí)，觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)LED指示燈以間隔500 ms的時(shí)間快速閃爍，MCU通過串口通信觸發(fā)ZigBee通信模塊向管理員手機(jī)發(fā)出短信預(yù)警。

另外，通過HC-SR04超聲波測距模塊測量兩個(gè)人之間的間隔距離，并通過串口將距離數(shù)據(jù)發(fā)送至微處理器，當(dāng)間隔距離小于設(shè)置距離時(shí)，會(huì)觸發(fā)NV020C語音模塊發(fā)出提示語音，提醒人們注意保持一定的間隔距離。最后，通過OLED模塊對測量到的溫度數(shù)據(jù)和間隔距離進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，以方便人們查看自身狀況并及時(shí)調(diào)整。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 超聲波測距

2.1.1 超聲波測距原理

HC-SR04超聲波測距原理是：超聲波在空氣中傳播速度已知，根據(jù)聲波信號發(fā)射端和接收端的時(shí)間差來計(jì)算被測物體與檢測裝置距離的[5]。若要測量出兩個(gè)人之間的間隔距離，就需要采用間接測量法來實(shí)現(xiàn)。通過在小車上面搭載2個(gè)HC-SR04模塊，當(dāng)模塊1接收到返回信號時(shí)候，舵機(jī)便會(huì)帶動(dòng)模塊2順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)角度α，直到檢測到第2個(gè)人，小車可以近似看成一個(gè)點(diǎn)，因此可由人與小車之間的距離x1和x2的大小計(jì)算出兩個(gè)人之間的間距L。

間隔距離示意圖如圖2所示。

圖2 間隔距離示意圖

2.1.2 PID控制算法

在控制模塊2（超聲波傳感器）轉(zhuǎn)向的舵機(jī)中加入PID控制算法，通過PID算法來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，進(jìn)而提高模塊2的穩(wěn)定性。PID控制算法簡稱PID控制，在過程控制中，根據(jù)系統(tǒng)的偏差，按比例（P）、積分（I）和微分（D）計(jì)算出控制量進(jìn)行控制[6]。PID算法公式如下：

式中：KP為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常量；TD為微分時(shí)間常量。

通過計(jì)算先得到偏差值Δe(t)，通過比例控制（P），選取合適的比例系數(shù)KP，使誤差KP·Δe(t)不斷地靠近0，從而使舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的震蕩減到最??；利用微分（D）來提升舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性，通過微分控制，使誤差Δe(t)曲線的斜率不斷趨于0，相當(dāng)于增加了系統(tǒng)的阻尼程度，直到斜率為0時(shí)才會(huì)停止；積分（I）的主要作用是消除靜差，因?yàn)楫?dāng)誤差曲線斜率為0時(shí)，并不代表著誤差為0。此時(shí)通過積分控制、微分控制以及比例控制三種方式的疊加[7]，就能夠使舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性得到很大的提升。

2.1.3 超聲波測距電路圖

HC-SR04超聲波傳感器具有高精度和穩(wěn)定的讀數(shù)[8-9]，是一款具有2～400 cm的非接觸式遠(yuǎn)距離測距傳感器[10]，可以實(shí)現(xiàn)要求間隔內(nèi)的測距功能。超聲波測距電路圖如圖3所示。

圖3 超聲波測距電路圖

超聲波測距電路中包括超聲波發(fā)射器和接收器兩部分，當(dāng)脈沖觸發(fā)引腳（Trig）接收到單片機(jī)發(fā)送的10μs以上的高電平信號后，會(huì)開始發(fā)射出一段40 kHz的超聲波信號，此時(shí)發(fā)射端處于高電平，同時(shí)接收端（Echo）也由低電平變?yōu)楦唠娖健＝邮斩私邮盏椒祷氐某暡ㄐ盘柡?，接收端的電平由高變低。接收端處于高電平的這段時(shí)間即為超聲波的傳播時(shí)間，可通過簡單計(jì)算得出小車與人之間的距離。

2.2 紅外測溫

MLX90614是一款紅外非接觸溫度計(jì)，傳感器工作環(huán)境溫度范圍為-20～120℃，測量解析度為0.14℃。MLX90614應(yīng)用了SMBus和PWM兩種數(shù)字輸出方式[11]，本文設(shè)計(jì)采用的是SMBus輸出模式與單片機(jī)系統(tǒng)相連，通過對應(yīng)程序設(shè)置內(nèi)部相關(guān)參數(shù)以及溫度閾值。SMBus模式下的MLX90614電路連接圖如圖4所示。

圖4 SMBus模式下的MLX90614電路連接圖

由于MLX90614具有非接觸性、響應(yīng)快、范圍廣以及高精度的溫度測量等優(yōu)勢，使得該傳感器應(yīng)用非常廣泛[12-13]。

本文利用紅外測溫傳感器與1號超聲波模塊方向保持一致，對檢測到的人進(jìn)行體溫測量。

2.3 語音模塊

語音模塊選用的是NV020C，該芯片是一款性能穩(wěn)定、控制方便的多功能語音芯片，而且其有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力和良好的耐溫和耐壓性，正常工作范圍[14]在2～4.5 V?？刂茊卧∕CU）通過一線串口方式對語音模塊進(jìn)行控制，PA1端口通過數(shù)據(jù)線與控制單元相連，控制單元對PA1口進(jìn)行信號傳輸，進(jìn)而控制語音系統(tǒng)的播放與暫停。

語音模塊電路圖如圖5所示。

圖5 語音模塊電路圖

2.4 ZigBee無線通信模塊

ZigBee是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)[15]。ZigBee、無線局域網(wǎng)以及藍(lán)牙這幾種短距離的通信方式都有在其特定領(lǐng)域的優(yōu)勢，而ZigBee通信模式與其他兩種模式相比，主要是為低成本、低數(shù)據(jù)傳輸速率以及超低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)的。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)通過簡化通信協(xié)議和降低數(shù)據(jù)速率，有助于降低應(yīng)用成本。

本文系統(tǒng)采用的是以CC2530芯片為核心的ZigBee無線通信模塊，其有著非常優(yōu)良的RF無線射頻收發(fā)器。以CC2530芯片為核心的ZigBee模塊通過串口與MCU相連，CC2530芯片的PA_EN、LNA_EN、HGM 3個(gè)管腳控制著芯片的工作狀態(tài)，當(dāng)LNA_EN處于高電平且HGM處于低電平時(shí)，芯片為接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)；當(dāng)PA_EN處于高電平且LNA_EN處于低電平時(shí)，芯片處于發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)。本文通過CC2530將MCU處理的數(shù)據(jù)打包，通過協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)與手機(jī)之間的通信。

3 軟件設(shè)計(jì)流程

首先在MCU中對各個(gè)系統(tǒng)模塊進(jìn)行初始化，通過按鍵對溫度數(shù)據(jù)的下限和間距數(shù)據(jù)的閾值進(jìn)行設(shè)定；然后MCU向兩個(gè)傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令。

超聲波測距傳感器接收到數(shù)據(jù)采集命令后，開始驅(qū)動(dòng)1號超聲波傳感器模塊工作，當(dāng)1號模塊檢測到第1個(gè)人時(shí)，小車停止前進(jìn)，系統(tǒng)開始驅(qū)動(dòng)2號超聲波傳感器模塊工作，模塊2開始向著小車前進(jìn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中系統(tǒng)判斷是否檢測到了第2個(gè)人，若沒有檢測到則模塊2繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)；否則就進(jìn)行下一步。通過計(jì)算得出間距L的值，并且與開始設(shè)定的間距下限比較，若L大于設(shè)定值，就直接在OLED上顯示測試數(shù)據(jù)；否則就會(huì)驅(qū)動(dòng)NV020C語音模塊發(fā)出提示音，提醒隊(duì)伍間距過小，請保持適當(dāng)?shù)拈g距，最后通過OLED顯示當(dāng)前測試數(shù)據(jù)。

超聲波傳感器數(shù)據(jù)采集流程如圖6所示。

圖6 超聲波數(shù)據(jù)采集流程

體溫?cái)?shù)據(jù)采集流程如圖7所示。

圖7 體溫?cái)?shù)據(jù)采集流程

MCU與MLX90614的輸入端口（SCL）和輸出端口（SDA）相連，通過SCL端口讀取MLX90614所測量的溫度信息，再通過SDA端口發(fā)出指令。然后系統(tǒng)對讀取到的溫度信息做出判斷，如果體溫測量值在設(shè)定的溫度閾值范圍內(nèi)，只需要在OLED上顯示當(dāng)前的體溫值；若超出了閾值范圍，除了OLED顯示之外，系統(tǒng)還會(huì)驅(qū)動(dòng)LED指示燈閃爍以及蜂鳴器模塊發(fā)出警報(bào)，并通過ZigBee模塊向后臺(tái)管理人員發(fā)出短信預(yù)警。

4 測試與分析

為了檢測系統(tǒng)的測量精度，選取8個(gè)人的隊(duì)伍進(jìn)行裝置測試，設(shè)置溫度閾值范圍為35.0～36.0℃，設(shè)置間距范圍為100.0 cm。本文測試所選取的環(huán)境為平坦的室內(nèi)環(huán)境，較為復(fù)雜的外部環(huán)境暫不考慮。測試數(shù)據(jù)對比如表1所示。

通過對表1測試數(shù)據(jù)的分析可知：由于溫度上限設(shè)置的是36.0℃，當(dāng)測試溫度超過36.0℃而測試間距小于100.0 cm時(shí)，LED閃爍發(fā)出體溫預(yù)警；當(dāng)測試間距超過100.0 cm而測試體溫小于36.0℃時(shí)，語音模塊發(fā)出間距提醒；當(dāng)測試間距與測試體溫都超過閾值時(shí)，語音模塊的間距提醒和LED的體溫預(yù)警會(huì)同時(shí)發(fā)生。

表1 測試數(shù)據(jù)對比結(jié)果

通過測試數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)的對比，測試溫度與實(shí)際溫度的誤差為±0.2℃，測試距離與實(shí)際距離的誤差為±0.4 cm。在平坦的室內(nèi)環(huán)境中，小車能夠隨指令正常地從隊(duì)頭移動(dòng)到隊(duì)尾，紅外測溫模塊能始終與1號超聲波模塊保持一致，對同一個(gè)人進(jìn)行測溫與測距。當(dāng)系統(tǒng)在進(jìn)行測量工作或接收到異常數(shù)據(jù)時(shí)，小車會(huì)停止前進(jìn)，系統(tǒng)的預(yù)警模塊開始工作，間距小于設(shè)定值時(shí)，語音模塊就會(huì)發(fā)出間距提醒；體溫?cái)?shù)據(jù)異常時(shí)蜂鳴器就會(huì)發(fā)出體溫預(yù)警，并且在手機(jī)上能夠接收到“體溫異常，請及時(shí)處理”的預(yù)警短信。

綜上可知，本文所設(shè)計(jì)的裝置在排隊(duì)距離監(jiān)測、溫度監(jiān)測以及預(yù)警等方面都有很高的精度，可以應(yīng)用于實(shí)際核酸檢測過程中的測距與測溫環(huán)節(jié)。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)一種核酸檢測排隊(duì)監(jiān)測系統(tǒng)，通過MLX90614紅外測溫傳感器以及HC-SR04超聲波測距傳感器對人們的體溫以及隊(duì)伍間距進(jìn)行監(jiān)測，系統(tǒng)具有易操作、速度快、穩(wěn)定性好以及精度高等特點(diǎn)。當(dāng)MCU檢測到異常的數(shù)據(jù)信息時(shí)能及時(shí)反饋，能夠滿足日常核酸檢測過程中醫(yī)護(hù)人員對核酸檢測隊(duì)伍的實(shí)時(shí)監(jiān)測，減輕醫(yī)護(hù)人員壓力，提高效率。針對本文系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還存在著許多不足，比如在路況較為復(fù)雜的場景下，該系統(tǒng)就不能精確地進(jìn)行核酸排隊(duì)檢測，需要對系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)。