基于STM32的飛沫智能檢測儀

黃裕滿 孫燕斌 劉文一 高鴻

摘? 要：基于STM32的飛沫智能檢測儀，是一款基于單片機控制的，集飛沫靜電吸附、電子顯微鏡物理觀察、程序自動篩選、單片機控制的自動報警系統(tǒng)于一體的簡易裝置，為解決快速檢測空氣中飛沫是否攜帶致命感染病毒的問題。通過單片機控制，更快速、準確的檢測飛沫中攜帶的病毒，能大大提升預防傳染病的能力，對傳染病防治起到積極影響。

關(guān)鍵詞：STM32;飛沫;檢測儀

一、項目概述

據(jù)美國疾控中心研究表明新冠病毒的傳播主要是通過飛沫傳播。人體呼吸道飛沫的測量研究表明，人在講話和咳嗽時會在空氣中噴出帶有分泌物的飛沫，其中含有病原體的飛沫是導致呼吸道傳染病傳播的重要原因。由此可見，當世界上出現(xiàn)某種新的傳染病病毒時，如果不被第一時間發(fā)現(xiàn)的后果是多么的嚴重。基于此前提，我們這款集靜電吸附、單片機程序控制于一體的智能飛沫檢測儀就運應而生。本產(chǎn)品是基于STM32控制的，集飛沫靜電吸附、電子顯微鏡物理觀察、程序自動篩選、單片機控制的自動報警系統(tǒng)于一體的簡易裝置。主要是為了實現(xiàn)更快速，方便的檢測空氣中的飛沫是否攜帶致命病毒，更好的預防傳染病的發(fā)生。

二、項目總體設(shè)計

本項目設(shè)計一款基于單片機控制的，集飛沫靜電吸附、電子顯微鏡物理觀察、程序自動篩選、單片機控制的自動報警系統(tǒng)于一體的簡易裝置。計劃將目前已知病毒的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，再把已知病毒分類為危害大和危害小這兩種程度。電子顯微鏡的載玻片收集在空氣中飄動的飛沫，飛沫會在環(huán)狀電極附近空間感應帶電，在重力、靜電力和空氣阻力的作用下加速降落在載玻片上，通過電子顯微鏡的病毒成像與數(shù)據(jù)庫中的圖像進行對比，判斷病毒類型，若數(shù)據(jù)庫中含有該病毒的數(shù)據(jù)，若擬合度超過90%及以上，認為該病毒為已知病毒，再從數(shù)據(jù)庫里分析其危害程度。若危害程度大，則向接收設(shè)備發(fā)送警報信息;否則不發(fā)送。如果這種病毒為未被收錄進已有的數(shù)據(jù)庫，也會向接收設(shè)備發(fā)送警報信息，提示出現(xiàn)新傳染病毒。同時自動將該新型病毒收錄入庫。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.呼吸道飛沫收集裝置

本項目的主要收集裝置將采用基于感應靜電加速技術(shù)的呼吸道飛沫收集裝置。該裝置包括呼吸道飛沫收集箱和感應靜電發(fā)生系統(tǒng)，呼吸道飛沫收集裝置的主體箱上固定左右蓋板，前蓋板用于密封主箱體前面的開口，載玻片和鍍鋅鐵皮用一對強磁性的磁鐵均勻固定在主箱體底部和左右蓋面上，感應靜電發(fā)生系統(tǒng)的靜電發(fā)生器產(chǎn)生靜電，電流在主箱體前部的環(huán)狀電極周圍空間形成感應電場，在鍍鋅鐵皮上產(chǎn)生感應電荷，絕緣環(huán)卡在主箱體前面的固定槽內(nèi)，完全包裹環(huán)狀電極，開關(guān)用來控制感應靜電系統(tǒng)的通斷。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便、可行度高﹑攜帶方便和成本低，一次能采集到多種不同粒徑的顆粒物，且采樣不受外界的影響。

2.STM32控制器

STM32處理器的主要組成部分是微處理器、復位電路、存儲電路。該處理器性能高、體積小、成本低。工作頻率高達72MHz，程序存儲器容量高達256KB，支持I2C，SDIO，SPI，USART等接口模式，可滿足不同條件下的通信需求。本文采用的STM32處理器其內(nèi)部含有12位A/D轉(zhuǎn)換，是一種高效微處理器。

3.LCD1602

LCD1602受DE2開發(fā)板上的一塊Cyclone II FPGA控制，兩者相關(guān)引腳相連。通過對FPGA進行編程就可以驅(qū)動LCD1602，從而實現(xiàn)字符的顯示。本系統(tǒng)主要功能為通過LCD1602驅(qū)動程序顯示CGROM中包含的字符，顯示過程中可以隨意選擇在LCD上顯示的字符位置，并且可以通過按鍵實現(xiàn)復位功能。LCD1602通過8位并行信號進行控制。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計

1.圖像傳輸

本系統(tǒng)主要包括視頻信號采集、圖像處理、圖像傳輸三個部分。視頻信號的采集需要使用專用的視頻編碼器件;對于圖像處理功能，人們普遍采用了數(shù)字信號處理器代替?zhèn)鹘y(tǒng)計算機的方式;大量原始視頻數(shù)據(jù)的上傳存儲后的再分析則需要高速的PCI總線傳輸。本文對數(shù)字圖像的實時處理采用的是DSP芯片，同時用PCI總線接口來解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蕟栴}。在解決視頻信號采集方面，選用了A/D SAA7111A模塊;并利用TMS320VC5509A DSP芯片實現(xiàn)數(shù)字圖像處理模塊的硬件電路設(shè)計;解決了大量視頻數(shù)據(jù)的緩沖問題。構(gòu)建了系統(tǒng)視頻數(shù)據(jù)采集、實時圖像處理和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布脚_。

視頻信號采集完成后，圖像處理模塊即可對視頻信號進行處理。具體實現(xiàn)時，F(xiàn)PGA將兩片大容量存儲器交替映射到DSP的CE2空間，F(xiàn)PGA將原始視頻信號存入一片存儲器的同時，DSP將另一片存儲器中的數(shù)據(jù)讀入DSP并進行處理，所得結(jié)果再存入這片存儲器。DSP擴展異步存儲器的容量是有限的，但本設(shè)計視頻信號的存儲需要擴展大容量的存儲器來實現(xiàn)。實現(xiàn)的方法是在FPGA中通過CEl空間擴展一個地址寄存器，用這個寄存器作為大容量存儲器的高位地址，在需要時DSP對其進行修改，F(xiàn)PGA將這個地址與DSP訪問CE2空間時的地址組合后作為訪問大容量存儲器的地址。本文通過運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來進行圖片處理，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個自帶反饋系統(tǒng)的多層次網(wǎng)絡(luò)，可以通過大量的練習，來減小鑒別誤差，得到期望的輸出結(jié)果。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分為三層，分別是輸入層、中間層、輸出層。通過層層傳遞，最大化的減小實驗誤差。如果出現(xiàn)誤差（即所得結(jié)果達不到預期），就通過自帶的反饋系統(tǒng)讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反向傳遞，不斷根據(jù)誤差來調(diào)整精確度（權(quán)值合閥值）。就這樣多次的訓練，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所得的結(jié)果就能更接近期望值。捕獲圖像數(shù)據(jù)的代碼如下：

if（！ i_vsync && i_href && i_start）begin

If（i==0）begin rgb565_buf[7：0]<=i_data[7：0];o_valid<=0;end

Else begin o_rgb565[15：0]<={rgb565_buf[7：0]，i_data[7：0]};

o_valid<=1;end

i<=～i;

End else o_valid<=0;

2.遠程控制

應用ONENET平臺的短消息服務，向裝置綁定的終端發(fā)送報警信息，同時該平臺也提供定位服務，可以讓我們更快定位發(fā)出信息的設(shè)備的位置。我們通過ESP8266以及MQTT協(xié)議實現(xiàn)單片機與云平臺OneNET的交互，以此來達到人們對環(huán)境中飛沫的實時檢測的功能。

ESP8266模塊的主要代碼如下：

（1）SoftwareSerial mySerial （rxPin，txPin）;

（2）mySerial.println（“AT”）;

（3）mySerial.println（“AT+CWMODE=3”）;

（4）mySerial.println（“AT+RST”）;

（5）mySerial.println（“AT+CWJAP=＼”zzh＼”＼”12345678＼””）;

（6）mySerial.println（“AT+CIFSR”）;

（7）mySerial.println（“AT+CIPSTART=＼”TCP＼”＼”183.230.40.34＼”80”）;

（8）mySerial.println（“AT+CIPMODE=1”）;

（9）AT+CIPSEND;

五、、結(jié)語

本項目設(shè)計了以STM32F103為核心的飛沫智能檢測儀，集飛沫靜電吸附、電子顯微鏡物理觀察、程序自動篩選、單片機控制的自動報警系統(tǒng)于一體的簡易裝置。能實現(xiàn)更快速，方便的檢測空氣中的飛沫是否攜帶致命病毒，更好的預防傳染病的發(fā)生的功能。該系統(tǒng)適用于醫(yī)療場所、學校等人員聚集的場所。

參考文獻

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