智能防疫门禁装置的硬件设计与实现

乔 倩

(山西工程职业学院,山西 太原 030009)

0 引言

管控病毒传播为防疫的关键内容，目的为避免健康群体遭受影响[1-4]。智能门禁即前沿的安全管控技术，其中搭载了微机智能化识别技术以及安全管控技术等[5-6]，后疫情阶段对各个公共场合诉求人为的予以进出成员的体温检测、健康码的识别，这一模式潜在着交叉感染隐患，作业人员工作强度高，有可能存在工作疏漏等情况。本文设计了基于STC15的智能防疫测温门禁装置，通过该装置可以实现无接触测量人体体温、自动识别健康码颜色、人流计数、自动开启门禁、门禁状态反馈的功能，符合当前的防疫需要。

1 测量原理

1.1 红外测温原理

如果物体温度高于绝对零度情况下，则会往外传递电磁波，其大小和温度有着密切联系，同时和物体热力学温度4次方为正比联系，具体公式即：

E=σ.

这之中，E、K、、T分别指代辐射出射度，W/m3；σ=5.67×10-8W/(M2K4)为斯蒂芬——玻尔兹曼常数；环境温度、物体辐射率、物体温度。结合上述函数可得，得到的E，即为得出温度。结合这一机理制备红外温度感应设备，支持非接触检测。机体的温度一般恒定于36.5 ℃上下，机体能量的45%按照红外辐射的形式向外散发，由此可切实基于红外测温方式予以检测。

1.2 超声测距原理

机械振动频率一般为16～20000 Hz以内，人耳可以捕获的机械波即声波，大于20000 Hz的即超声波。超声波技术主要基于其反射、折射以及衰减等特性展开。

超声波测距主要依托超声波脉冲回波用时予以实现。假定超声波脉冲自感应模块产生至回收耗费的周期是t，则其于空气内的传递速率即c，可得感应模块间距目标对象的距离为D，即：

D=ct/2.

图1 超声波测距原理框图

1.3 MEMS陀螺仪测倾角原理

以往的陀螺仪，主要基于角动量守恒激励，其为持续性的转动的物体，转轴的指向与承载的支架转动没有必然联系。MEMS即凭借微机机械技术于硅片衬底内得到一可转动架构，结合科里奥利力—转动物体于有径向运动期间承载的切向力完成加速度等的检测，进而计算出角度变化。

2 系统设计

智能防疫测温门禁控制系统采用STC15W4K56S4单片机作为核心处理器，使用超声波测距仪测量距离，当检测到有人体接近至某一距离值以内时结束待机状态唤醒系统；可通过无接触式红外辐射传感器实现腕温/额温测量；通过图像传感器采集健康码颜色；CPU将测量值与预设值进行对比判断，若符合防疫要求，则控制开关“打开”，若不符合要求则开关仍处于“闭合”状态；红外对管计数器检测到有人员通过门禁后，计数加1；可通过与道闸同位安装的倾角传感器监测反馈门禁真实开关状态；以上测量值同步显示在液晶屏上。系统方框图如图2所示。

图2 总体设计方框图

3 详细设计

该系统由USB接口取电+5 VDC，经DC-DC电源转换芯片AMS1117-3.3处理后产生+3.3 VDC，形成电源回路，包括单片机、时钟模块、复位模块等共同构成了MCU系统，选用CH340G实现USB转TTL模式的串口设计烧录程序；再在外部引脚上分别连接红外辐射测温模块GY614V3DCC、超声波测距模块HC-SR04、倾角传感器JY60、摄像头模组OV7725(带FIFO)组成检测单元电路；连接电机28BYJ-48(带驱动板ULN2003)、液晶显示屏12864组成执行显示单元。其原理图如图3，图4，图5所示。

图3 电源转换电路

图4 USB转TTL程序下载电路

图5 最小系统、检测单元、执行显示单元电路原理图

3.1 红外辐射测温模块

非接触红外测温传感器模块GY614V3DCC测量系统简单、可以实现大面积测温，也可以是被测物体某一点的温度测量。该模块测温范围为0～60 ℃，测量精度±0.2 ℃，采用3～5 VDC供电，静态电流7 mA，在探头10 cm范围内可实现精准测量。模块连接单片机时，发送协议默认串口UART模式，建立通信后会自动输出数据。当PCB上ps焊点焊上时可改成IIC的通讯机制，其加工技术简便、成本也不高，响应时效性更高、不会对目标温场造成影响、更具耐用性、操作便利等特质。

3.2 超声波测距模块

该模块能够实现2 cm～400 cm的非接触形式的距离检测，精度更是达到3 mm，直流5 VDC电源，静态电流低于2 mA。模块涵盖了超声波发射单元、控制单元以及接收单元等。信息交互包含IIC以及UART两类模式，这之中后者模式主要围绕七个字节为一组，毫米为最低信息单位，双字节十六进制传导，前高后低。传递至模块最低10 μs的高电位，模块随即生成8个40 kHz的方波，分析其是不是存在信号反馈。存在信号返回，则结合输入输出端ECHO端口产生高电位，高定位持续周期即为超声波自发射至返回的周期。

3.3 图像识别模块

该模块为OV企业所推出的一款1/4寸的CMOS VGA图像感应模块。其规格不大，工作电压不高，搭载了VGA摄像以及分析等相关功能。可以产生整帧、子采样等形式的各类分辨率，10位以及8位的影像信息传递。全部的图像分析过程，包含白平衡、色度等等，均支持SCCB端口编译。此模块搭载了有源晶振，支持12 MHz始终为该模块的XCLK输入，搭载FIFO模块，容量达到384k字节，支持保存2帧的QVGA影像信息。

3.4 六轴姿态角度传感器

该模块为典型的高精度陀螺加速度分析模块，经由串口输出，能够抵御干扰、精度较好。模块之中搭载了稳压单元，支持3.3 V和5 V嵌入系统。引入了前沿的数字滤波技术，可切实减小噪音，提升测量精确性。其中更是集总了姿态解析模块、搭配动态卡尔曼滤波模块，可以于动态的背景下精确的得到模块当下的姿态。角度量程X、Z轴±180°，Y轴±90°。测量精度静态0.05°，动态0.1°。电气接口为串口(TTL电平)，波特率9600 kps。

3.5 红外对管计数模块

红外对管即红外线发射模块以及光敏接收模块，或是红外接收模块等融合应用的统称。红外发射模块即红外二极管构成发光体，基于红外辐射效能高的原料得到PN结，正向偏压往PN结传递电流促使其形成红外光，它的光谱功率分布即中心波长830～950 nm。LED表现为正温度参量，电流越高则温度越大，温度越大则电流越高，LED红外灯功率以及电流之间有着密切联系，如若正向电流高于限值情况下，则红外灯发射功率反倒是会降低。本文设计选用的红外对管技术参数如表1：

表1 红外对管模块技术参数表

3.6 显示模块

LCD模块用于显示智能防疫装置的提示信息、体温监测值等，此次引入了液晶显示模块。搭载中文字库的12864模块间距4位/8位并行、2线/3线串行端口模式，其中更是包含了国标一、二简体中文字库点阵图液晶显示单元，内部包含8192个16*16的汉字以及128个的16*8的ascii字符集，基于这一模块的多元化端口以及简易、便捷的操作代码，能够得到全中文人机交互图形页面。继而给出8*4行16*16的点阵字，也支持图形呈现。

3.7 步进电机

该电机为典型的四相八拍电机，支持直流5 V～12 V的电压。对该电机给予连串的不间断的控制脉冲情况下，可持续性的运行。各个脉冲信息对应步进马达的一相或两相绕组得电状态转换依次，即对应转子转动特定角度。如若得电模式转化经过一个周期，则转子经过特定的齿距。四相步进电机支持于各类通电状态下工作，典型的通电模式包含了单四拍、双四拍等等。该电机的关键技术参量以及特点如表：

表2 步进电机28BYJ-48技术参数表

ULN2003为典型的耐高压、大电流的复合晶体管形式，其中涵盖了7个NPN晶体管，每个达林顿管均串接以2.7 kΩ的电阻，于5 V的电压情况下可以和TTL以及CMOS回路接通，继而处理此前需求逻辑缓冲模块分析的信息。

4 结语

本文阐述了智能防疫测温门禁控制系统的开发背景、应用场景、系统设计、硬件详细设计，与配套的软件设计相结合，可实现根据温度、健康码颜色对人员自动分流的功能，该系统在当前疫情形势常态化的趋势下有较好的应用前景。如若把门禁系统扩增人脸识别等应用，则其安全性以及智能化水平势必会得到更大的提升。