基于STM32的红外智能测温闸机系统设计*

夏添卓 李 红

（平顶山学院信息工程学院 河南平顶山 467000）

随着经济全球化、全球各国交通运输业得到迅速发展，公共交通可承载的运输量也急剧增长，大大地方便了人口流动的同时也促进了经济的发展[1]。但是在一些特殊时期，范围广、规模大的人口流动带来的影响是极为严重的，如：呼吸道飞沫传染疾病流行时期。而目前来看，大部分的公共交通系统并没有一个有效且高效的乘客健康信息检测系统，在特殊时期普遍采用人工测温的模式，这样的工作模式可能会出现因为工作人员自身疏忽导致体温异常的乘客进入车站，且工作效率低，本身存在着一些局限性[2-4]。由此可见，建立一个将乘客身份验证、体温测量、闸门、云平台监控融合为一体的乘客健康状况检测系统就显得尤为重要。针对这一需求，设计了一款基于STM32的红外智能测温闸机系统。

1 系统总体设计

1.1 系统设计目标

本系统设计的需求主要是通过多种传感器与闸门的结合实现对车站进站闸门的智慧控制，其自动化程度高，提高了特殊条件下车站进站安检效率和可靠性，需要实现的功能包括：

1）身份识别

对进站的乘客身份进行验证，由于已购买车票的乘客身份卡信息已提前录入系统，则只有已购票的乘客才能通过身份验证，未购买车票的乘客则无法通过身份验证。

2）体温测量

已购票乘客完成身份验证后，需要对其体温信息进行采集，体温值正常的乘客最后才能通过闸门。

3）信息显示和提示

对身份验证和体温测量的结果分别进行实时地语音提示和OLED屏幕显示。

4）执行驱动

当乘客既通过身份验证且体温值也在正常范围内，则闸门模块开启，乘客进站，否则不然。

5）远程监控

系统结合WIFI模块，通过网络将系统传感器模块测量的有效数据上传至云平台，实现远程数据监控。

1.2 系统总体框架

使用 STM32F407最小系统为主控模块，结合射频读卡模块、红外测温模块分别对进站乘客身份和体温进行信息采集并进行分析和处理。同时为展示结果，使用单片机驱动OLED显示模块实时显示功能模块采集的信息和逻辑判断结果，驱动语音示警模块播报单片机对模块采集信息的逻辑判断结果所相对应的音讯。结合两项信息的采集、处理和分析后，单片机根据结果驱动门禁继电器模块开关闸门。最后，通过 WIFI模块将乘客的身份信息、体温信息上传至云平台。

系统总体设计框架如图1所示。

图1 系统总体设计框图

2 系统硬件设计

2.1 主控模块

本设计采用了STM32F407VET6单片机为主控芯片的最小系统板，该最小系统板自带多功能电路，如：晶振电路、复位电路、电源电路和 ADC转换电路等。选用该芯片可省去复杂外围电路的设计，减少开发成本的同时提高了系统的稳定性。此系统板具有低功耗、性能高、内部资源丰富，有大量的通用 I/O接口和外设接口，可以满足本次设计的需求。

2.2 射频读卡模块

身份信息验证模块选用了RFID RC-522射频读卡模块，它具备工作电压低、体积小、成本低等特点。其利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56 MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议[6]。支持快速加密算法，用于验证 MIFARE系列产品，双向数据传输速率可达424 kbit/s[7]。系统工作过程中，乘客首先需要进行身份验证，即：刷身份卡，射频读卡模块通过信息比对判断是否为有效卡，并将逻辑值返回单片机，进行下一步操作。射频读卡模块电路和实物图如图2所示。

图2 RFID射频读卡模块电路和实物图

2.3 红外测温模块

本设计的测温模块选用了 MLX90614系列的GY-906-BAA非接触式红外温度计。因为加入了一枚17bit ADC 信号调节芯片和其他性能高效的DSP组件，所以在测量温度时所得数据精度较高[8]。该模块可采用3～5 V供电，其测量数据范围是从-70.10℃到+382.19℃，在人体体温范围+32～+42℃时，测量的绝对精度为0.2℃。设计使用过程中，当对乘客的身份进行采集和验证后，系统需要对乘客的体温进行非接触式采集，并将采集的数据实时传回给单片机进行下一步的操作。红外测温模块电路和实物图如图3所示。

图3 红外测温模块电路和实物图

2.4 WIFI通信模块

通信模块为ESP8266-01S WIFI无线通信模块，模块内部集成超低功耗32位微型MCU，集成WIFI-MAC/BB/RF/PA/LNA自带板载天线[9]，支持标准的IEEE802.11n协议，完整的TCP/IP协议栈[10]，可以使用该模块为现有的设备添加联网功能。测试时给单片机写入程序，提前设置路由器名称和密码，上电后单片机发送AT指令，WIFI模块通过连接网络与云平台建立连接，系统部分模块数据可上传至云平台，实现对测温闸机系统的实时监控。WIFI通信模块电路和实物图如图4所示。

图4 WIFI模块电路与实物图

2.5 人机交互模块

人机交互模块包含：语音示警模块、OLED显示屏、门禁继电器。其中语音示警模块通过读取单片机对身份识别和体温测量结果发出的指令驱动语音示警模块播放相应的音频；OLED模块用于实时显示身份验证结果和测温模块测得的温度系数；门禁继电器模块，驱动继电器模块工作。语音示警模块电路与实物图如图5所示，OLED显示屏电路与实物图如图6所示，门禁继电器模块电路图如图7所示。

图5 语音示警模块电路与实物图

图6 OLED显示屏电路图与实物图

图7 门禁继电器模块电路图

3 系统软件设计

3.1 系统总体软件设计

根据系统的设计需求，系统的主程序包含三大子程序，即：身份信息识别子系统、红外测温子系统、WIFI联网子系统。首先，系统接通电源，先对整个系统进行初始化。按照使用指令依次进入各个子系统程序系统总体流程图，如图8所示。

图8 系统总体流程图

3.2 子系统软件设计

3.2.1 身份识别子系统程序设计

身份识别子程序设计如下：首先，系统上电后，对整个子系统和相应的单片机引脚进行初始化，然后循环采集身份卡信息并判断是否为有效卡，若为有效卡通过驱动语音示警模块播报“刷卡成功”，为无效卡则驱动语音模块播报“无效卡”。身份识别子模块流程图如图9所示。

图9 身份识别子模块流程图

3.2.2 红外测温子系统程序设计

红外测温子程序设计如下：对整个子系统与单片机引脚初始化，通过红外测温模块采集温度信息，同时驱动OLED屏实时显示温度系数，并判断温度值是否在正常范围之内。若温度正常，驱动语音示警模块播报“体温正常”，驱动继电器打开闸门；温度超过正常范围则驱动语音模块播报“体温异常”，不打开闸门。红外测温子系流程图如图10所示。

图10 红外测温子系统流程图

3.2.3 WIFI联网子系统程序设计

本设计中，单片机通过AT指令给WIFI发送命令进行握手，然后将相应传感器数据通过 WIFI传送到云平台。WIFI联网子程序流程图如图11所示。

图11 WIFI子程序流程图

4 系统测试

4.1 红外测温模块软件测试及结果分析

测试过程：将系统通电，使物体靠近红外测温传感器模块2cm左右，同时查看OLED显示模块显示的实时数据；通过更换温度不同的物体进行反复测量并记录数据值，最后分析数据结果并对程序进行相应的调整。测试结果：OLED正常显示测得温度。结果分析：结合测试结果，该模块符合本系统的测温功能需求。测试效果图如12所示。

图12 红外测温模块测试效果图

4.2 射频读卡模块软件测试及结果分析

测试过程：将系统上电，将身份卡放在射频读卡模块上，观察 OLED显示屏的结果。测试结果：OLED屏显示“OK”以及已提前配置好的身份卡密码。结果分析：结合模块的功能测试结果，该模块符合本系统的身份验证功能需求。

4.3 系统总体测试

测试过程：将系统上电，先刷身份卡，然后伸手测量体温，最后在Web上查看数据，对比系统实时测试的数据，完成整个系统的测试。测试结果：各模块正常工作，云平台能够实时显示系统的工作状态和记录。结果分析：根据系统测试结果，该系统基本符合设计各项需求。

系统测试效果如图13和图14所示。

图13 Web端数据显示

图14 历史温度检测记录折线图

5 结语

基于 STM32单片机 STM32F407VET6，配合MLX90614红外测温模块、RFID射频读写卡模块、JQ-6500语音模块、OLED显示模块、WIFI模块、继电器模块设计红外智能测温闸机系统。经各项测试验证，该系统能够实现集身份验证，体温测量为一体的功能，能够通过无线网将数据实时上传至云平台，并能实现相匹配的视觉显示、语音示警等功能，能够满足一般公共场所的使用需求。但是本系统的测温精度还有待提高，实际使用过程中的表现还有待加强，因此还需进一步的调试改进。