一种智能防疫通道管理控制系统的设计

杨阿弟，陈 敏

（1.湄洲湾职业技术学院 产学研交流合作处，福建 莆田 351119；2.莆田学院 工程实训中心，福建 莆田 351100）

因为突如其来的疫情，莆田政府相继启动了重大突发卫生事件一级响应，身处的这座城市像是被按下的暂停键，曾经繁华热闹的广场、庙会、公园、商场和饭店等人流量密集区域均被停止营业，所有人都自觉响应号召，少出门、不聚集，自觉地开始居家生活。福建莆田的新冠肺炎确诊人员不断增多，短短3天时间就新增了几十例确诊病例。随后在泉州、厦门和漳州也相继出现确诊患者，并且人数仍在不断增多，多地已经升级为中高风险地区，疫情传播之迅速，让所有人都不禁强打精神，分秒必争、全力以赴。根据莆田市应对新型冠状病毒感染肺炎工作指挥部发布的通告，要求所有小区全面实行出入严格管控，根据小区情况合理设置出入管理口，实行24小时值班。八闽健康码也采用绿码、黄码和红码来区分是否来自中高风险地区，人员进入小区前先必须测温、出示健康码、戴口罩等，持有绿码且体温正常等符合防控要求方可进入小区，这样就需要耗费大量人力，也增大了工作人员感染的风险。在这种情况下，是否能有一种无接触通行管理方式，既能节省人力，又能减少工作人员交叉感染的风险。结合当前疫情防控要求，本文设计一种智能防疫通道管理控制系统，解决当前存在的问题。

1 系统硬件结构

1.1 系统整体结构设计

本研究设计一种可通过多种传感器模块配合使用检测人员健康码、体温等相关信息而自动识别人员的健康状况，从而控制执行结构，可以模拟小区管理的真实环境，系统结构图如图1所示。

系统结构主要包括颜色传感器模块、超声波传感器模块、温度传感器模块及红外线对管模块等输入电路，以及液晶显示模块、发光二极管模块、闸门、单向旋转门阀和语音播报模块等执行机构和Arduino控制器[1-2]。

通过闸门使被检测人员在待检区有序排队，当超声波传感器模块检测到待检测区有人员检测时，放下闸门，并开始启动健康码识别系统、非接触式体温检测系统，并通过语音播报模块对被检测人员的健康状况进行语音播报及灯光引导指示。①当被检测人员健康码是黄码、红码或体温异常时，语音模块播报“不符合防疫要求，请离开”。②当被检测人员健康码是绿码，语音模块播报“健康码正常，请检测体温”，同时白色发光二极管灯亮，且检测到被检测人员体温正常，语音模块播报“体温正常，请通过”，门阀开关关闭，被检测人员离开待检测区，推动单向旋转门，可以正常进入防疫通道，红外对管模块检测到旋转门时，门阀开关自动打开，闸门自动抬起，为下一个被检测人员进入待检区准备。

1.2 超声波模块

目前，超声波测距模块类型很多，比较常用的有HC-SR04、US-100、URM37、GY-US42、堔 圳 导 向KS104，有些超声波传感器接口是采用232接口，有些是采用TTL接口，其测量距离跟测量精度也不尽相同，应用的领域跟场合也不同，目前的超声波测距模块最高精度能到1cm。本设计采用HY-SRF05模块，其5个引脚分别为Vcc、Trig、Echo、Out、GND，5 V供电，采用ⅠO引脚Trig触发测距，给至少10 μs的高电平，即可开启测距功能。

如果自动检测到有信号返回时，通过ⅠO引脚Echo输出一个高电平[3-4]。

开始给Trig一个大于10 μs的脉冲，使模块开始工作，同时开启定时器开始计时，将外部中断接到Echo引脚上，当模块检测到回波时Echo被置高电平，这时外部中断被触发，进入中断程序，因此可以在中断程序中将时间读出来，有了时间就可以根据distance=v×t/2，计算出距离，距离值就可以用于进一步的工作。

1.3 温度检测与显示模块

1.3.1 温度检测

本设计的温度检测需要采用红外非接触式温度检测模块，目前比较常用的有SA30AS、GY-615V3和GY-MCU90615V2等。MLX90614是一款集成了17位模数转换器、信号处理专用芯片、红外感应热电堆探测器芯片，以及低噪声放大器和数字信号处理单元，使得温度检测更高分辨度和更高精度的红外非接触温度器件。温度器件具备出厂校准化，有数字PWM和SMBus（系统管理总线）输出模式。作为标准，配置为10位的PWM输出格式用于连续传送温度范围为-20～120°C的物体温度，其分辨率为0.14°C。图2为MLX90614管脚图，其中SCL是时钟信号，SDA为数据信号，Vdd电压为5 V。温度检测模块电路如图3所示。

图3 温度检测模块电路图

工作原理：①发送数据时，按字节为单位进行发送，每次按一位一位发送，发送8个位后，等待判断对方是否有应答，若是有应答，接着再发送下一个字节，若是没有应答，也继续发送下一个字节，重复重发几次都没有应答，就结束发送。②数据的接收，也是按照一位一位接收，接收完8个位后，向对方发送一个应答信号表示接收完毕，准备继续接收下一个字节。

最后，在Tobj1中读取到的数据通过式（1）计算后，在OLED液晶屏模块显示温度值。

1.3.2 显示模块

显示模块采用0.96寸SSD1306蓝色Ⅰ2C通信OLED液晶屏模块，如图4所示，显示原理是在外界电压的驱动下，液晶屏有机发光物质的分子受到激发后，能够从基态跳变到激发态，当受激分子又回到基态时辐射跃迁而产光现象。简单来说就是有机发光二极管，具备自发光，不需要背光源，且对比度高，可以说，新一代的移动终端设备，大多采用OLED，也是未来的趋势[5]。

图4 显示模块原理图

1.4 颜色传感器模块

本设计颜色传感器采用TAOS公司推出8引脚SOⅠC表面式封装的TCS230，如图5所示，其在单一芯片上集成了红色、绿色及蓝色滤波器等类型的64个光电二极管[6]。在排序上交叉使用，能减少因为入射光投射的不均匀，从而提高颜色识别的精确度。通过设置S0、S1可编程引脚来选择100%、20%、2%的输出比例因子或掉电，通过设置S2、S3可编程引脚来选择红色、绿色、蓝色滤波器或清除。

图5 TCS230引脚功能

由图5可知，当入射光投射到TCS230上时，依次选通3种颜色的滤波器，在OE使能端的控制下，对TCS230的输出脉冲进行计数，经过电流到频率转换器后输出不同频率的方波，不同的颜色对应不同的频率方波，以适应不同的需求。

1.5 语音模块

WT588F02B-8S是广州唯创电子有限公司最新研发的一款16位DSP语音芯片、内部振荡32 MHz，16位的PWM解码[7]。强大功能让WT588F02B-8S成为语音芯片行业中的佼佼者。目前WT588F02B-8S，较高音质最大可以支持存放170 s语音内容（若客户对音质没有要求，最大可以存放320 s的语音内容）。WT588F02B-8S区别于传统OTP芯片，最大的突破是客户可以自己通过配套下载器实现在线更换芯片内部语音内容；并且芯片内置硬件SPⅠ、UART、ⅠⅠC和比较器等各类资源，可以为客户定制各种不同的个性化功能产品[8]。图6为语音芯片引脚封装图。

图6 WT588F02B-8S引脚封装图

WT588F02B-8S有一线串口通讯模式和两线串口通讯模式。两线串口通讯模式可以通过控制器向CLK线和DATA线给WT588F语音芯片发送数据以达到控制的目的。可以实现控制语音播放、停止、循环等功能。两线串口控制方式具有较好的抗干扰能力，一条指令最短时间为6.6 ms。本设计比较简单，采用的是一线串口通讯模式。图7为语音模块外围电路图。

图7 WT588F02B-8S硬件电路图

电路设计布线时电容C1靠近WT588F芯片VDD脚1 cm内，以增强WT588F系列语音芯片的抗干扰能力。语音芯片的工作电压范围为2.0～5.5 V。

2 系统软件设计

控制系统的软件设计部分主要分为3大功能模块，分别为健康码识别系统、非接触体温检测系统和单向旋转门阀控制系统。程序控制流程图如图8所示。主程序是通过被检测人员进行待检测区后，根据健康码识别系统和非接触体温检测系统对被检测人员的健康状况进行识别，得出被检测人员是否符合疫情防控要求而做出相应的语音播报及灯光引导指示。单向旋转门阀控制系统是由单向旋转门、门阀及红外对管模块组成的，是防止不符合疫情防控要求的被检测人员进入防疫通道，同时，也是为下一个被检测人员进行待检测区开启通道。

图8 程序控制流程图

3 系统测试

为验证所设计的控制系统是否满足设计使用要求，将电脑USB接口通过数据线与Arduino控制器相连接，用杜邦线插入Arduino控制器，调试系统的各部分模块功能是否能正常工作，经过验证表明，超声波传感器、温度传感器、语音播报、灯光指示、闸门和门阀等各部分功能都能顺利实现，如图9所示，将所有的模块都连接起来，进行整体联合调试，调试结果良好，达到预期目标。

图9 系统调试

4 结束语

系统设计是在实验室环境下模拟小区场景进行测试，验证所设计的根据被检测人员的健康码和体温等健康状况而自动控制防疫通道旋转门开启或停止的控制系统，利用超声波传感模块、温度传感器模块和红外对管模块所采集回来的信息，能够自动控制单向旋转门和语音播报指示被检测人员。实验证明，系统运行稳定，识别精度很高，实用性价值很强。