智能疫情防控仿真系統的設計*

馬 騫 ， 劉 煜 ， 侯 婧 ， 宋云利 ， 周紅芳

（鄂爾多斯應用技術學院，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

1 課題研究背景

自2019年12月發現第一例新冠疫情病例以來，人們的日常生活受到了巨大威脅。本項目立足疫情防控，預研發設計智能疫情防控仿真系統，在場所出入口實現無接觸無人工的防控方式，彌補目前市場上疫情防控系統的不足，進一步提高防疫安全性和科學性[1-2]。

2 系統設計方案

項目采用STM32為主控制器，搭建圖像處理、紅外體溫采集、自動計數、無線通信等硬件電路并使用C語言、Python語言編寫程序從而實現電路的基本功能；系統使用JavaScript編寫人機交互界面，實時顯示采集信息，根據信息完成相應的控制操作；系統使用云服務器，將采集信息進行存儲與調用；將以上各功能完成并結合以實現系統的整體設計[3-4]，系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2.1 硬件電路設計

系統電路主要包括：主控制器模塊、無線通信模塊、紅外線輻射測溫模塊、數字溫濕度測量模塊、圖像處理模塊、數字光強度測量模塊、繼電器式噴霧裝置、伺服電機模塊、紅外計數模塊、LCD顯示屏模塊、系統供電模塊等[5]，主要模塊電路圖如圖2所示。

圖2 主要模塊電路圖

2.1.1 主控制器模塊

中央控制核心芯片采用STM32F103ZET6芯片，其采用超低功耗的ARM Cortex-M4處理器內核，最高工作頻率可達72 MHz，擁有豐富的外設、內部高速儲存器（96 kB SRAM、512 kB FLASH）以及多種模式的I/O端口，具有高性能、低成本、低功耗的特點。本系統中采用的外設功能包括UART、PWM、IIC、SPI、GPIO等。程序通過MDK5使用C語言對芯片程序進行編寫，通過Segger J-Link工具進行hex文件的燒錄。

2.1.2 圖像處理模塊

圖像處理采用OpenMV攝像頭來為系統提供視覺信息[6]。OpenMV以STM32F427CPU為核心，該模塊集成了OV7725感光芯片，具有高效、低功耗的特點。本系統中采用Python語言對該模塊進行編程來實現是否佩戴口罩的檢測，使用UART與主控連接進行串口通信，波特率為9 600 bps。該模塊由主控模塊提供3.3 V的工作電壓。

2.1.3 其他功能模塊

無線通信采用ESP8266模塊，使用串口與主控通信，波特率為115 200 bps，為主控提供WIFI傳輸能力，工作電壓為3.3 V，啟用透傳模式，在互聯網和主控芯片之間架起了一座橋梁。輻射測溫模塊采用MLX90640探頭，其共有768個測量像素點，檢測距離可達7 m以上，工作電壓為3.3 V，使用IIC接口與主控進行通信，為系統提供遠距離無接觸的人體體溫信息。數字溫濕度測量采用DHT11溫濕度模塊，采用一線制協議，采集系統所處環境溫度和濕度。數字光強度測量采用BH1750光強傳感器，使用IIC協議與主控通信，根據采集到的周圍環境光照強度來控制補光燈的明暗程度。繼電器式噴霧功能的實現是通過使用繼電器來控制噴霧器的一個組合裝置，噴霧器內裝有對空氣有消毒作用的醫用試劑。系統的機動部分為兩個工作電壓6 V，可旋轉角180°，轉矩70 N·m的伺服電機，通過主控芯片產生PWM（脈沖寬度調制）信號來進行門閘的開合。系統產生的信息全部顯示在一塊4.3英寸的分辨率為240×320的LCD屏幕上，采用3.3 V供電，與5 V的主控連接時需在信號線串接120R電阻使用[7]。

2.2 軟件設計

根據系統功能要求，軟件流程圖如圖3所示，具體工作方式如下：系統上電時各個模塊進行初始化，屏幕亮起等待數據產生，當與云服務成功連接后，網絡狀態指示綠燈亮起，系統程序進入主程序，開始與服務器進行信息交互，輻射測溫模塊跟隨OpenMV攝像頭模塊構成的云臺進行行人的追蹤并產生體溫信息，再根據體溫信息和口罩佩戴情況進行門禁的開合動作。當體溫異常時，門禁閉合蜂鳴器開始報警，LED紅燈亮起，繼電器控制的消毒裝置開始工作，此時如果微信客戶端下達控制命令，系統將停止自動控制并按照客戶端命令進行動作。微信小程序端使用JavaScript語言進行編寫，通過訂閱云服務器上的系統發布的數據，用戶可直觀地監督與管理系統的狀態來實現遠程控制。

圖3 軟件流程圖

2.3 云服務器的建立

系統云服務器的建立，使用SSH網絡管理工具遠程操作并部署云服務器，在Windows環境下一般使用Xshell連接服務器[8]。首先，在Xshell生成公鑰，在阿里云控制臺創建密鑰對（選擇配置項，導入已有的密鑰對），輸入剛才在Xshell生成的公鑰信息，在后臺重啟阿里云服務器，之后就可以在Xshell上登錄阿里云服務器。安裝MQTT通信協議來實現下位機與網絡的連接。數據以JSON格式來和微信小程序進行傳輸。系統使用輕量級的傳輸協議和數據格式來減少系統成本，并通過提高傳輸速度來提升系統可靠性和實時性。

消息隊列遙測傳輸協議（Message Queuing Telemetry Transport, MQTT），是一種基于發布/訂閱（publish/subscribe）模式的“輕量級”通信協議，該協議構建于TCP/IP協議上，由IBM在1999年發布。MQTT最大優點在于，可以以極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠程設備提供實時可靠的消息服務[9]。

JSON（JavaScript Object Notation）是一種輕量級的數據交換格式，易于人們閱讀和編寫，也易于機器解析和生成。目前其被廣泛用于物聯網領域[10]。

3 功能測試與結果分析

項目組為測試該項目的可行性，制作了一個縮小版智能防疫門實體模型并投放在一實驗室出入口處進行測試。可靠性方面：在功能測試中，輻射測溫表現良好，在傳感器7 m的檢測距離內精度誤差不超過±1 ℃，可以達到系統功能要求。在下位機系統自動控制情況下，系統反應迅速，各部分功能均能達到預期效果。在微信小程序端遠程控制時，有0.5 s～1.5 s的延遲情況，從測試的實際使用情況來看延遲效果不會影響系統的使用，可以接受。系統穩定性良好。安全性方面：在持續工作5個小時的情況下，伺服電機驅動的門禁沒有出現夾人等危險動作。經濟性方面：系統中支持低功耗模式的各模塊均設置為低功耗模式，在12 V電池直流供電模式下，經測量數據可知，單片機端（傳感器均由單片機端供電）最大電流為30 mA，執行器伺服電機最大工作電流為2.23 A，系統總體能耗極低。

4 小結

本系統的整體設計使用的儀器較少，邏輯簡單，實現了預計的功能要求，成本低，穩定可靠，十分適合在人流量大的場合進行使用，提高了防疫工作的效率和安全性，具有較好的應用前景。