基于Ar dui no的多傳感器洗手液系統設計

高 揚 蘇 丹 袁 源

（1.武漢東湖學院機電工程學院，湖北 武漢 430200；2.武漢聯影醫療科技有限公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

目前市場上多數洗手液均為按壓式，使用時需用手按壓瓶蓋[1]。在公共場合，這種多人接觸的方式很容易導致病毒和細菌的傳播，造成交叉感染。電子式的單傳感器洗手液系統，雖然可以做到非接觸，但其傳感器數量單一，很容易反應遲鈍甚至失效，且其內部裝配的洗手液為固定模具下的產品，與市場上的多數洗手液瓶體不兼容。

基于此，本文設計了一款多傳感器[2]交互式洗手液系統，其擁有超聲傳感器[3]、觸摸傳感器、聲音傳感器，能滿足各種場景下取洗手液的需求；同時，顯示模塊能發揮良好的人機交互效果；而電機模塊能自動升降常規洗手液瓶體，在做到兼容市場上所有洗手液的同時，使瓶體能正常噴出洗手液，實現核心功能。此設計能廣泛應用于醫院、車站、商場、學校等多種場所。

1 系統設計

多傳感器洗手液系統包含硬件電路、軟件、結構部分。硬件電路包括超聲、顯示、主控、電機、音頻部分。軟件燒錄在主控芯片中，使用狀態機[4]實現工作流。結構將硬件電路板、電池、洗手液瓶體封裝，外觀簡約大方。圖1（a）為多傳感洗手液系統外觀殼體，中間凹陷區域為獲取洗手液區，右上方為顯示屏區域（圖中未標出）；圖1（b）為內部結構，左上為洗手液瓶，左下為電機與固定裝置，右上為超聲模塊與語音模塊，右中為主控電路，右下為電池倉。

圖1 多傳感器洗手液系統外觀殼體與內部結構

系統工作時，超聲傳感器會將距離信息傳遞到主控模塊，當滿足閾值時，說明有人手靠近，主控模塊驅動電機運動，向上推動瓶體，擠壓出洗手液。語音傳感器低功耗等待音頻輸入，當識別到聲音時，也會將信息傳遞到主控模塊，從而驅動電機運動。前面板的觸摸傳感器識別到觸摸信號時，同樣會通過主控模塊驅動電機。多傳感器系統在任意傳感器識別到動作時，均能做出反應，能有效防止單一傳感器失效的問題。

2 硬件設計

多傳感器洗手液系統硬件結構如圖2所示，包括Arduino MEGA2560主控板[5-6]、HC-SR04超聲模塊、觸摸傳感器、高感度聲音傳感器、SG90電機模塊、OLED顯示模塊、電池模塊等部分。

圖2 系統硬件框圖

電源模塊將電池電壓由LDO芯片轉至5 V給主控板供電。其余模塊的供電均由主控板提供。

ArduinoMEGA2560主控板的MCU為ATmega2560，其產商為Atmel，為美國的一家半導體公司，在2016年被美國微芯（Microchip）收購。ATmega2560仍然是8位的AVR單片機，但其SRAM和FLASH均有較大的提升，因此能運行更大代碼量的程序。其主頻上升到16 MHz，運行一般的裸機程序毫無問題。

HC-SR04模塊通過Trig與Echo引腳的配合使用，可以做到實時獲取障礙物距離。在精確要求不高的場合完全夠用。主控板周期性給Trig引腳10 μs以上的脈沖，然后周期性獲取Echo的高電平的時間長度，從而計算出距離。

高感度聲音傳感器通過識別聲音的強度，輸出模擬信號或數字信號。將其輸出端接入到主控板的GPIO引腳上，通過中斷來觸發。

觸摸傳感器原理跟物理按鍵類似，當人手指接觸到此傳感器時，傳感器會輸出脈沖電平信號，由此來判斷人手指是否按下。同樣將其接入到主控板的GPIO上，通過中斷觸發。

SG90電機模塊，通過主控板的PWM輸出進行控制，可控制其在0°～90°范圍內進行旋轉。

OLED模塊通過I2C接口接入到主控板上，與主控板進行I2C通信。其擁有藍色、白色等字體顏色。

3 軟件設計

多傳感器洗手液系統的軟件設計基于事件驅動模型，核心使用狀態機來實現。相較于多傳感融合和有限狀態機[7-8]，本設計的狀態機有明顯區別。本文的多傳感具有互斥性，即任意傳感器輸出信號給主控芯片后，主控芯片均屏蔽其他傳感器，然后做出下一步動作。

本文狀態機如圖3所示，分為等待、執行、錯誤三個狀態。

圖3 多傳感器洗手液系統狀態機

轉換過程如表1所示。在等待狀態下，主控芯片會等待各個傳感器信號的輸入。如果無信號輸入（E1事件），則不進行任何動作，下一狀態仍為等待狀態。在識別到任意傳感器的輸出時（E2事件），狀態機會做出A1動作，即立即屏蔽所有傳感器輸入，然后驅動電機運動；此時狀態會由等待狀態跳轉至執行狀態。在執行狀態下，如果判斷電機運動完成（E3事件），則將狀態轉移至等待狀態，以便下一次觸發；此時不需要任何動作。在執行狀態下，如果判斷電機異常或電池電量低或存在其他異常情況（E4事件），則將狀態轉移至錯誤狀態，系統會在OLED顯示屏上顯示錯誤內容，同時屏蔽所有傳感器輸入（A2動作）。同樣，在等待狀態下，如果判斷電機有異?；螂姵仉娏康突虼嬖谄渌惓Ｇ闆r（E4事件），則也將狀態跳轉到錯誤狀態。在錯誤狀態期間系統會持續監控錯誤情況，如果錯誤清除，比如已更換電池等（E5事件），則在OLED顯示屏上關閉錯誤內容，同時打開傳感器輸入（A3動作），系統狀態跳轉至等待狀態；表明系統可正常運行使用。

表1 狀態機二維轉換表

二維狀態表能夠很輕易地轉化為代碼，在軟件開發前期首先會制定此表，后續開發將事半功倍。

軟件上除了運行主狀態機之外，還有OLED進行實時顯示，而OLED的顯示控制與主狀態機關系不大。在有操作系統的場合，可以使用多線程的方式將主狀態機與顯示控制放在不同的線程下；然而對于本系統的8 bit單片機，沒必要使用復雜的程序控制方式，通過簡單的定時器，將主狀態與顯示控制分成兩個模塊來控制即可，如圖4所示。虛擬定時器會在200 ms與400 ms時給出觸發信號，驅動兩個模塊運行。主狀態機模塊的刷新周期為200 ms，顯示模塊的刷新周期為400 ms。

圖4 主狀態機模塊與顯示模塊刷新周期

OLED界面上可顯示電池電量狀態、各傳感器在位狀態、電機運動狀態、告警信息、問候語等內容，起到良好的人機交互效果。

4 結論

本文通過系統設計、硬件設計、軟件設計等方面介紹了多傳感器洗手液系統，從理論上支撐了系統的可行性。硬件上，當前階段采用各個模塊搭建系統，便于加快原型機的開發，同時節約成本和硬件設計時間。待原型機驗證通過，后續可通過畫PCB板的形式來進行迭代開發。軟件上使用Arduino IDE進行設計，C語言開發，雖然此種方式屬于低代碼開發方式，但對原型機的驗證來說已足夠。多傳感器洗手液系統在輸入端使用多種傳感器，每種傳感器的失效均不會影響到整體系統功能，提高了系統的健壯性和容錯率。核心使用狀態機，屬于經典的控制方式，此種方式狀態明確、穩定，不易出問題。顯示屏能顯示各種信息，滿足了人機交互的需要，增加了客戶產品喜愛度。另外，本產品的物料成本較低，供應鏈穩定，為實現量產提供了保證。