面向公共场所的智能存取装置

李娜娜 张冬琴 孙淼 胡家豪 王桥 崔忠伟

摘要：国内外公共场所使用的挤压式洗手液可以起到清洁除菌的作用，但存在保存不当、取液不便、污染严重等问题。研发一款面向公共场所的智能存取装置，有效地解决了上述难题。该装置具备两个功能：IC卡确认管理员身份后，经STM32F103微控发出相应的指令，控制舵机打开装置盖，实现自动加液操作;红外传感器感应到需求后，STM32F103微控向继电器发送指令，继电器工作使蠕动泵释放洗手液。由此可达到封闭式存取、适时自动释放洗手液的目的。

关键词：洗手液;公共场所;智能存取;红外传感器;STM32F103;蠕动泵

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）03-0252-03

随着现代文明的发展和人们对环保健康的需求，洗手液作为日常生活中的必需品被大家普遍使用，特别是公共场所对于洗手液的需求更大。如果使用卫生质量不合格产品特别是使用细菌超标的洗手液，手会越洗越脏，给细菌提供再次传播污染的机会，从而引起疾病[1]。我们研发了一款面向公共场所的智能存取装置，该装置可以实现自动出液，达到取液方便、卫生快捷、低碳环保、避免交叉感染的效果。

1 系统总体设计

本系统拟研发一款物联网设备，其包含STM32F103微控、IC卡感应模块、红外传感器、蠕动泵、舵机。系统主要通过红外线传感器感应人手，发送给单片机，由单片机判断是否需要释放液体并传达给继电器，继电器控制蠕动泵开启，实现适时自动释放洗手液、封闭式存取的功能，达到避免传播细菌的效果。

其中，STM32F103微控是整个系统的核心，可对各个模块的请求发出相应的控制指令，是系统实现整体功能不可或缺的控制器;IC卡感应模块用于判断管理员的身份，管理员身份被确认后，舵机对系统装置执行开盖处理，方便管理员加液操作;红外传感器判断是否有人需要使用洗手液，当感应到手伸过来，则向微控发送信号，再由STM32F103微控向继电器发出指令，继电器收到指令后开始工作，此时蠕动泵通电，实现实时向用户投放洗手液的功能。

系统架构图如图1所示：

2 系统硬件设计

本系统所用元器件以及相应的性能参数如表1所示：

利用上表元器件對整个系统装置进行设计，其电路设计原理图如图2所示。

2.1 STM32F103微控制器原理

为了控制整个智能存取装置.达到低功耗、便于使用、结构简单易懂、性能好等效果，我们选用STM32F103微控作为该装置的控制模块。

STM32F103（Microcontrollers）的类型是一种集成电路（IC），是一款基于ARM Corex-M内核STM32系列的32位微控制器，其程序存储容量是64KB（64K x 8）。采用超大规模集成电路技术把中央处理器、随机存储器f其容量为20K x 8）、I/O口数量为37、中断系统、最多7个定时器以及计数器等部件组成，构成适用于各种场合、各类装置器件的多功能微控。体积小、结构简单、使用范围广是STM32F103微控制器的主要特点，具有编程方便，容易移植的优点[2-6]。

2.2 基于管理员的控制功能

管理员需要对洗手液装置进行添加洗手液操作。首先通过IC卡确认刷卡人的身份，不是管理员则无操作，若为管理员，则在STM32F103微控的控制下，利用舵机打开装置容器盖，管理员往装置内加入洗手液。实现管理员的控制功能采用如下三个模块：

（1）IC卡模块

为准确判断管理员的身份，需要保证装置能够精准识别、模块稳定且可靠，基于此，我们选用型号为MF RC-522 RC522的IC卡模块。本模块价格低廉、体积小同时拥有高性能，适用于各种基于ISO/IEC 14443A标准的非接触式通信场合。在本系统中通过串口通讯发送管理员信息给STM32F103微控[7-10]。

（2） STM32F103微控

在确认管理员身份后，需要对应的模块发出相关的控制指令。为实现此功能，选用STM32F103微控，将相关指令发送给舵机。

（3）舵机

IC卡发出开盖请求后，为实现感应舵机转动从而打开系统装置的功能，选用型号为MG995的舵机。该舵机的控制信号是周期为20ms的PWM（Pulse Width Modulaion，脉冲宽度调制）波，PWM信号的脉冲信号宽度为0.5ms时舵机转动的度数为0度，相应的其中的脉冲宽度为2.5ms时，舵机转动的度数为180度，装置要求的旋转度数根据用户自定义社进行设置。STM32F103微控通过PWM波控制舵机打开容器盖[11-12]。

2.3 基于用户的控制功能

本系统装置在STM32F103微控的控制下，利用红外传感器判断用户是否有使用洗手液的需求，若有需求，蠕动泵释放洗手液，达到方便用户健康使用洗手液的效果。实现用户的控制功能采用如下两个模块：

（1）红外传感器

为判断洗手液的使用需求，选用型号为E18-D80NK红外传感器。E18-D80NK是一种把发射和接收集成在一起的红外传感器，发射光在发出之前先进行调制，输出时通过接收头解调收到的反射光，这样就防止了可见光的干扰。在本设计中该模块通过数字信号的方式将请求发送到STM32F103微控[13-15]。

（2）蠕动泵

收到STM32F103微控发出的请求后，选用蠕动泵实现向用户投放洗手液的功能。蠕动泵由三个部分构成：驱动器，泵头和软管。它可以通过对软管的交替挤压来释放流体，具有无污染、密封性良好和维护简单等优点[16-17]。

3 系统软件设计

系统流程图如图4所示。

本系统可实现伸手出液以及识别加液两个功能：（1）启用系统时首先对系统进行初始化，初始化的成功与否决定系统能否正常使用;（2）若系统初始化成功，在装置有洗手液的情况下，通过红外传感器判断是否有用户伸手即有使用洗手液需求，若红外传感器检测到用户有使用需求，则STM32F103微控向继电器发出工作指令，此时蠕动泵通电释放洗手液，完成后用户可以正常使用洗手液;（3）若无使用需求且系统装置中无洗手液，IC卡模块判断有无刷卡操作，无刷卡操作，返回判断使用需求;有刷卡操作，判断当前是否为管理员，不是管理员返回判断使用需求，是管理员则舵机控制装置开盖，管理员添加洗手液。

4 结果与分析

本装置设计过程中需要对响应时间、液体流量、使用距离等进行验证测量，达到使用时实时自动出液且出液量适当的效果。红外传感器可识别距离在3-80cm之间，当有人手接近出液口，红外线光遇到人手时会将反射的光信号传回红外线接收头，光信号转换成电信号后再放大和整形，装置就得到了“有人接近”的信号，此时通过继电器控制蠕动泵动作便可打开出液口，在人手或物体离开后，将自动关闭。响应时间与液体流量取决于蠕动泵软管的粗细，如需要0.005-0.05ml/min时，从流量上看，能够使用THIOA+lxl，调速时，步进电机单位是O.1RPM（转，分钟），会以0.0042ml/min的倍数增长。装置的流量以及响应时间受蠕動泵的影响。

5 结束语

本装置实用价值高、受众广、结构简单，利用红外线传感器、STM32微控、电磁阀等，研发了这一款面向公共场所的智能存取装置，取得了良好的效果。实验表明，该装置实现无接触、无须按压的功能，达到伸手出液、低碳环保、有效抑菌的效果，有利于保护人们的健康。

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