基于STM32的智能消毒門墊控制系統設計

潘建西

（成都東軟學院 信息與軟件工程系，四川成都，611844）

0 引言

隨著我國人工智能技術的日新月異，人們在生活中對智慧家居的需求越來越高。對于智慧家居之一的家用消毒設備而言，其應用也越來越廣泛。因此，研究家用智能消毒設備具有良好的經濟價值。

近年來對于智能家用消毒設備而言，許多高校和企業都進行了大量的研究。例如：文獻[1]采用樹莓派主板和傳感器相結合的方式，開發了一款家用消毒機器人，達到了良好的消毒效果；文獻[2]采用形態分析法設計了集移動、導航、驅動、存儲以及噴灑等功能于一體的簡易消毒家用機器人，該作品實現了消毒機器人功能多樣化的目標；文獻[3]采用將消毒模塊融入空調的方式，開發了室內空調智能消毒設備提升了消毒的便捷性。上述智能消毒設備功能比較完善，在一定程度上均達到了比較好的家用消毒效果。然而實際上，室內相當一部分細菌、病毒從由人們從室外帶回的，且當人們從室外回到室內時，由于行動軌跡的隨機性，會導致細菌分布呈復雜的狀態，故室內的消毒設備進行針對性消毒存在一定的困難，且容易導致能耗增加等問題。因此，將細菌消滅于門口，有利于減輕室內有害菌的分布復雜性，從而進一步提升室內消毒設備的工作效率、節約能耗。而實現這個目標的方法是開發智能消毒門墊，讓人們從室外進入室內時，便完成消毒過程，達到減少帶入室內的有害細菌，清潔室內環境的目的。

1 控制系統的布局

智能消毒門墊的設計方法，采用產品設計原理中的功能與結構相統一的方法，即先擬定系統的基本功能，再結合功能確定對應的模塊，最后將模塊整合構成完整的控制系統[4]。具體的設計流程，如圖1 所示。

圖1 控制系統設計流程

根據上述流程，本文對于智能消毒門墊的基本功能設定包括：消殺、應力感應、時間控制、顯示、充電等。各項功能對應的模塊，如表1 所示。

表1 智能門墊的功能與模塊

由表1 所示的各系統模塊，需要一個主控板將各模塊整合成一個整體，并實現系統的動作指令控制。由于就本系統而言，需要控制的指令較少，結構相對簡單，只需要確保基本的信息傳輸和分析、感應精度等參數性能即可。因此，系統的主控板采用STΜ32 單片機[6]。該控制系統的基本布局如圖2 所示。

圖2 控制系統的布局

2 控制系統的硬件設計

對于該智能消毒門墊而言，其主要的工作步驟為：（1）應力感應。將門墊放置于入戶門口，當人從室外進入室內時，腳會對門墊施加載荷。此時，門墊的應力感應模塊會感應到力的作用，并開始進行信號轉換；（2）消毒模塊動作。信號傳至主控時，控制器發出指令，消毒模塊開始啟動。與此同時，通過程序編譯，將消毒時間控制在一定時域內，當時間達到規定的閾值，消毒過程停止；（3）液晶顯示屏顯示應力感應情況、消毒進度、完成率、電量剩余等參數。從應力感應到消毒過程結束整個環節，用戶均能夠通過液晶顯示屏接收適時的消殺信息，作為判定下一步動作的依據。因此，在整個模塊的設計中，應力感應精度、消毒類型、液晶顯示以及無線充電方式等硬件設計，對于最終的消殺效果、門墊的經濟性、舒適度等參數有關鍵影響。

■2.1 STM32 單片機類型的選擇

在系統主控板的類型選擇中，考慮到本系統的傳感信號比較單一，僅為應力傳感器感應參數的傳輸與信號轉換。故主控板確定為STΜ32F407 單片機[7]。該單片機具有能耗較低的特點，且能夠高效地實現信號的數模轉換、處理分析等操作，比較適應于本課題的智能消毒門墊系統，該主控板的部分主要參數如表2 所示。

表2 STM32F407主要性能參數

■2.2 消毒模塊的設計

在室內家居消毒模塊的設計中，目前應用比較廣泛的消毒方法包括：紫外線消毒和消毒液消毒[8～9]。因此，本文在消毒模塊的設計中，也從這兩種消毒方式之間進行選擇。若智能消毒門墊采用消毒液消毒的方式，則消毒模塊需要設計消毒液存儲機構、噴灑裝置、消毒液容量檢測裝置以及添加接口。對于厚度較薄、實現簡單消殺功能的門墊而言，需要設計的結構較多，系統比較復雜，且這些設計會導致門墊的厚度和重量增加較多，經濟性不佳。若采用紫外線消毒的方式，則只需要布置一個小型的紫外線燈，便能夠實現該功能，該設計方案的結構比較簡單，對門墊的厚度、重量影響不大，且紫外線殺毒的方式不會造成環境污染，安全性較高。綜上所述，本文在消毒模塊的設計中，采用紫外線燈作為消毒模式。紫外線燈管電路設計如圖3 所示。

圖3 紫外線燈管電路設計

■2.3 應力傳感模塊的設計

應力傳感模塊主要是設置應力傳感器來感應人踩在門墊上的壓力信號。該模塊的設計中，主要考慮的因素是人進門時，腳作用在門墊上對其施加的載荷大小，由此作為傳感器型號選擇的依據。因此，選擇量程范圍內的應力傳感器是模塊設計的關鍵。同時，需要考慮傳感器的檢測精度，以避免主控未接收到信號，而不發出消毒的動作指令。本文根據調研情況，以平均體重為60～80kg 的人為門墊使用對象，選擇高精度的圓形壓力傳感器作為該模塊的基本部件。該傳感器的直徑較小，且厚度比較薄，與門墊扁平的特點相適應，不會過度增加門墊的設計厚度。該傳感器的主要參數如表3 所示。

表3 應力傳感器主要參數

■2.4 液晶顯示模塊的設計

本課題中，液晶顯示模塊采用TFT-LCD 模塊[10]。該顯示模塊為2.8 寸，顯示色為16 位。能夠滿足人機交互的需求。同時，除系統的自動控制性能外，若用戶需要臨時停止消殺或調整時間等情況下，該顯示模塊的觸摸屏功能便能夠實現用戶的手動調節和設置。即從人機交互的方面來看，該液晶顯示模塊是比較適應的。其模塊接口如圖4 所示。

圖4 液晶顯示模塊接口

■2.5 蜂鳴器的設計

在控制系統中，當智能門墊開始進行消殺以及消殺過程結束時，可以采用蜂鳴器來實現對用戶的信息提示。因此對于蜂鳴器模塊的設計而言，由于涉及到用戶對每個環節的準確判斷。其電路是否穩定和可靠是設計的基本依據。本課題中，選擇的STΜ32 主控板并不能夠直接對蜂鳴器進行驅動，而是需要通過先連接到三極管上，再經過擴流的方式達到驅動蜂鳴器的目的。所以從本質上來說，三極管作為開關對蜂鳴器進行啟閉。當高電平被輸出時，三極管便會導通，此時蜂鳴器便發出消殺啟動或結束的提示音。而當輸出為低電平時，三極管關斷，蜂鳴器動作停止。蜂鳴器模塊的驅動電路如圖5 所示。

圖5 蜂鳴器模塊驅動電路

3 控制系統的軟件設計

完成控制系統的硬件搭建后，下一步的操作，就是進行控制系統的軟件設計。以確保控制系統能夠按照指令運行。該環節的主要操作步驟為：

（1）構建系統運行的控制流程圖。根據前邊所述的系統運行原理，完成系統運行的流程圖，為后續程序的編寫奠定基礎[11]。控制系統的運行流程如圖6 所示。

圖6 控制系統工作流程

（2）編寫運行程序。根據運行流程、需要執行的動作、動作的時間、數據顯示等情況結合搭建的硬件進行函數的編寫和存儲。限于篇幅，以數據的顯示為例，部分代碼為：

（3）實現系統配置。該環節由STΜ32Cube ΜX 實現系統的配置[12]。主要操作包括：時鐘模塊設置為晶振、完成GPIO 配置以及函數庫的調用等。

通過上述三個步驟的操作，編寫的代碼便燒錄至主控板芯片中[13-14]，即控制系統可以按照指令進行動作，以達到實現預先設置功能的效果。

4 性能測試

當智能消毒門墊控制系統的硬件和軟件設計完成后，需要對系統進行性能測試，繼而判定該系統的設計是否合理。考慮到該消毒門墊包含的模塊較少，功能較為簡單。故系統的測試主要圍繞幾個關鍵模塊進行。由此，本文制作了簡易的系統模型，并對部分模塊的工作狀況進行了測試，具體的測試結果如表4 所示。

表4 性能測試

由表4 所示的性能測試結果可知，整體而言，該系統各個模塊的工作狀況比較良好。整個系統能夠按照控制的指令正常動作，且各模塊的響應速度較快，精度較高，對于正常的家庭消毒使用能夠比較良好的滿足。綜上所述，該智能消毒門墊控制系統的結構布局比較合理，達到了預期的設計要求。

5 結論

在智能消毒門墊的設計中，結合功能與結構相統一的設計原則，確定了基本的控制系統模塊。以STΜ32 為主控板，將各模塊整合成了一個完整的系統。通過對系統的硬件、軟件設計、性能測試等階段，驗證了該門墊具有良好的消毒效果，同時也佐證了該控制系統結構設計的合理性。下一步工作，將對該產品開展進一步的優化設計，實現其性能、經濟性等方面的進一步提升。