基于STM32 的智能控制型消毒系統＊

陳洪，宋麗涵，陳莉莉，陳羽頎，黃祿強，沈佳慧

（莆田學院機電與信息工程學院，福建莆田 351100；福建省高校現代精密測量與激光無損檢測重點實驗室，福建莆田 351100）

2020-01，新型冠狀病毒席卷全球，由于其可通過空氣及物體進行傳播，使得中國乃至全世界深受困擾。人民日報在2020-02 指出紫外線和熱敏感能夠影響到冠狀病毒，因此提出猜想：可以利用紫外線消毒燈對教室、房間、客廳、會堂等一些場所進行消毒從而殺死新型冠狀病毒。另外，社會發展迅速，所帶來的環境變化、廢氣污染物排放等諸多問題也會造成中國的空氣質量不斷惡化和下降，從而使得中國各種慢性呼吸病的患者死亡率越來越高。雖然現在很多家庭以及多人流動場所都針對空氣質量問題采取了防范與補救措施，但所使用的方式大都不科學，所以很難起到作用。于是，“智能控制型消毒系統”應運而生。該系統運用STM32 為控制中樞，通過各個模塊的輔助，初步實現了對環境溫濕度的實時監控，以確保環境溫濕度是否處于人體適宜范圍內，且用戶進入環境前可通過遙控端開啟紫外消毒燈對環境消毒，大大降低了環境病毒的存活率，從而實現防范作用。

1 系統的硬件設計

以電子系統為核心的消毒系統是未來智能消毒的發展趨勢[1]，硬件電路設計分為主控芯片STM32 控制器、三個傳感電路、遠程遙控系統及液晶顯示電路。系統硬件電路總體設計原理如圖1 所示。

1.1 STM32 控制器

STM32 處理器主要由微處理器、復位電路、存儲電路組成[2]。該處理器具有性能高、體積小、功耗低、成本低等優點[3]。其主要特性如下：①兼容5 V 的I/O 管腳；②優異的安全時鐘模式；③內部RC 振蕩器；④最高工作頻率72 MHz。

課題采用的STM32F103 處理器不同于初代單片機，其內部含有12 位A/D 轉換，是一種高效微處理器。

1.2 Wi-Fi 通信模塊

ESP8266 是一款串口型Wi-Fi 通信器，其能通過串口與單片機通信；這款模塊簡單易學，體積小，便于嵌入式開發。通過AT 指令配置，與單片機的串口進行傳輸通信，再利用Wi-Fi 遠程遙控傳輸數據。可將用戶的硬件設備與Wi-Fi 無線網絡進行連接，進行互聯網或局域網通信，從而實現遠程通訊功能。引腳連接如圖2 所示。

圖2 ESP8266 原理圖

在使用時，需要利用指令配置系統參數，ESP8266 設置指令格式如表1 所示。

表1 ESP8266 功能指令表

1.3 傳感器模塊

1.3.1 溫濕度傳感器模塊

溫濕度傳感器模塊所使用的傳感器為DHT11，它的工作原理是由于濕敏元件和溫敏元件存在的電氣特性，它們會根據環境溫濕度的變化而變化，從而進行溫濕度的測量。OUT 引腳與主控板B13 引腳相連，VCC 與GND 分別接3.3 V 電源與地，實物及原理圖如圖3 所示。

圖3 DHT11 溫濕度傳感模塊實物與原理圖

1.3.2 人體紅外感應模塊

在眾多識別人體的傳感器模塊中選擇了人體熱釋電感應模塊。該模塊具有以下特點：①熱釋電紅外傳感器使用了劃分檢測區明亮和黑暗區域的菲涅爾透鏡[4]；②熱釋電紅外傳感器對人體運動引起的紅外輻射變化十分敏感[5]。

圖4 是人體熱釋電感應的實物圖，元器件安裝位置如圖所示，工作原理是熱釋電探頭根據熱釋電效應檢測到人體后由處理電路對信號進行處理，最后產生高電平數字信號輸送給主控器。圖中V 腳和G 腳接5 V 電源正負極，IN 腳接主控器A8 腳。

圖4 人體紅外感應模塊實物與原理圖

熱釋電效應的公式是：

式（1）中：ΔV為電壓變化量；A為熱釋電元件的表面積；R為電路中的電阻；Ps為自發式極化強度；P為熱釋電系[6]。

1.3.3 紫外線強度傳感器

ML8511 是紫外線傳感器，其可用于獲取室內外的紫外線密度，內部配有放大器，可根據紫外線的強度將光電流轉換為電壓，從而來檢測紫外線強度[7]。AD 引腳與主控板B1引腳相連，OUT 引腳與主控板B2 引腳相連，VCC 與GND分別接3.3 V 電源與地，其實物圖與原理圖如圖5 所示。

圖5 ML8511 模塊實物與原理圖

1.4 液晶顯示設計

液晶顯示屏上實時顯示當前溫度和濕度以及紫外線強度，當紫外線強度后的數值為01 時表示連接成功，00 則表示連接失敗。消毒燈與房間燈光皆可以手機APP 遠程遙控，0 為未開啟，1 為開啟。液晶顯示如圖6 所示。

圖6 液晶顯示界面圖

1.5 硬件實物圖

硬件實物圖主要有STM32 主控電路、電源供電電路、Wi-Fi 模塊電路、OLED 液晶顯示電路以及三個傳感電路組成，如圖7 所示。

圖7 硬件實物圖

2 系統的軟件設計

2.1 軟件設計流程圖

利用溫濕度和紫外線傳感器對房間環境進行檢測，將采集到的數據通過A/D 轉換發送給主控板；利用通信模塊向STM32 主控板發送指令，最終實現對硬件設備的無線控制；利用液晶顯示屏將各部分數據顯示出來。通過上述模塊間連接，從而實現智能家居的控制。軟件代碼采用linkboy 進行開發，該開發軟件具有仿真功能，有利于代碼的開發和調試，在調試完成后燒錄至主控板中運行。

系統程序所使用的編寫語言為圖像化編程語言，通過主要函數輔以子函數從而實現各模塊的功能。

主程序流程圖如圖8 所示。該系統采用STM32 單片機作為主控板來控制各個模塊間的數據交互，利用紅外人體傳感器模塊、溫濕度傳感器以及紫外線傳感器來進行信息采集，采集的信號經由信號處理電路處理后傳輸給主控器；Wi-Fi 模塊負責傳輸數據和遠程控制，采集的指令經過信號處理電通過串口通訊方式傳輸給軟件。使用者可以通過軟件控制整個系統。

圖8 主程序流程圖

2.2 登錄界面顯示功能

登錄界面的功能包含用戶名、密碼以及登錄，在輸入用戶名和密碼后點擊登錄，當用戶信息填寫錯誤時，在登錄按鈕上方會出現提示，賬戶密碼都無誤時，即進入后臺操作界面。登錄界面如圖9 所示。

圖9 登錄界面圖

2.3 數據采集

數據采集主要通過溫濕度傳感器獲取溫度與濕度數據，紫外線傳感器獲取紫外線強度數據，由STM32 主控將紫外消毒燈以及LED 燈的狀態以及傳感器獲得的數據上傳至軟件，如圖10 所示。軟件設有高溫報警系統，當溫度數據高于30 ℃時，軟件報警。在后臺操作頁面可設置高溫報警閾值，通過郵件方式發送，如圖11 所示。

圖10 數據采集界面圖

圖11 高溫報警設置圖

2.4 遠程控制界面功能

通過登錄界面輸入正確賬號密碼后進入后臺操作界面，操作界面顯示由傳感器獲取主控電路上傳的數據，溫濕度與紫外線強度顯示為實時數據，紫外消毒燈與LED 燈的狀態是：0 關閉，1 開啟。數據下方為4 個操作按鍵。前兩個為控制紫外消毒燈按鈕，后兩個為控制LED 燈按鈕。如圖12所示。

圖12 遠程控制界面圖

3 硬件與軟件調試

硬件與軟件的連接通過Wi-Fi 實現，連接后在手機上打開軟件進行調試。接通實物的電源開關后等待實物連接上Wi-Fi，之后通過觀察溫濕度和紫外線強度的數據是否變化來檢驗硬件是否正常傳輸。觀察的數據如圖13 所示，由此可以得出數據傳輸正常。接著測試軟件是否能夠控制硬件，分別點擊“開啟紫外線消毒燈”和“開啟led”按鍵，發現如圖14 所示硬件上的兩盞燈開啟并且液晶屏上顯示“正在消毒”和“房間燈光已開啟”。當人體傳感器檢測到人體后，硬件運行狀態從圖14 變為圖15 所示的狀態圖。測試高溫報警時，將報警條件設為大于等于30 ℃，將溫度升高到45 ℃后觸發了報警，軟件如圖16 所示向郵箱發送了高溫通知。

圖13 溫濕度與紫外線強度數據圖

圖14 紫外消毒燈與LED 燈開啟圖

圖15 感應到人體后運行狀態圖

圖16 高溫報警圖

通過測試可以得出該設計能夠通過Wi-Fi 實現遠程控制，以達到建立智能控制型消毒系統的目的。

4 結論

經過反復實踐證明，使用STM32 為主控板的智能控制型消毒系統運行較為穩定。采用ESP-8266（Wi-Fi 遠程控制模塊）、DHT11（溫濕度傳感器）和ML8511（紫外線強度傳感器）等數據采集模塊，SH1106（液晶顯示模塊）等主要的功能模塊，構成了所設計的智能控制型消毒系統。該系統具有遠距離操控、高溫報警及智能控制等功能，適用于小型家居場所和醫療場所。