基于ESP8266 的公交汽車自動消毒系統設計

楊華，李自成，楊軒昱，賴忠亮，胡 強

（成都理工大學工程技術學院，四川 樂山 614000）

一場突如其來的新冠肺炎疫情，對各個國家的經濟、人民健康危害極大。因此，我國加速建立起來完善的防疫消毒設施是迫在眉睫的必要工作。如果將自動控制技術和公交汽車消毒裝置相互結合，能更加有利于公交汽車的防疫消毒工作[1]。并且，相比于人工消毒更加便捷，節約成本，以及能在更精確的時間及時消毒，基于單片機技術和WiFi 通信技術的原創操控技術將工作效率實現最大化提升。本文基于單片機和ESP8266 模塊設計了公交汽車的自動消毒裝置，系統能夠在設置時段進行自動消毒，并可通過WiFi 網絡發送至控制中心，工作人員可以通過紅外對射傳感器反饋的公交汽車乘客人數設定更加頻繁的消毒次數。系統制造以及運行成本低，實時通信可靠，操作便捷。

1 系統構成及工作原理

公交汽車自動消毒系統主要由控制系統和硬件系統組成，控制系統主要包括控制中心的APP 模塊。硬件系統主要由WiFi 通信模塊ESP8266，顯示模塊、按鈕模塊、舵機模塊、噴灑器模塊以及語音提示模塊等模塊組成。模塊化設計使控制系統更加容易操作和調試。通過ESP8266WiFi 通信模塊的功能，連接區域內局域網，通過控制中心實現對公交汽車自動消毒裝置的控制。手動按鈕模塊根據具體情況，司機可以及時控制消毒開始以及消毒停止，顯示模塊用于顯示即將消毒剩余時間、工作人員設置的額外消毒的開始時間以及司機是否開始或暫停消毒。舵機模塊可設置指定角度主要消毒，使噴頭到達指定位置時停止轉向，進行消毒，使主要消毒部位更完全地消毒。語音提示模塊根據具體情況，發出相應的語音提示。如果無需額外增加消毒次數，利用定時功能即可。

1.1 ESP8266 模塊

ESP8266 是一款低價的32 位Wi-Fi 串口模塊，其集成度高、功耗低、性能穩定、溫度范圍寬，被廣泛應用于物聯網設備領域[2]。該芯片有17 個GPIO 引腳，在使用的過程中，為避免Node MCU 開發板無法正常工作的情況，禁止使用GPIO 的6～11 這6 個引腳。2 引腳不能連接低電平，15 引腳在Node MCU 開發板運行的過程中要一直保持在低電平狀態，0 引腳在開發板運行中需要一直保持高電平狀態。整個車位地鎖裝置在運行過程中，Node MCU 各引腳的輸入和輸出電壓應不高于3.3V，輸出電流的最大值是12mA，防止電壓或電流過高而損壞模塊。在本設計中Wi-Fi 模塊組作為整個裝置的核心，要同中央控制系統進行無線連接。

1.2 紅外對射傳感器

公交汽車客流量需要依靠紅外對射傳感器來檢測。紅外對射傳感器由發射端、接收端、光學透鏡等組成，其原理是紅外二極管發射紅外射線，當有乘客上車以及下車時，阻擋了對射傳感器接收端接收紅外線，進行信息處理，將客流量反饋到控制中心，在控制中心顯示屏上顯示，便于工作人員進行后續消毒處理。該模塊具有體積小、便于裝配、抗干擾能力強等優點。可以通過調節模塊中的電位器旋鈕來調節檢測距離。本設計選擇HM-Sensor 紅外傳感器模塊，該模塊共有三個引腳，VCC 引腳在該裝置中接入3.3 V 電壓，GND引腳外接地，OUT 引腳接Wi-Fi 模塊組的D1 引腳。

1.3 顯示模塊

顯示模塊用來顯示公交汽車消毒時間，工作人員是否設置下次消毒時間等信息，本設計選用6.7 寸OLED顯示屏，具有功耗低、高分辨率、超大可視角度（大于 160°）的特點，工作電壓3V～5V，兼容3.3V 和5V電平邏輯。模塊使用 I 2C 通訊，四個端口分別連接到Wi-Fi 模 塊組上。根據實際情況，可顯示“即將消毒”“消毒開始”“消毒暫停”等信息。

1.4 語音提示模塊

公交汽車在即將進行消毒時需要進行語音提示。本系統采用N588D 語音單片機，是一款具有單片機內核的語音芯片。擁有MP3 控制模式、按鍵控制模式、按鍵組合控制模式、并口控制模式、一線串口控制模式、三線串口控制模式以及三線串口控制控制端口擴展等輸出模式。該模塊功能豐富，能靈活更換SPI-Flash 內的語音內容。支持USB 接口和標準串口，輸入電壓DC2.8～5.5V，IO 電平3.3V，工作電流10mA。該模塊能很好適應整個裝置的電壓標準。該模塊抗干擾能力強，可在各種惡劣環境中穩定運行，適應工作溫度可達80℃，工作濕度最高達到95%，適應各種公交汽車的需要。當公交汽車處于工作時間時，到達工作人員設定的消毒時間時語音提示模塊會提示“即將進行消毒”；若公交汽車司機按下暫停消毒按鈕，語音模塊會提示“司機已暫停消毒”。

1.5 舵機模塊

舵機是集成了電機、電機控制器和減速器等元件的伺服單元，公交汽車自動消毒系統的噴灑模塊是依靠舵機來進行驅動，噴頭轉動不同的角度由舵機轉動角度來確定[3]。該公交汽車自動消毒系統采用MG90S舵機，該舵機的作用角度為0°～180°，舵機槳可以任意在某個角度固定，由于供電原因使用蠻力是很難掰動舵機槳的，只有舵機掉電之后舵機槳才會任意扭動，該舵機具有價格便宜、扭矩大、壽命長、性能穩定等優點。工作電壓為3.5V～5V 電壓功率的舵機，所以其電源線可以直接接到單片機的+5V 和GND 上，信號線可以接到單片機的一個IO 端口上，這個IO 端口通過輸出PWM 控制消毒噴頭的角度在任意位置上固定停留，需要時可以固定進行消毒。

1.6 噴灑模塊

本裝置采用霧化8/11/12 管三通微噴頭自動定時噴霧912 毛管三通噴頭。該噴頭和ESP8266WIFI 模塊結合起來，即可實現智能化、自動化。既可以通過控制中心定時噴灑也可通過司機按鈕控制噴灑。也可根據公交汽車具體乘客的數量情況，設置不同模式，更加有效、安全地進行消毒。該裝置采用先進的防老化技術，保證了該產品的實用性與可靠性。

1.7 雙基色LED 模塊

雙基色LED 模塊用于提醒消毒進程，可分別顯示紅燈和綠燈，控制中心可設置兩種顏色的亮度，當光線較強烈時增加亮度，光線較暗減小亮度。當消毒時，亮起綠燈，當暫停時會亮起紅燈，從而在需要進行消毒時可以更好地提醒公交汽車乘客。

2 系統軟件設計

通過計算機進行代理操作，為方便系統測試本設計在局域網訪問 ESP8266。軟件設計分為ESP8266 程序的編寫和手機端App 軟件Car station 程序的搭建。ESP8 266 搭建簡易的Web 服務端，所有的網絡請求都使用get。程序使用Anduino ide，控制端程序使用HBuildX ide，代理軟件選用nginx，串口調試助手用花生殼內透軟件HsKDDNS_5.3.03488。程序啟動過程為：初始化硬件→連接Wi-Fi 模塊→配置服務端內容→查詢硬件→控制部分硬件→傳遞網絡服務請求。具體流程為：流程開始，軟件進行初始化，自動噴灑裝置關閉，裝置進行連接局域網熱點，控制中心進行定時消毒，消毒情況反饋給軟件系統，再次進行初始化，循環上述過程。消毒流程如圖1 所示。

圖1 控制中心消毒流程圖

在司機需要手動控制消毒時，司機可以根據實際情況，通過公交汽車的手動按鈕來控制消毒的開始與暫停[4]。如果控制中心在定時控制公交汽車消毒時，司機根據實際情況，可以通過手動按鈕進行強制暫停消毒，在適宜進行消毒時，司機可手動操作繼續進行消毒。實現了消毒資源的最大化利用，節省了人力物力。具體操作流程為：公交車需要消毒時，流程開始，模塊進行初始化，自動噴灑裝置關閉，裝置連接上局域網之后與控制中心進行連接，控制中心不進行操作時，裝置按照設置的定時時間進行消毒，若人流量較大，控制中心可設置更加頻繁的消毒次數，根據實際消毒情況，如“消毒完成”“消毒已被司機暫?！钡确答伒娇刂浦行?，以便于控制中心進行之后消毒管理。

在司機操作模式下，模塊首先進行初始化，自動噴灑裝置關閉，司機可通過公交汽車乘客數量進行手動消毒，手動消毒結束后將消毒是否成功反饋到控制中心，以便于控制中心后續的消毒。沒有到達定時消毒時間，則由控制中心和司機控制消毒次數，當到達定時消毒時間，司機可以通過手動按鈕進行控制，是否暫停，如果不按下消毒暫停按鈕，則公交汽車內將進行“消毒即將開始”的語音提示，雙基色模塊綠色亮起，顯示屏顯示開始消毒。若司機根據公交汽車內實際情況，按下暫停按鈕，公交汽車內將進行“消毒中止”的語音提示，雙基色模塊紅色亮起，顯示屏顯示消毒中止的提示[5]。操作流程圖如圖2 所示。

圖2 司機操作流程圖

3 結語

本文以ESP8266 無線Wi-Fi 系列開發板Node MCU為主控制器，利用二次聲明開發的控制中心軟件來實時監測公交汽車消毒的情況，利用語音提示模塊來提醒公交汽車乘客即將要進行消毒[6]。公交汽車消毒時間會實時顯示在顯示屏和控制中心軟件上，自動消毒裝置的硬件系統連接公交汽車上的局域網，與軟件進行互通，可以使控制中心能夠及時控制公交汽車消毒系統，通過公交汽車線路裝置，司機能使用手動按鈕控制消毒裝置開始以及暫停。實現了自動消毒功能，有效提高了消毒效率以及節約了更多的人力。