基于STM32 單片機的智能紅外測溫小車設計與實現

彭文庭，羅寧寧，2，伍鵬輝，謝邦璽

（1.南昌航空大學測試與光電工程學院，江西南昌 330063；2.南昌航空大學江西省光電信息科學與技術重點實驗室，江西南昌 330063）

密集人群中的傳染病防控工作是目前公認的難度較大的工作，尤其是在火車站、機場、會場等人口密集且流動性大的場所，這項工作更是難上加難。如“非典”、H1N1 和新冠肺炎等傳染性疾病，因其發病前期具有較強的隱藏性和較高的傳染性，使得這類疾病的防控工作變得十分困難。此類疾病最主要、最明顯的發病特征是體溫比正常人偏高。因此，在密集人群中快速準確地把體溫偏高者與正常體溫者區別出來是防控這類疾病的重要手段。

目前密集人群中測溫主要采用紅外測溫方法。紅外測溫具有精度高、響應時間快、測距遠、使用簡單方便、安全可靠及使用壽命長等優點，被廣泛應用于農產品檢測、化工安全檢測等領域[1-2]。目前較為成熟、使用較廣泛的紅外測溫裝置主要有手持紅外測溫槍以及紅外熱成像儀加聲光報警器系統。手持紅外測溫槍廣泛應用在地鐵站入口、商場入口等人群密集處，需工作人員對出入人群進行測溫操作。紅外熱成像儀加聲光報警器系統則廣泛應用在火車站、高鐵站出入口。上述兩種測溫裝置存在一定的不足之處，紅外測溫槍正常工作的環境溫度范圍為16～35 ℃[3-4]，因此在部分寒冷地區，紅外測溫槍會有較大的測溫誤差，容易造成錯誤篩選體溫異常者，且人工近距離測溫容易引起交叉感染。紅外熱成像儀加聲光報警器系統由于采用了測溫紅外熱成像儀與彩色攝像機融合技術，配合專業的測溫軟件從而導致成本較高。每個人的身高和體型各不相同，而市場上大多數人體熱成像儀的高度和水平視角是固定的，因此在測量時會因測量部位不準確而引起較大的測溫誤差[5-6]。

文中提出一種基于STM32 單片機的智能紅外測溫小車，創新性地將紅外測溫技術和智能小車技術相融合，實現了人體識別、測溫、報警智能一體化操控，實現對出入人群的全自動化測溫，能夠精準篩選體溫異常者，有效避免測溫人員與被測人員近距離接觸而引發的交叉感染，可為疫情防控測溫提供一種創新的思維方式。

1 系統總體方案設計

圖1 為基于STM32 單片機的智能紅外測溫小車系統框圖，該小車系統由五大模塊組成：主控服務端、驅動模塊、人體搜尋識別模塊、測溫報警模塊和電源模塊。STM32 單片機作為整個小車系統的主控服務端[7-8]，驅動模塊由電機[9-10]、舵機[11-12]和鋁合金材質的底板組成，人體搜尋識別模塊由人體感應器[13-14]組成，測溫報警模塊由測溫傳感器[15-16]、LED（Light Emitting Diode）燈、蜂鳴器以及OLED（Organic Light-Emitting Diode）顯示屏組成，電源模塊采用鋰電池給整個小車系統供電。

圖1 智能紅外測溫小車系統框圖

文中采用STM32F103C8T6 單片機作為整個小車系統的主控服務端。STM32F103C8T6 單片機芯片具有32 位ARM Cortex-M3 內核，電壓使用范圍為2.0～3.6 V，工作頻率最高可以達到72 MHz，內部采用64 kB 或128 kB 字節Flash 程序存儲器，以及高達20 kB字節的SRAM 數據存儲器。

驅動模塊由電機、舵機和鋁合金材質的底板組成，為后輪驅動前輪的轉向機構。舵機安裝在底板靠近前輪一側，舵機通過連動桿與前輪連接。電機安裝在底板靠近后輪一側，電機為后輪提供動力。電機驅動芯片的型號為TB6612，它有兩個供電端，邏輯控制部分由5 V 供電，另一個是12 V 的電機供電端。舵機型號為HWZ020，其轉向是通過PWM（Pulse-Width Modulation）控制，給定不同的占空比，舵機的轉向幅度隨之改變。小車采用的是鋁合金車身，能夠適應各種惡劣的環境。

人體搜尋識別模塊由兩個型號為HC-SR505 的人體感應器組成，其感應張角為120°，默認工作電壓為DC 4.5～20 V，靜態電流小于50 mA，具有全自動感應、超小體積、工作電壓范圍寬、微功耗、可重復觸發方式、方便與各類電路實現對接等優點。人體感應器的工作原理為：人體發射的10 mm 左右的紅外線通過菲涅爾濾光片增強后聚集到紅外感應源上，紅外感應源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，產生電信號。人進入人體感應器感應范圍則輸出高電平，人離開感應范圍則自動延時關閉高電平，輸出低電平。感應輸出高電平后，在延時時間段內，如果有人體在其感應范圍內活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變為低電平。

測溫報警模塊由測溫傳感器、LED燈、蜂鳴器以及OLED 顯示屏等組成，其中核心部件測溫傳感器采用型號為MLX90614 的紅外非接觸溫度計，集成了低噪聲放大器、17 位模數轉換器和強大的數字信號處理單元，測量分辨率為0.02°C，可應要求在有限溫度范圍內實現0.1 °C 的醫療精度，使得高精度和高分辨度的溫度計得以實現。

電源模塊為整個小車系統供電，主要包括兩部分：由三節輸出電壓為3.7 V 的充電鋰電池18650 串聯在一起，輸出電壓約為11.1 V，以及一塊輸出電壓約為5 V 的蓄電池組成。小車的電機和舵機的驅動的額定電壓約為12 V，所以需要由三節3.7 V 的鋰電池進行供電，而所用到的STM32 的額定電壓約為5 V，由輸出電壓約為5 V 的蓄電池進行供電。

2 硬件方案設計與實現

2.1 電機驅動模塊

電機轉速和舵機轉向是根據兩個人體感應器所得數據進行調整的。電機驅動模塊的工作流程如圖2 所示。當左側人體感應器感應到人體后，主控服務端輸出左側信號，控制小車移動速度減慢，并緩慢向左側轉向；當右側人體感應器感應到人體后，主控服務端輸出右側信號，控制小車移動速度減慢，并緩慢向右側轉向，直至左右兩側的人體感應器同時感應到人體后，主控服務端控制電機減速，進行測溫。

圖2 電機驅動模塊的工作流程

電機驅動模塊的核心部件是電機驅動和舵機。圖3（a）為電機驅動模塊的連接原理圖。將STBY 置高電平，才能正常工作。PWMA、AIN2、AIN1 分別與STM32 單片機的PB10、PB11、PB12 接口連接，共同控制左輪的轉動。PWMB、BIN2、BIN1 分別與STM32單片機的PB15、PB14、PB13 接口連接，共同控制右輪的轉動。通過PB10、PB15 接口設置TB6612 的PWMA、PWMB 的頻率為10 kHz，并通過改變占空比來調節電機的速度。AIN1、AIN2、BIN1、BIN2 通過“一端高電平一端低電平”來控制電機正反轉。舵機的控制端與單片機的PA1 接口連接，如圖3（b）所示，舵機轉向也是基于PWM 控制原理，通過PA1 接口設置一定的占空比，從而控制舵機的轉向。

圖3 電機驅動模塊連接原理圖

2.2 人體搜尋識別模塊

人體搜尋識別模塊中包含的兩個人體感應器，分別安裝在小車車身前端左右兩側，設置兩個人體感應器與車身縱向軸線的夾角均為45°，在小車正前方兩個人體感應器感應范圍有一定的重疊。人體搜尋識別模塊的工作流程如圖4 所示，當僅有左側人體感應器感應到人體時，主控服務端驅動小車向左轉向，同樣當僅有右側人體感應器感應到人體時，主控服務端驅動小車向右轉向，直至兩側的人體感應器同時接收到人體感應信號，即人體剛好位于小車前方兩個人體感應器感應范圍重疊區域，此時主控服務端驅動測溫傳感器進行測溫。

圖4 人體搜尋識別模塊的工作流程

圖5 為人體感應器連接原理圖。左右人體感應器的輸出口OUT 分別與單片機PA8 和PA9 接口相連接。人體感應器感應到人體后，輸出口OUT 輸出高電平，STM32 單片 機通過GPIO_ReadInputDataBit（）庫函數讀取PA8、PA9 的電平。

圖5 人體感應器連接原理圖

2.3 測溫報警模塊

測溫報警模塊由測溫傳感器、LED燈、蜂鳴器和OLED 屏組成。測溫報警模塊的工作流程如圖6 所示，當人體感應器檢測到人體后，主控服務端驅動測溫傳感器進行測溫，溫度數據傳入主控服務端中進行處理，再傳入OLED 顯示屏顯示溫度。當溫度在設置的溫度范圍內時，完成一次操作，進行下一次人體搜尋測溫，當溫度不在設置的溫度范圍內時，主控服務端發出指令控制蜂鳴器發出報警，LED 燈點亮，完成一次操作。

圖6 測溫報警模塊的工作流程

圖7（a）為測溫傳感器連接原理圖。測溫傳感器的SCL、SDA 端分別與單片機PB5、PB6 接口連接，測溫之后將測得的數據傳入STM32 單片機進行數據處理和分析。圖7（b）為蜂鳴器與LED 燈連接原理圖。蜂鳴器與LED 的控制端分別與單片機PA5、PA6 接口連接，當測得的溫度不在設置范圍內時，PA5、PA6 均置為低電平，此時蜂鳴器和LED 工作。圖7（c）為OLED顯示屏連接原理 圖。OLED屏的SCL、SDA 端分別與單片機PB8、PB7 連接，單片機處理好的溫度數據則通過PB7、PB8 接口輸出顯示在OLED 屏上。

圖7 測溫報警模塊連接原理圖

對所設計的測溫報警模塊進行了溫度測量實驗，溫度測量結果如表1 所示。根據式（1），計算得到溫度的平均絕對誤差（MAE）δ為0.11 ℃。

表1 溫度測量結果

式中，n代表測量次數，代表測量溫度，xi代表實際溫度。人體溫度正常范圍為36.2～37.3 ℃，考慮測溫傳感器引入的誤差，將正常溫度范圍設置為36.1～37.4 ℃，當溫度不在該范圍內時，發出報警。

3 系統軟件設計

3.1 人體搜尋識別模塊軟件設計

安裝在小車車身前端左右兩側的人體感應器的輸出口分別與單片機不同串口相連接。圖8所示為人體搜尋模塊軟件流程圖，初始化后判斷當前感應人體情況，如果人體感應器感應到人體，輸出口輸出高電平，STM32 單片機通過GPIO_ReadInput DataBit()庫函數讀取對應串口的電平。當左側讀取到高電平時，控制小車向左轉向，同樣當右側讀取到高電平時，控制小車向右轉向，直至左右人體感應器同時感應到人體后，小車停止并進行測溫。

圖8 人體搜尋模塊軟件流程圖

3.2 測溫報警模塊軟件設計

測溫報警模塊的軟件流程圖如圖9 所示。當兩側的人體感應器同時接收到感應信號時，程序初始化，主控服務端驅動測溫傳感器進行測溫，將所測得的溫度顯示在OLED 屏上，并判斷溫度是否處于正常溫度區間，當溫度處于設置的溫度范圍內時，完成一次操作，進行下一次人體搜尋測溫，當溫度不在設置的溫度范圍內時，主控服務端發出指令控制LED燈點亮、蜂鳴器發出報警。

圖9 測溫報警模塊軟件流程圖

4 結束語

文中設計的基于STM32 單片機的智能紅外測溫小車，將紅外測溫技術和智能小車技術相融合，在智能小車的基礎上加載了人體識別裝置和紅外測溫裝置，可以精準地搜尋人體并測量其溫度，并在發現溫度異常時發出報警，能夠有效地篩選溫度異常者，實現了人體識別、測溫、報警智能一體化操控；同時具有測量結果準，測溫效率高，測溫不漏人，成本低且可行性好等優點，相對于人工作業而言，具有不可比擬的優勢，可以滿足疫情防控的需求，同時也可以在很多領域加以推廣。研究過程中，仍有一些待解決問題，如當左右兩側的人體感應器同時感受到不同的人體后，小車也會進行測溫，針對上述問題，需要對傳感器進行進一步研究，完善小車功能。