基于单片机的公共交通枢纽疫情防控系统

宋汶凯

（山东理工大学，山东 淄博 255000）

0 引言

新冠肺炎是近代人类遭遇的规模最大、危害最严重的公共传染病，其严重威胁了人民的身体健康和生命安全。而作为人员大量聚集且复杂的交通枢纽便成了疫情防控的重点地区。目前，国内、国外的疫情防控检测设施存在类型单一、功能简单、设备价格昂贵、效率低以及实用性不强等问题。根据客观需要，该文结合单片机最小系统、机器学习以及多种检测技术设计了一款实用性强的综合性智能公共交通枢纽疫情防控系统，该系统可以实时开展进站人员健康状态检测和雾化消毒工作，对健康状态异常人员给予报警与显示。该系统的具体功能如下：1） 人员进站检测。通过超声波探测技术判断是否有目标进入区域，及时向处理器反馈检测信息，控制下层系统的开机、关机。2） 目标人员是否佩戴口罩检测。通过OpenMV4 Plus和数字图像处理对人脸信息进行采集与分析。3）红外测温模块。采用MLX90614红外测温传感器进行非接触式测温，它可以保证数据的可靠性。4）雾化消毒模块。采用单片机驱动超声波雾化消毒器，实用性强，可人为设置消毒时间，且消毒效果好。5） 门禁模块。通过单片机驱动ASMG-MTB舵机进行开门、关门，实现对人员进站进行把控的目标。

1 系统总体设计方案

系统总体方案分为不同层级，每层又包括不同子模块，按从上层到下层的顺序依次检测，既可以减少系统的工作量，又可以节约电能，当目标人员健康状况符合该层级标准时，下一层级开始工作，对人员进行检测，当目标人员健康状况至少有1项不符合标准时，则发送报警信息，交由工作人员进行处理。基于单片机的公共交通枢纽疫情防控系统以STM32单片机为核心，由数字图像处理与分析以及多种高精度传感器组成，其具有5个功能模块，系统流程如图1所示。

图1 公共交通枢纽疫情防控系统流程图

1.1 基于超声波探测的人员进站检测模块

该模块主要由2个部分组成，分别为STM32单片机最小系统和超声波传感器。通过超声波实时检测，根据超声波返回时间来判断是否有目标人员进入区域，如果没有目标人员进入， 就保持检测，其他模块保持待机；如果有目标人员进入，则系统开机，开始工作。

1.2 基于数字图像处理的人员是否佩戴口罩检测模块

该模块主要由3个部分组成，分别为OpenMV4 Plus信息采集模块、数字图像处理与分析模块以及蜂鸣器。通过OpenMV4 Plus信息采集模块对目标人员的图像进行采集，系统追踪目标人员，将目标区域定位至人脸，通过训练OpenMV4 Plus神经网络模型得到高精度的检测算法，结合系统的判断逐步确定目标人员是否佩戴口罩，对未佩戴口罩的人员进行报警，并通知工作人员；已佩戴口罩的人员则进行下一步检测。

1.3 基于红外测温传感器的测温模块

该模块主要由3个部分组成，分别为单片机最小系统、MLX90614红外测温传感器以及蜂鸣器。该模块通过MLX90614红外测温传感器进行非接触式测温，通过目标人员红外辐射能量的强弱、人体温度与波长分布的关系对人体表面温度进行测量，它在保证数据的可靠性的同时，还可以提高工作效率。如果目标温度超过设置的阈值，就报警；如果目标温度没有超过设置的阈值，则进行下一步处理。

1.4 基于超声波雾化消毒器的消毒模块

该模块主要由2个部分组成，分别为单片机最小系统、超声波雾化消毒器。该模块根据上层传来的指令，通过单片机驱动超声波雾化消毒器，实用性强，可人为设置消毒时间，且消毒效果好。

1.5 基于单片机的门禁模块

该模块主要由2个部分组成，分别为单片机最小系统、舵机。该模块根据上层传来的控制信息，当目标人员检测状况至少有1项不符合标准时，门禁模块保持关门，发出报警信息，由工作人员进行处理，当目标人员检测状况全部符合规定标准时，舵机工作，人员放行。

基于单片机的公共交通枢纽疫情防控系统效果如图2所示。

图2 系统效果图

2 基于单片机的公共交通枢纽疫情防控系统模块

2.1 超声波人员进站检测模块

该模块以单片机为控制核心，以超声波传感器作为组成部分，以串口收发作为传输接口，通过串口进行数据通信，采用超声波传感器来实现对车站、机场以及地铁站等公共交通枢纽进站人员进行检测的功能。在系统开始工作后，由单片机发出指令，超声波传感器内部的压电晶片根据电压的变化做出响应，当压电晶片弯曲振动时，就会发出超声波，超声波发出的同时开始计时，当碰到障碍物时，超声波就会被反射回来，接受部分由换能器和放大电路组成，当超声波传感器的压电晶片部分接收到返回的超声波振动时，就会产生1个电信号，经放大器放大后，交由检波电路检波，再放大后，就会产生1个回波脉冲，当换能器接收到返回的超声波时就停止工作，通过公式计算距离，如公式（1）所示。

式中：为距离，m；为声速，m/s；为时间，s。

即为检测设备到障碍物的距离，因为使用范围是不变的，所以检测距离也是恒定的，当检测范围内出现目标人员移动时，计算得到的距离就会发生变化，系统做出响应，传送指令，控制下层系统开机，这样系统既可以做到及时响应，又可以节省资源。

在单片机的配置过程中，将VCC接5 V电压，GND接地，Trig触发控制信号输入，接PD5，配置为高电平并保持至少10 μs，将ECHO接PD3，控制信号输出。控制传感器发出8个脉冲的声波，单片机在脉冲调制电路中，以控制定时器的复位端，使定时器分时工作，进而产生脉冲频率为40 kHz 、周期为30 ms的方波，处理器实时检测信号的返回，通过I/O口的ECHO产生高电平，统计高电平的时间，该时间就是超声波的传播时间，处理器调用公式计算便可输出距离。当检测到距离发生变化时，下层系统开始工作，继续保持探测；当距离没有变化时，下层系统待机，超声波传感器保持探测。超声波探测程序关键语句如下。

GPIO_SetBits(dist_Trig_PORT，dist_Trig_Pin);

delay_nus(10);

GPIO_ResetBits(dist_Trig_PORT，dist_Trig_Pin);

delay_nus(100);

while(GPIO_ReadInputDataBit(dist_Echo_PORT， dist_Echo_PIN) == 0);

TIM_Cmd(TIM4，ENABLE);

while(GPIO_ReadInputDataBit(dist_Echo_PORT， dist_Echo_PIN));

TIM_Cmd(TIM4,DISABLE);

count = TIM_GetCounter(TIM4);

dis = (int)count/60.034;

2.2 进站人员是否佩戴口罩检测模块

该模块由OpenMV4 Plus信息采集模块、数字图像处理和分析模块组成。OpenMV4 Plus使用了STM32H7微控制器，在480 MHz的主频上工作，它的MCU芯片是STM32，因此它相当于集成了图像处理算法的可编程单片机，可以通过IIC、SPI、UART以及I/O直接进行通信、数据传输，它可以完成寻找色块、边缘检测以及标志跟踪等任务，因此可以用它来实现人脸检测、目标物跟踪等功能。它还配有基于caffe深度学习框架的cnn神经网络架构，智能程度很高，可以根据用户的需要配置OpenMV4 Plus，以完成特定的操作，OpenMV4 Plus采集图像信息后，将图像交由计算机进行数字图像处理与分析。

口罩检测需要利用EDGE IMPULSE在线网站通过迁移学习训练神经网络来得到符合要求的OpenMV4 Plus神经网络模型，并将系统部署到OpenMV4 Plus。利用OpenMV4 Plus对图像进行采集，分别采集1 000张各个年龄段男性、女性戴口罩和不戴口罩的图像，并将图像传至EDGE IMPULSE进行训练，从而保证训练集的基数数量可以满足要求，进而保证训练结果的可靠性。目前，常用的神经网络处理算法有Mobilenet、InceptionV4等。通过选择合适的优化器和充分的训练使Loss的值逐渐变低、accuracy的值逐渐增高，当算法的准确度达到要求时，系统会自动停止训练。

通过导流板实现人员排队进入、依次检测的目标，OpenMV4 Plus对人脸进行图像采集后，将数据传至计算机，系统自动通过神经网络的训练结果进行识别，并在串行终端输出判断结果，如果检测结果为目标人员已佩戴口罩， 就进行下一模块检测；如果检测结果为目标人员未佩戴口罩，则发送报警信息，由工作人员介入。

2.3 红外测温模块

该模块以单片机为控制核心，以MLX90614红外测温传感器、蜂鸣器为组成部分。传统的测温方式分为2种，即接触式测温和非接触式测温。在以疫情为背景的大前提下，接触式测温就存在安全隐患，因此红外测温便成为主流。MLX90614红外测温传感器利用波长与温度的联系以及与人体辐射的红外能量大小的关系对温度进行测量。它性能优良，可以直接产生线性或近似线性的信号。在理想情况下，输出电压如公式（2）所示。

式中：为被测物体温度，K；为传感器自身温度，K；为元件的灵敏度常数。

MLX90614红外测温传感器的SCL、SDA管脚连接单片机的普通I/O口，通过这2个接口实现MCU与传感器间的数据通信，因为传感器的输入、输出接口是漏极开路结构，所以需要增加上拉电阻。MLX90614产生的温度信号经运算放大器放大后传送给ADC，再经过低通滤波器滤波后输出。当温度信息符合标准温度（低于37 ℃）时，准备进入下一步处理；当温度信息高于标准温度时，则传送告警信息，蜂鸣器工作，由工作人员介入。单片机与MLX90614的连接电路如图3所示。

图3 单片机与MLX90614连接电路

2.4 雾化消毒模块

雾化消毒模块以单片机最小系统为核心，以超声波雾化器作为组成部分。通过单片机控制超声波雾化器以2.4 MHz的频率使消毒液产生雾化现象，把消毒液雾化为直径约为5 μm的水珠。

超声波雾化器分别接24 V电源与电容三点式振荡电路的三极管的基极，单片机实时检测电路中的电流，根据=可知（为电压，V；为电阻，Ω；为电流，A），电阻不变，电流越大则电压越大，单片机通过通道接在电阻RA一端，检测该点的输出电压，通过A/D转换将模拟信号转换为数字信号。当处理器输出的5 V高电平经过三极管后，电压被放大至24 V，利用单片机控制引脚输出脉冲宽度，调制PWM的高低占空比，从而控制整体电路电流，调节雾化器的振动强度，改变雾化片振幅，进而对消毒状态、喷洒药量大小进行调节。通过系统的定时器设置消毒时间，根据上层传来的指令对目标人员进行消毒。

2.5 门禁模块

该模块以单片机为控制核心，以ASMG-MTB舵机作为组成部分。ASMG-MTB舵机具有体积小、质量轻以及扭矩大等优点，它的扭矩可以达到500 kg·cm。舵机控制信号是脉冲调制信号，脉冲宽度为0.5 ms~2.5 ms，与舵盘位置0° ~180°呈线性关系。ASMG-MTB舵机参数见表1。

表1 ASMG-MTB舵机参数

ASMG-MTB舵机的红色线接+24 V电压，白色线接STM32单片机的PA（引脚），黑色线接STM32单片机的GND。单片机控制电路收到系统传来的控制脉冲，驱动舵盘转动，电机通过添加齿轮的方式，以较大的比例降低舵盘的转动速度，并以较大的比例放大舵机的扭矩。使用2个电位器，第一个与LCD（液晶显示模块）连接，改变LCD的对比度，它有3个引脚，中间引脚连接到LCD的v（引脚），两端分别接+5.0 V的电压与GND。另一个电位器用来控制输入模拟电压、改变舵盘的位置，中间输出接STM32的PA（引脚），两端分别接+3.3 V的电压和GND。电位器和齿轮组同时转动，电路板检测并通过电位器判断舵盘的转动角度，根据配置控制舵机转到目标位置。

当上层的信号传送到单片机时，系统做出响应 ，驱动舵盘转动，反馈电位计做出反应，将1个电压信号返回给控制电路，控制电路根据舵盘定位位置及速度判断是否到达目标位置，从而放行检测合格人员。

3 结语

该文设计了一种基于STM32单片机的综合性智能公共交通枢纽疫情防控系统。该系统覆盖了人群从进站到健康状态核验的完整流程，再配合工作人员的动态调整与设置，可以实时提供可靠的检测与反馈，具有很大的优势，打破了传统人工检测效率低且风险大的障碍，弥补了现有设备单一、检测具有局限性的缺陷，还降低了设备的成本。该系统由人员进站检测模块、人员是否佩戴口罩检测模块、红外测温模块、雾化消毒模块以及门禁模块等组成，实现了全方位的动态检测与防护，节省了大量的人力 、物力和财力，具有很强的实用性。