一種基于健康碼和體溫同時檢測自動放行系統(tǒng)

吳靜冉　張萍　石皓宇　秦克蓉　王慧

摘要：2020年，新冠肺炎席卷全球。為防止疫情進(jìn)一步擴(kuò)散，地鐵、商場、車站等大型公共場合急需篩查出入人流。傳統(tǒng)的放行機(jī)器功能單一，且依賴人工控制，具有誤差大、成本高、效率低等缺點(diǎn)，已經(jīng)達(dá)不到當(dāng)前疫情防控的要求。為控制疫情傳播，減小實體經(jīng)濟(jì)的生存壓力，該文以單片機(jī)技術(shù)為核心設(shè)計一套結(jié)合健康碼識別和體溫檢測功能的自動放行系統(tǒng)。系統(tǒng)可以同時判定被測者的健康碼和體溫，當(dāng)判定結(jié)果是合格時，控制閘機(jī)放行，判定結(jié)果是不合格時，發(fā)出光電警報。

關(guān)鍵詞：溫度檢測;智能控制;單片機(jī)

中圖分類號：TP399? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）26-0066-03

中國作為世界強(qiáng)國，人口基數(shù)大，根據(jù)綜合規(guī)劃司發(fā)布的數(shù)據(jù)，2022年36個中心城市的公共交通客運(yùn)量達(dá)到73.9億人，人員流動頻繁。面對嚴(yán)峻的疫情，公共場所根據(jù)中華人民共和國國家衛(wèi)生健康委員會發(fā)布的《新冠肺炎疫情期間重點(diǎn)場所和單位衛(wèi)生防護(hù)指南》，對進(jìn)入場所的顧客和工作人員進(jìn)行體溫檢測和健康碼識別。傳統(tǒng)的檢測方式是分開檢測體溫和識別健康碼，檢測速度較慢。本系統(tǒng)將體溫檢測和健康碼識別功能合二為一，并加入自動放行和自動報警功能，可以為公共場所提供成本更低，效率更高的檢測方案。此方案不僅可以降低因為被測者長時間排隊帶來的疫情傳播風(fēng)險，還可以減輕工作人員的工作強(qiáng)度。

1 總體設(shè)計

1.1 設(shè)計架構(gòu)

在疫情防控期間，公共場所篩查出入人員由安檢人員檢查被測者出示的健康碼，再用紅外線測溫機(jī)器測量被測者體溫。其中健康碼的部分主要是人工檢查，存在效率低下、易被不法分子利用等隱患。溫度檢測部分則使用紅外線人體測溫槍，僅僅做到了檢測，無法做到及時地報警和限制通行。針對這些缺點(diǎn)，本文設(shè)計了一種檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)以51單片機(jī)為核心，包含溫度檢測模塊、健康碼模塊、閘機(jī)放行模塊、聲光報警模塊，各個模塊相輔相成，相互聯(lián)動，缺一不可。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)將溫度檢測器和健康碼掃描設(shè)備內(nèi)嵌入閘機(jī)，調(diào)整閘機(jī)內(nèi)部布局，使被測者在健康碼識別設(shè)備前出示健康碼的同時，溫度檢測設(shè)備檢測被測者露出的手腕，測得被測者身體溫度后通過電子線路將健康碼掃描比對的結(jié)果和溫度檢測的結(jié)果通過信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后輸入單片機(jī)中，由單片機(jī)內(nèi)部程序進(jìn)行判定。根據(jù)判定結(jié)果，啟用聲光報警模塊報警或給予放行。

2 硬件設(shè)計

2.1 溫度檢測模塊

系統(tǒng)分為多個模塊，其中溫度檢測模塊主要使用專為1μA——10mA的電流水平范圍內(nèi)工作設(shè)計的LM334芯片。該芯片屬于三端電流源，也可用作一個真正二端電流源。LM334芯片作為溫度檢測器具有成本低、無須精密電壓放大冷端補(bǔ)償、長距離傳輸而不損失等優(yōu)點(diǎn)。該芯片擁有恒流源的特性以及與絕對溫度成正比的敏感電壓特性，這兩處特性決定了它可以作為理想的溫度傳感器。它測量的范圍是0°——+70°。需要注意的是長線的串接電阻并不會影響LM334芯片的測量精度，所以非常符合系統(tǒng)的溫度檢測模塊對高精度測量和中端距離測量人體溫度的需求。具體連接電路如圖2所示。

根據(jù)實際需求，將Rset設(shè)定為227Ω，則由上式可推得絕對溫度為T的值是274K，輸出電流的值為273[μ]A，此時溫度每增加1℃，輸出的電流都會增加1[μ]A。由此可獲得一個靈敏度為1[μ]A/℃的標(biāo)準(zhǔn)傳感器[1]。傳感器的作用是人體體溫這一非電量轉(zhuǎn)化為可被機(jī)器讀取的電量，再經(jīng)過信號轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可讀的信號。AT89C51單片機(jī)讀取轉(zhuǎn)化后的信號，得到人體溫度，將其與事先設(shè)定好的數(shù)值對比，當(dāng)人體溫度大于預(yù)設(shè)的安全數(shù)值時，連同健康碼的檢測結(jié)果一起做出判定是否啟動聲光報警模塊[2]。

2.2 聲光報警模塊

在聲光報警模塊中，采用壓電式蜂鳴器和發(fā)光二極管作為報警裝置。利用三極管的開關(guān)特性作為模塊的控制裝置。三極管的開關(guān)特性指的是當(dāng)加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓小于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓時，三極管的基極電流為零，集電極電流和發(fā)射極電流均為零，使得三極管失去電流放大作用，此時集電極和發(fā)射極之間相當(dāng)于開關(guān)的斷開狀態(tài)，電流無法通過三極管。與之相反，當(dāng)加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓大于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓時，三極管的集電極電流處于某一定值附近保持不變，此時集電極和發(fā)射極之間相當(dāng)于開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)，電流可以通過三極管[3]。將三極管和報警裝置串聯(lián)在一起，具體的連接電路如圖3所示。

當(dāng)單片機(jī)啟動聲光報警模塊時，其P3.0口輸出高電平，從而使三極管導(dǎo)通，電流流入壓電式蜂鳴器和發(fā)光二極管。這時，蜂鳴器持續(xù)地發(fā)出“滴”的聲音，同時使發(fā)光二極管發(fā)光。

2.3 健康碼模塊

健康碼模塊使用的是北京微光互聯(lián)科技有限公司生產(chǎn)的掃碼設(shè)備MX86，如下圖4所示。MX86支持usb連接、有線連接、以太網(wǎng)等連接方式。它的識別能力優(yōu)秀，可以在手機(jī)屏幕較暗時掃碼識讀，并且具有優(yōu)秀的掃碼速度，可以有效地提高通行效率。MX86的輸出接口有兩個，分別為5pin口和6pin口，本模塊主要使用6pin口將掃描結(jié)果與后臺數(shù)據(jù)庫做對比，判定健康碼是否合格。若合格，則單片機(jī)再結(jié)合溫度檢測模塊的檢測結(jié)果控制是否閘機(jī)放行;若不合格，則單片機(jī)控制聲光報警模塊發(fā)出警報[4]。

2.4 閘機(jī)放行模塊

閘機(jī)放行模塊使用的是橋式弧形翼閘。橋式弧形翼閘具有最高每分鐘通行30人的通行速度，并且它對外接口統(tǒng)一，單片機(jī)控制方便。在運(yùn)行過程中，單片機(jī)根據(jù)輸入信號的判定結(jié)果決定是否啟動閘機(jī)放行模塊。單片機(jī)啟動閘機(jī)放行模塊時，閘機(jī)的主控面版單片機(jī)發(fā)送的放行信號，然后主控面板向方向指示器和電機(jī)發(fā)送對應(yīng)信號，方向指示燈收到信號后轉(zhuǎn)化為綠色箭頭，同時限位開關(guān)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)角度，閘門轉(zhuǎn)動使行人通行。橋式弧形翼閘自帶的紅外線傳感器，可以檢測行人位置并向主控面板發(fā)送信號至閘門，使閘門保持轉(zhuǎn)動直至行人通過。這個裝置可以有效地保護(hù)行人的通行安全，防止非法闖入。

2.5 核心設(shè)計

整個系統(tǒng)的核心是AT89C51單片機(jī)，這是一種帶4K字節(jié)FLASH（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory） 存儲器的CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）8位微處理器。它具有功能豐富、購買便捷、使用簡單和可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)將該芯片的P3口作為控制聲光報警模塊的主要引腳。P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可驅(qū)動4個TTL門電路。P3口作輸入時，將“1”寫入P3口，使其被內(nèi)部上拉為高電平。當(dāng)其被外部下拉為低電平，使得P3口被上拉，從而輸出低電平。將其中P3.0、P3.1口與聲光報警部分相連，利用高低電平對三極管產(chǎn)生的影響，從而控制聲光報警模塊。系統(tǒng)通過P2口和P3口的這些特性進(jìn)行高低電平的調(diào)控，并結(jié)合三極管的開關(guān)特性，以達(dá)到控制其余模塊的效果[5]。整個線路如圖6所示。

3 流程設(shè)計

系統(tǒng)運(yùn)行時，當(dāng)掃描設(shè)備掃描被測者健康碼時，測溫設(shè)備同時檢測被測者的體溫。測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換后傳輸至單片機(jī)。當(dāng)單片機(jī)判定健康碼合格且體溫低于預(yù)設(shè)的安全數(shù)值時，單片機(jī)控制閘機(jī)放行模塊予以放行;否則，單片機(jī)控制聲光報警模塊發(fā)出警報，并向計算機(jī)發(fā)送信號，使其連接后臺數(shù)據(jù)庫并查找此人的出行軌跡，將其信息顯示在顯示屏上。具體流程如圖5所示。

4 小結(jié)

本系統(tǒng)將健康碼檢測與體溫檢測相結(jié)合，相較于已有的放行系統(tǒng)，本系統(tǒng)極大地提高了檢測效率。適用于人流量較大的公共場合，減少了被測者因為先后出示健康碼和測量體溫所帶來的不便。本系統(tǒng)的研發(fā)對于控制疫情傳播、保護(hù)人民生命安全、輔助交通正常運(yùn)行、降低人力成本、提高大型公共場所經(jīng)營企業(yè)的生存能力有著重要作用。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 周長彧.基于單片機(jī)的多功能溫度檢測系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D].長春：吉林大學(xué)，2008.

[3] 徐淑華.電工電子技術(shù)[M].4版.北京：電子工業(yè)出版社，2017：104-106.

[4] 黃文淮.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].西北：江西工業(yè)大學(xué)出版社，2020：31-32.

[5] 沙春芳.PROTEUS VSM在單片機(jī)系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，27（24）：110-112.

【通聯(lián)編輯：梁書】

收稿日期：2022-04-10

基金項目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目“基于安康碼和體溫同時檢測自動放行的系統(tǒng)”（項目編號202110959059） ;省級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目“基于安康碼和體溫同時檢測自動放行的系統(tǒng)”（項目編號202010959142）

作者簡介：吳靜冉（2001—） ，女，安徽合肥人，在讀本科，研究方向為軌道交通信號與控制。