疫情防控人員出入管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

許崇彩，高海鶴，尹多多

（1.宿遷學(xué)院，江蘇宿遷，223800；2.宿遷學(xué)院產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，江蘇宿遷，223800）

0 引言

市面上有許多的人員出入管理系統(tǒng)，但它們的功能相對(duì)來說過于單一，有的出入系統(tǒng)在操作過程中需要用戶完成大部分復(fù)雜操作，比如需要人工來訪登記，并出示相關(guān)證件、健康碼和行程碼以備查驗(yàn)，這一點(diǎn)不但使得疫情防控效率降低，而且耗費(fèi)了大量的人力物力資源。同樣，繁瑣的流程使得出入口人員的進(jìn)出不流暢，從而引發(fā)人員聚集、耽誤行程、浪費(fèi)時(shí)間等問題。再后來出現(xiàn)了紅外感應(yīng)式出入管理系統(tǒng)，此系統(tǒng)打破了原始系統(tǒng)的繁雜程序，使得出入管理更加的快速、高效。但面對(duì)當(dāng)下新冠疫情的零散爆發(fā)，這些系統(tǒng)的功能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要的。因此，本次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要有非接觸式紅外測(cè)溫功能、體溫不合格報(bào)警功能、閘門控制出入功能以及藍(lán)牙實(shí)時(shí)傳輸信息等功能。

1 總體方案

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)以STM32 單片機(jī)作為微控制器[2~3]，由STM32 核心板、溫度傳感器、紅外對(duì)管傳感器、步進(jìn)電機(jī)模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊、藍(lán)牙無線傳輸模塊等構(gòu)成。

簡(jiǎn)單來說，當(dāng)紅外對(duì)管檢測(cè)到有人員經(jīng)過，通過紅外傳感器MLX90614 對(duì)出入人員進(jìn)行體溫的測(cè)量，以獲取出入口處人員的體溫?cái)?shù)據(jù)。完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后，由單片機(jī)將紅外傳感器測(cè)量到的數(shù)據(jù)寫入到傳感器的EEPROM 中，由單片機(jī)對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將其輸出到OLED 上，與此同時(shí)，若所測(cè)體溫合格，則蜂鳴器不報(bào)警，步進(jìn)電機(jī)工作來模擬閘門開啟；若所測(cè)體溫不合格，則蜂鳴器報(bào)警，步進(jìn)電機(jī)不工作模擬閘門關(guān)閉。即通過所測(cè)溫度，有效利用閘門管理人員的進(jìn)出。至于藍(lán)牙模塊起著尤為重要的作用，用于將以上的信息實(shí)時(shí)傳輸至管理人員的手機(jī)客戶端，便于工作人員及時(shí)地對(duì)突發(fā)情況進(jìn)行管控。

2 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

疫情防控人員出入管理系統(tǒng)的框圖如圖1所示。本次系統(tǒng)使用STM32 作為主要的微控制器芯片，系統(tǒng)通過數(shù)字紅外傳感器模塊將出入口人員的紅外輻射量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將其輸入到主控芯片中。步進(jìn)電機(jī)模塊用來模擬系統(tǒng)的閘門裝置，根據(jù)所測(cè)溫度是否合格來作出相應(yīng)的反應(yīng)。最后數(shù)據(jù)經(jīng)主控芯片計(jì)算后，在液晶屏上顯示出人體溫度數(shù)值。最后，通過藍(lán)牙電路模塊進(jìn)行無線傳輸，將實(shí)時(shí)信息反饋至終端，以便管理。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

■2.1 電電源機(jī)電模路塊

DC_IN1 和POWER 那是單片機(jī)的火牛接口，它是5V的，如圖2所示，其不能隨意亂接，不然會(huì)燒毀芯片。POWER1處是單片機(jī)的電源開關(guān)。當(dāng)電源接通時(shí)，D81 發(fā)光二極管發(fā)光，經(jīng)過一個(gè)3.3V的穩(wěn)壓芯片將5V 電壓轉(zhuǎn)為3.3V，于是這個(gè)電路即可以提供5V 和3.3V 兩種電壓。

圖2 供電電路

■2.2 復(fù)位電路

STM32的產(chǎn)生復(fù)位的條件是引腳產(chǎn)生低電平，其低電平復(fù)位電路如圖3所示，之前所學(xué)的51 單片機(jī)與之不同，當(dāng)按鈕按下，NRST 與GND 連接變低電平進(jìn)行復(fù)位。而該電路帶上電自動(dòng)復(fù)位的功能，當(dāng)接上電源3.3V 電路的C2電容先導(dǎo)通，此時(shí)NRST 接地是低電平；然后電容充滿相當(dāng)于斷路，此時(shí)NRST 是高電平。

圖3 復(fù)位電路

■2.3 晶振電路

晶振[4]在單片機(jī)里面起著至關(guān)重要的作用，它控制著單片機(jī)運(yùn)行的節(jié)奏，我們可以將它比喻成單片機(jī)的心臟，就跟我們?nèi)祟愐粯?，沒什么本質(zhì)區(qū)別，假如心臟沒有正常運(yùn)行，整個(gè)機(jī)體就不能工作。在單片機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)里面，機(jī)器運(yùn)行的快慢主要就是由晶振決定的，若它的振蕩頻率快，整個(gè)系統(tǒng)就運(yùn)行比較快；若它振蕩頻率低，系統(tǒng)就運(yùn)行慢。

在電路中，通常將晶振看作為由電容和電阻組成的二端網(wǎng)絡(luò)，從電路圖中能知道這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，分別為串聯(lián)和并聯(lián)諧振，串聯(lián)諧振的頻率比并聯(lián)的低。由于晶體自身的性質(zhì)，兩者的頻率差異不大。在這種狹窄的頻差區(qū)間，我們可以將晶體振作為一個(gè)電感。根據(jù)并聯(lián)諧振的特性，必須在晶振兩端并聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娙莶拍苄纬刹⒙?lián)諧振回路。STM32 微處理器內(nèi)有兩種晶體振蕩器，一種是為 RTC 提供脈沖，另一種是給系統(tǒng)使用的8MHz的高速晶振，晶振電路如圖4所示。

圖4 晶振電路

■2.4 MLX90614 紅外測(cè)溫模塊

紅外傳感器輸出的溫度信號(hào)由于很微小，并且容易受到外部噪聲的干擾，所以需要經(jīng)過內(nèi)部低噪聲運(yùn)算放大器將原本的信號(hào)放大，并且抑制噪聲后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)通過數(shù)字濾波器運(yùn)算后輸出，最終的運(yùn)算結(jié)果存儲(chǔ)在內(nèi)存中。MLX90614的工作原理圖如圖5所示。

圖5 MLX90614工作原理圖

MLX90614 是一款非接觸式紅外測(cè)溫傳感器[5]，由于其使用的是非接觸式測(cè)溫的手段，解決了傳統(tǒng)測(cè)溫手段的弊端，所以符合疫情防控期間的要求。此外，其還具有精度高、分辨率高、體積不大、便于集成、價(jià)格相對(duì)優(yōu)惠等特點(diǎn)。MLX90614 芯片的電路圖如圖6所示。

圖6 MLX90614芯片的電路圖

其引腳功能如表1所示。

表1 MLX90614引腳功能介紹

■2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

ULN2003[6]采用的元件是一套具有高通電流耐壓、大通電流耐壓復(fù)合晶體管的陣列。當(dāng)輸入端電壓源為極高電平輸入時(shí)，ULN2003 芯片的正向輸出端電源也可能為一個(gè)極低的電平輸出；但唯有當(dāng)其輸入端電壓值為低電平時(shí)，ULN2003的輸出端變?yōu)楦唠娖?。其中?nèi)部電機(jī)使用的是五相四線制步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)A、B、C、D 輪流輸出高低電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)一個(gè)步進(jìn)角度。此模塊的設(shè)計(jì)，用于模擬我們疫情防控系統(tǒng)中的閘門裝置，根據(jù)系統(tǒng)其他模塊所測(cè)情況，實(shí)時(shí)的開關(guān)閘門控制人員的進(jìn)出，有效實(shí)現(xiàn)疫情期間對(duì)人員出入的控制。ULN2003 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊如圖7所示。

圖7 ULN2003 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

■2.6 蜂鳴器超溫報(bào)警模塊

此處的蜂鳴器用來模擬系統(tǒng)的超溫報(bào)警模塊。當(dāng)紅外對(duì)管檢測(cè)到有人員進(jìn)出，此時(shí)，紅外傳感器對(duì)進(jìn)出人員進(jìn)行體溫測(cè)量。若所測(cè)體溫值超出報(bào)警值，單片機(jī)輸出信號(hào)，則蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，以提醒公共場(chǎng)所的管理人員采取措施。該報(bào)警模塊由蜂鳴器、電阻和PNP 晶體管組成。超溫報(bào)警模塊電路如圖8所示。

圖8 蜂鳴器超溫報(bào)警模塊電路

■2.7 藍(lán)牙無線傳輸模塊

本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的無線傳輸使用了藍(lán)牙模塊[7,8]的通訊方式，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)客戶端與單片機(jī)之間的無線通信。藍(lán)牙技術(shù)到目前為止可以說發(fā)展得十分成熟了，它是一種十分優(yōu)惠的連接技術(shù)，并且建立了一個(gè)獨(dú)一無二的短距離無線技術(shù)，用于固定和移動(dòng)設(shè)備。之所以選用藍(lán)牙技術(shù)來完成防控系統(tǒng)無線傳輸這一功能，是因?yàn)樗{(lán)牙的優(yōu)勢(shì)有很多。比如：藍(lán)牙技術(shù)的抗干擾能力和安全性都是很強(qiáng)的，其適用的設(shè)備多而廣，不需要電纜，只需通過無線將電腦和電信聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信。另外，其工作頻段全球通用，該產(chǎn)品使用起來方便等優(yōu)勢(shì)。

系統(tǒng)所選用的JDY-31 是經(jīng)典的藍(lán)牙協(xié)議，可以與支持藍(lán)牙的手機(jī)或者電腦進(jìn)行通信，滿足本次系統(tǒng)的功能需求，符合疫情防控的管理要求。JDY-31 藍(lán)牙模塊原理圖如圖9所示。

圖9 JDY-31藍(lán)牙模塊原理圖

■2.8 系統(tǒng)總體硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體硬件由STM32 核心板、獨(dú)立按鍵、蜂鳴器、OLED 顯示屏、紅外對(duì)管、紅外測(cè)溫傳感器、步進(jìn)電機(jī)、藍(lán)牙模塊組成。采用立創(chuàng)EDA 繪制的系統(tǒng)總體硬件電路原理圖如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)總體硬件電路原理圖

3 軟件程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用STM32單片機(jī)作為主控制芯片，利用Keil5 進(jìn)行程序編寫[9,10]。當(dāng)系統(tǒng)感應(yīng)到有人員進(jìn)出，且溫度正常就允許人員通過，并在上位機(jī)顯示有無人員、人員的溫度，以及閘門的開啟與關(guān)閉等情況；當(dāng)檢測(cè)到有人員經(jīng)過且溫度過高的話，系統(tǒng)將向上位機(jī)發(fā)出警報(bào)，以此提醒工作人員。另外，以上所得信息，系統(tǒng)都會(huì)通過藍(lán)牙無線傳輸功能，實(shí)時(shí)傳輸至我們管理人員的手機(jī)客戶端，這樣便大大提高了疫情防控期間各個(gè)公共場(chǎng)所對(duì)人員出入的管控。主程序流程圖如圖11所示。

圖11 程序流程圖

系統(tǒng)上電以后，首先對(duì)系統(tǒng)的主程序及各個(gè)模塊進(jìn)行初始化。初始化就是將變量賦為默認(rèn)值，將控件設(shè)為默認(rèn)狀態(tài)，簡(jiǎn)言之，就是將未準(zhǔn)備好的準(zhǔn)備好。負(fù)責(zé)初始化的函數(shù)有：

SysTick_Init(72);//系統(tǒng)滴答定時(shí)器初始化

Delay_Init();//延時(shí)程序初始化

Led_Init();//LED 初始化

Usart2_Init(9600);//串口2中斷初始化，波特率9600bps

Usart1_Init(115200);//串口1 中斷初始化，波特率115200bps

OLED_Init();//OLED 屏幕初始化

RTHW_Init();//RTH 初始化

FMQ_Init();//FMQ 初始化

BJDJ_Init();//步進(jìn)電機(jī)初始化

KEY_Init();//按鍵初始化

SMBus_Init();//SMB 初始化

分別對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、延時(shí)、LED、串口通信、OLED，按鍵等函數(shù)進(jìn)行初始化，讓系統(tǒng)能夠正常開始工作。其中串口初始化，波特率設(shè)置為115200bps，系統(tǒng)時(shí)鐘倍頻為72MHz，經(jīng)過36000 分頻后，單位時(shí)間為500μs，系統(tǒng)設(shè)置2000 為重載值。則每一個(gè)中斷周期為500μs×2000 = 1s。

本次疫情防控人員出入管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用藍(lán)牙進(jìn)行上位機(jī)的通訊，該手機(jī)APP 采用MIT APP Inventor 創(chuàng)建。該APP的設(shè)計(jì)，用于將整個(gè)系統(tǒng)所測(cè)得的人員出入的相關(guān)信息實(shí)時(shí)反饋至手機(jī)客戶端，便于人員出入的嚴(yán)格管控。選用APP Inventor 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易APP，是因?yàn)樗且环N更容易為安卓智能手機(jī)編寫應(yīng)用的軟件工具。APP Inventor中的編寫程序方法與傳統(tǒng)的編寫代碼方法不一樣，它是由可視化的指令模塊，用模塊的拼接來定義不同的功能，簡(jiǎn)單來說，就是將不同圖形的代碼塊的組件拖拽到一起，從而生成一個(gè)應(yīng)用。APP 界面布局如圖12所示。

圖12 APP界面布局

系統(tǒng)調(diào)試中，首先選擇體溫正常的人員進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)紅外對(duì)管檢測(cè)到有人員經(jīng)過，且通過紅外測(cè)溫傳感器測(cè)得人員體溫為37℃。此時(shí)，溫度合格，且步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)表示閘門開啟。并且，系統(tǒng)所測(cè)得信息，能夠在OLED 顯示器上正常顯示。由此可見，系統(tǒng)正確判讀了當(dāng)前情況。如圖13、14所示。

圖13 體溫合格時(shí)硬件狀態(tài)

圖14 體溫合格APP狀態(tài)

測(cè)試中，再次，選擇體溫不合格的人員進(jìn)行模擬超溫情況，當(dāng)紅外對(duì)管檢測(cè)到人員進(jìn)出時(shí)，且通過紅外測(cè)溫傳感器測(cè)得人員體溫為39℃。此時(shí)，溫度不合格，且步進(jìn)電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)表示閘門關(guān)閉，與此同時(shí)，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警。并且，系統(tǒng)所測(cè)得信息，能夠在OLED顯示器上正常顯示。由此可見，系統(tǒng)正確判讀了當(dāng)前情況。如圖15、16所示。

圖15 體溫不合格時(shí)硬件

圖16 體溫不合格APP狀態(tài)

4 結(jié)論

本文針對(duì)疫情零散暴發(fā)的情況下各大公共場(chǎng)所的人員出入的問題進(jìn)行探討，選擇基于STM32 單片機(jī)而設(shè)計(jì)的疫情防控人員出入管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)既能控制人員進(jìn)出，也能有效地對(duì)人體進(jìn)行一個(gè)體溫的檢測(cè)，更方便的是，當(dāng)管理人員不在場(chǎng)的情況下，也能實(shí)時(shí)查看當(dāng)前的一個(gè)狀況。該系統(tǒng)也可廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)、海關(guān)、車站等人口密集地區(qū)的人員出入口。

最后，對(duì)硬件與軟件逐步進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)基于STM32 單片機(jī)的疫情防控人員出入管理系統(tǒng)，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，功能齊全，符合當(dāng)前社會(huì)需求。