一種卡票消毒智能管控系統的設計

李蔓，董文會，劉祥賓，張威，趙清晨

（德州學院 物理與電子信息學院，山東德州，253023）

0 引言

疫情常態化下，高速公路收費崗亭處會出現司機與工作人員之間的卡票傳遞，這種傳送過程增加了病毒傳播的風險。本文設計了一種卡票消毒智能管控系統，裝置創新設計了雙重雙面雙向的消毒模式，并增加了將人員體溫檢查和數據上傳的功能，避免了人員的交叉感染，結構簡單，是一個在疫情常態化防控下具有實用性的測溫消毒裝置。

1 系統硬件設計

卡票消毒裝置以STC15F2K60S2 為主控芯片[1,2]，由Kendryte K210 攝像頭模塊、TCRT5000 紅外傳感器、HCSR04 超聲波模塊、GY-906-ВCC 紅外測溫模塊、紫外線消毒燈、L298N 電機驅動、酒精噴灑器等構成。測溫系統以STC15F2K60S2 為主控芯片，主要包含WiFi 模塊、APP、網頁等。其硬件電路框圖如圖1 所示。

圖1 硬件電路框圖

■1.1 卡票消毒裝置硬件設計

采用STC15F2K60S2 單片機為中央處理器，該芯片含有三個USART 接口，其中一個接口P3^0 與Kendryte K210 攝像頭模塊的P0^5 相連，實現人臉數據的傳輸功能。單片機的P0^0、P0^1 與分別超聲波模塊的Trig、Echo 相連，實現距離的測量與傳輸；單片機的P1^1 與舵機的PWM 相連，實現對方向的控制；單片機的P3^2 與槽型對射光電傳感器的OUT 相連，實現對升降機移動距離的測量；單片機的P1^2 與繼電器的VIN 相連，實現控制紫外線消毒燈的開關；單片機的P4^5 與紅外反射傳感器的PD^0 相連，實現對障礙物的檢測；單片機的P1^6、P1^7、P3^6、P3^5、P3^4、P3^3 與第一個L298N 驅動的ENAВLEA、ENAВLEВ、INPUT1、INPUT2、INPUT3、INPUT4 相 連，實現對傳送帶電機與卡票分離模塊中電機轉速的控制；單片機的P1^4、P1^5、P4^4、P4^2、P4^1、P3^7 與第二個L298N 驅動的ENAВLEA、ENAВLEВ、INPUT1、INPUT2、INPUT3、INPUT4 相連，實現對酒精噴灑器與升降模塊電機的控制。其電路圖如圖2 所示。

圖2 卡票消毒裝置硬件電路圖

■1.2 測溫系統硬件設計

用STC15F2K60S2 單片機為中央處理器，單片機的P3^1 與ESP-01S、WiFi 的RXD 連接，體溫監測模塊檢測的數據經過主控MCU 數據處理后再通過串口通信實現單片機與WiFi 模塊的數據傳輸。單片機的P1^6、P1^7 分別與體溫監測模塊的SCL、SDA 引腳相連，通過I2C 通信實現對體溫的測量數據的傳輸，體溫監測模塊應受到紅外感應模塊的限制，防止數據不間斷地發送。其電路圖如圖3 所示。

圖3 測溫系統硬件電路圖

■1.3 各模塊設計

(1)主控芯片

STC15F2K60S2 芯片是一款基于單片機的微控制器，采用的是STC 公司的MCS-51 單片機架構，主要用于智能控制應用。該芯片具有多處優勢，例如：擁有豐富的指令集，包括移位、跳轉、算術和邏輯指令，可以滿足精密控制的要求；具有快速的處理速度，它采用了波特率可達6T～12T的時鐘，可以在高速下正常運行；內置了1024 個字節的RAM，支持多種存儲方式，可以滿足復雜程序的需求；多種外設，如ADC、PWM、I2C、SPI 等，可以實現多種應用；可以支持多個外設的中斷，最多支持18 種中斷服務，可以提高系統的響應速度；具有超低功耗，可以達到毫米級，減少系統的耗電量。總之，STC15F2K60S2 芯片具有精細、快速、低功耗、多種外設等特點，是一款非常優秀的智能控制芯片。

(2) WiFi 通信模塊

WiFi 模塊是一種無線通信技術，可以將計算機、智能手機、電視、攝像機等無線設備連接到互聯網。它使用無線電波來傳輸音頻和數據信息，并且可以覆蓋大范圍的地區。它通常使用2.4GHz 頻段的無線電波，用于傳輸音頻和數據信息，由于它具有高可靠性，可以實現更高的通信質量。WiFi 模塊的主要組件包括電源模塊、發射模塊、接收模塊和調制模塊等。電源模塊負責為這些模塊提供電源；發射模塊使用無線電波來發送數據；接收模塊負責接收發射的信號，而調制模塊則負責將接收到的信號轉換為可以傳輸的數據。WiFi 模塊的工作原理是，首先將無線電波發射出去，然后，當無線電波接收到設備時，接收模塊將接收到的信號轉換為可以傳輸的數據，然后調制模塊將其發送到互聯網，最后，當收到的信號被發送到目標設備時，調制模塊會將其轉換為音頻或數據信號，然后發射模塊將其發送出去。

(3)紅外傳感器模塊

MLX90614 傳感器中的傳感單元測量目標物體發出多少紅外能量，計算單元使用17 位內置ADC 將其轉換為溫度值，并通過I2C 通信輸出數據協議。傳感器同時測量物體溫度和環境溫度，以校準物體溫度值。

(4)超聲波模塊

超聲波是指頻率高于20kHz 的聲音波。它是通過聲波發射器發出的一種高頻波，把聲發射器當作發射源，它發出的聲波可以穿過氣體、液體和固體，形成某種自發現象，從而能檢測出更多物體的信息。當一個聲發射器發出一個高頻聲波時，它會在空氣中穿梭，碰到物體會產生折射、反射等現象，這些聲波又會回到接收器，接收器會收集這些聲波，并通過電腦處理分析。通過聲波的反射和發射，可以推斷出物體的形狀、大小、厚度等信息，以及物體相對空氣的位置，達到檢測的目的。在本裝置中，超聲波模塊的Trig 管腳與單片機的P21 管腳連接，Echo 管腳與P22 管腳連接。超聲波測出的數據發送給單片機，單片機通過公式S=(高電平時間＊聲速(340m/s))/2 計算出距離，然后發出相應的指令，控制其他模塊運動。

(5) OLED 顯示模塊

OLED 屏幕亮度更亮，自發光，能耗小，畫面對比度高。OLED 內部集成了SSD1306 芯片，每頁128 個字節，共有8頁。每次發送一個字節的數據，在單片機內部創建好字庫文件。通過I2C 或者SPI 通信協議將數據發送給SSD1306。我們使用的是四腳I2C 通訊的OLED 屏幕。速度相比SPI 通訊的OLED 屏幕來說要慢很多，但是足夠項目的使用。OLED的在項目中主要顯示人體測溫的數據，超聲波距離的顯示。

(6) 舵機

舵機的控制電路板接受來自信號線的控制信號（PWM波），控制電機轉動，電機帶動一系列齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤。舵機的輸出軸和位置反饋電位計是相連的，舵盤轉動的同時，帶動位置反饋電位計，電位計將輸出一個電壓信號到控制電路板，進行反饋，然后控制電路板根據所在位置決定電機的轉動方向和速度，從而達到目標停止。舵機的控制信號為周期是20ms 的脈寬調制（PWM）信號，其中脈沖寬度從0.5ms～2.5ms，相對應舵盤的位置為0～180度，呈線性變化。也就是說，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會保持在一個相對應的角度上，無論外界轉矩怎樣改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應的位置上。舵機內部有一個基準電路，產生周期20ms，寬度1.5ms 的基準信號，有一個比較器，將外加信號與基準信號相比較，判斷出方向和大小，從而產生電機的轉動信號。在本裝置中，主要使用舵機控制滾輪的位置。

2 軟件設計

■2.1 體溫檢測系統軟件設計

首先進行定時器0 初始化、串口初始化、紅外測溫初始化和I/O 初始化，紅外感應模塊檢測到人員放卡后，對卡票分離的同時進行體溫檢測[3,4]，體溫監測模塊是通過I2C通信協議與主控MCU 通訊的，在無人時，默認監測到的數據為空氣的溫度；當有人時，會檢測到人的體溫。將體溫檢測的數據依據串口通信通過WiFi 模塊上傳至數據分析云平臺；由于有紅外感應模塊的存在，若未檢測到人員，則不進行體溫檢測，避免了一直發送數據至云平臺，干擾數據的分析和處理。其程序框圖如圖4 所示。

圖4 體溫檢測主程序框圖

其次是WiFi 模塊的配置，WiFi 模塊的配置平臺為Arduino。對WiFi 模塊依次進行串口、I/O、定時器、WiFi工作模式、MQTT 服務器初始化的配置，WiFi 連接MQTT服務器，連接成功后，單片機串口通過WiFi 模塊傳送體溫數據至數據分析云平臺，若未成功繼續進行MQTT 服務器的連接。其程序框圖如圖5 所示。

圖5 WiFi 模塊配置程序框圖

■2.2 卡票消毒裝置軟件設計

當車輛經過時，若攝像頭K210 檢測到人臉，則超聲波測量物體高度（崗亭頂部至車輛頂部的距離），若未檢測到，裝置處于休眠狀態；當檢測到崗亭頂部至車輛頂部的高度不為0 時，啟動電機，將托盤調整至與車窗相同高度[5,6]；駕駛人員放入卡票，觸動托盤下方的紅外感應模塊，托盤下降至底部，舵機旋轉90 度后，進入票分離環節，被分離的卡片依次進入消毒環節，當檢測到最后一張卡票消毒完畢后，工作結束。其程序框圖如圖6 所示。

圖6 正傳流程圖

工作人員按下反轉按鈕，將卡票片放入消毒室中進入酒精噴灑和紫外線照射消毒環節，隨后卡票依次被傳送至托盤；當卡票全部進入托盤時，傳送帶繼續工作3 秒，防止卡票傳送中的卡頓，以保證卡票全部落入托盤中；此時超聲波再次測量崗亭頂部至車輛頂部的距離，將測量的距離數據傳輸至主控芯片，主控芯片發出控制命令調整托盤至車窗高度，駕駛人員取走卡票，反轉工作完畢。其程序框圖如圖7所示。

圖7 反傳流程圖

3 結論

體溫檢測與卡票消毒智能管控系統主要運用于高速公路收費站中駕駛人員與工作人員通行卡的傳遞以及測量駕駛人員的體溫。在運用中，可將此裝置固定在高速收費站崗亭的窗口，超聲波模塊安裝在崗亭頂部，升降裝置安裝在崗亭一側。可實現工作人員與駕駛人員無接觸雙向傳遞通行卡，并將體溫檢測數據上傳至數據分析云平臺，最后通過交互平臺展現給高速收費站的工作人員。該系統結構簡單、技術成熟、功率低和成本低，是一個在疫情防控常態化下具有實用價值的卡票消毒并測溫裝置。