基于微處理器和外部傳感設備實現的自動人體測溫系統

萬裕　車文博　桑祺

摘? 要：新冠病毒具有強大的傳染性，給全世界的醫療衛生組織都帶來了難題。針對其顯著癥狀之一的發熱，我們設計了一種基于距離傳感器和紅外溫度成像模塊AMG8833等，通過多傳感器數據融合技術實現的人體溫度測量反饋系統。文章以STM32F103C8T6與西門子S7-200系列PLC為硬件基礎，圍繞測量、處理、顯示和控制四個模塊給出了簡易的設計模型，可實現較為完善的功能。

關鍵詞：紅外溫度成像模塊AMG8833;STM32F103C8T6;西門子S7-200系列PLC

中圖分類號：TN219 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）18-0040-02

Abstract： Novel coronavirus is highly contagious， which brings problems to medical and health organizations all over the world. Aiming at the fever which is one of the obvious symptoms， we design a human temperature measurement feedback system based on distance sensor and infrared temperature imaging module AMG8833， which is realized by multi-sensor data fusion technology. Based on the hardware of STM32F103C8T6 and Siemens S7-200 series PLC， this paper presents a simple design model around four modules of measurement， processing， display and control， which can realize more perfect functions.

Keywords： infrared temperature imaging module AMG8833; STM32F103C8T6; Siemens S7-200 series PLC

引言

2020年初，新型冠狀病毒引發的肺炎疫情爆發。時至今日，全球已有幾百萬人感染，疫情防范刻不容緩。研究表明，對于新冠肺炎，發熱是其顯著癥狀，傳統方式需要在小區，學校門口安排專人時刻在崗，同紅用紅外測溫儀對進入的車輛行人一一檢測，費時費力，同時增加了站崗人員的染病隱患。為此我們擬設計一個簡易的基于微處理器的人體測溫反饋系統，以便于實時監控與自動檢測行人體溫。

本系統的核心為熱成像技術，選用AMG8833熱成像模塊來監測周圍溫度，通過非接觸探測紅外熱量，然后內部處理轉換為電信號，進而將熱圖像與測得溫度于顯示器上直觀顯示，同時將識別的人體溫度與標準溫度進行比較，判斷該行人是否有發熱癥狀。硬件方面以STM32F103C8T6與西門子S7-200系列PLC為核心，以紅外成像模塊作為外設，構成了一個簡單的測溫反饋系統，著重于對于發熱與正常溫度行人的區分以及對于二者完成不同的控制內容，來實現更多場景的應用。

1 系統模塊設計分析

在本設計中，測量模塊為基本模組，用于外部溫度以及被測人體距離的獲取;處理模塊為核心模塊，選用stm32單片機對采集到的數據進行修正處理以及設置顯示模塊成像顏色;控制模塊為實現模組，選用西門子S7-200系列PLC，并使其與單片機建立串行通信系統，充分發揮快速高效的特點。

1.1 單片機與 PLC 的基本理論

單片機是典型的嵌入式微控制器，相當于一個微型計算機，可以構成各種各樣的應用系統，但想要實現既定的功能，還必須與其它元器件及軟件構成系統，在其應用系統中，PLC是一個重要的功能模塊。PLC是微機技術與傳統的繼電接觸控制技術相結合的產物，其開關量控制系統的程序用順序功能圖來描述，具有可靠性高，通用靈活性強的特點，特別是PLC的程序編制，不需要專門的計算機編程語言知識，而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎的簡單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學。

1.2 測量模塊

在系統中，AMG8833紅外熱成像傳感器通過一個8*8的陣列實現了二維區域的溫度檢測（如圖1所示），輸出64個紅外測溫讀數，相當于集成了64個紅外溫度傳感器，對比一般的設備，其具備更高的集成度和測量精度;測量范圍小于7m，在0℃-80℃之內，具有±2.5℃之內的誤差，我們可以通過多次測量減小誤差，以達到使用要求。研究表明，距離會對目標溫度產生一定的測量偏差。根據數據，使用matlab軟件繪制測量溫度隨距離變化曲線如圖2所示，A為實際溫度，B為紅外測量溫度，可見隨著距離的增加，偏差逐漸增大。為此，我們加入距離溫度補償算法，對測得的溫度進行修正。同時，選用HY-SRF05超聲波測距傳感器測量距離，此模塊自動發送8個40kHz的方波，并自動監測返回信號，識別范圍為2-450cm，精度高達3mm，滿足設計要求。

1.3 處理模塊與顯示模塊

STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M內核STM32系列的32位的微控制器，CPU主頻72MHz，具備64kB閃存程序存儲器，20K字節RAM，37個通用I/O口，以及SPI、IIC、USART等通信模塊，將測量模塊連接至處理模塊，處理完成后將輸出信號送至PLC以完成剩余任務。

PLC選用西門子S7-200 系列。相比于傳統的PLC，其整體設計緊湊且具有強大的通信功能，在自動化控制領域應用廣泛;其控制系統由基本單元、個人計算機、STEP7-Micro/WIN編程軟件以及通信電纜構成，在需要進行擴展時，還可以增加數字量/模擬量擴展模塊、通信網絡設備及相應的多種控制軟件。

對于處理后的結果添加附屬顯示模塊，在此我們選擇使用一塊0.96寸、分辨率為128*64的OLED屏幕作為外設，滿足64個測得溫度數值的顯示來增強直觀性。在接入屏幕之前，通過連接電腦上位機對于顏色的選取進行調試，處理后得到的8*8個溫度數據，使上位機顯示出矩陣形式的溫度數值以供觀察。

1.4 控制模塊

在此模塊我們采用STEP7-Micro/WIN編程軟件進行主控PLC的程序設計，該編程軟件是西門子公司為S7-200系列PLC單獨設計的梯形圖編程軟件，可實現實時通信、在線監控等功能。梯形圖語言作為PLC最常采用的編程語言，因其與繼電器線路類似而受到廣泛使用。PLC在收到單片機發送來的信號之后，控制電機使道閘進行抬起、放下或保持不動，同時每當放行一次過后單片機內部計數器加一，便于記錄當日人流量。控制模塊需要實現的功能包括初始化參數、PLC與單片機通信并控制道閘、顯示人流量等。

1.5 軟件算法

為實現目標功能，我們設計有距離補償、溫度顯示與反饋、PLC通信三部分軟件算法。由于距離偏差的增大會降低測溫精度，我們采用距離補償算法來修正。根據實驗數據，推導距離-溫度補償公式1，其中x為測量距離，y為紅外測得溫度。[1]溫度修正完成后得到精度較高的測量溫度，將在顯示屏或上位機顯示，我們選取不同顏色來表示不同范圍內的溫度數值，根據人體標準溫度與環境通常溫度范圍，選取25-35℃，35-37℃、37-38℃、高于38℃四個范圍用不同顏色模擬熱成像顯示;同時與37.2℃進行比較，若小于此數值，返回放行信號，否則禁止通行。單片機與PLC之間一般采用異步串行通信方法，單片機的串行端口有數據寄存器SBUF，在一定條件下，單片機向SBUF寫入數據時啟動發送過程，向PLC發送命令幀格式，其包括特殊標志碼、PLC站號以及呼叫字符，結束后PLC立即做出響應，同時向單片機發出響應幀，然后完成對道閘的控制。[2]當一個道閘抬放周期之后，PLC內部人數計數器加一，可方便的查看每一日的人流量，便于實施管理。[3]

2 結論

本文介紹了一個功能較為完善的自動人體測溫系統，并且通過測距模塊對真實溫度進行修正，增加了系統的可用性，大幅提高了系統的精度。同時將STM32嵌入式單片機與西門子S7-200系列PLC相結合，提高了系統的性能，同時增強了系統的應用范圍，可在諸如學校、餐館、辦公樓等人流量較大的環境中投入使用，節省了勞動力，避免了交叉感染，同時系統配套設計了外部保護設施，保證了系統能在各種惡劣環境下運行。

參考文獻：

[1]葛澤勛，曹秒，安志勇.基于距離補償的紅外測溫系統設計[J].長春理工大學學報（自然科學版），2019，42（02）：57-60+64.

[2]王琳，李欣，楊靖宇.PLC與單片機之間的串行通信及應用[J].電子測試，2019（14）：86-87.

[3]周柱，孫嬌娜.基于樹莓派和Python的人體隨動測溫系統的設計[J].農業裝備與車輛工程，2018，56（10）：61～64.