基于微處理器和外部傳感設(shè)備實(shí)現(xiàn)的自動人體測溫系統(tǒng)

萬?！≤囄牟∩ｌ?/p>

摘? 要：新冠病毒具有強(qiáng)大的傳染性，給全世界的醫(yī)療衛(wèi)生組織都帶來了難題。針對其顯著癥狀之一的發(fā)熱，我們設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)的人體溫度測量反饋系統(tǒng)。文章以STM32F103C8T6與西門子S7-200系列PLC為硬件基礎(chǔ)，圍繞測量、處理、顯示和控制四個(gè)模塊給出了簡易的設(shè)計(jì)模型，可實(shí)現(xiàn)較為完善的功能。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)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(fā)的肺炎疫情爆發(fā)。時(shí)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(fā)熱是其顯著癥狀，傳統(tǒng)方式需要在小區(qū)，學(xué)校門口安排專人時(shí)刻在崗，同紅用紅外測溫儀對進(jìn)入的車輛行人一一檢測，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)增加了站崗人員的染病隱患。為此我們擬設(shè)計(jì)一個(gè)簡易的基于微處理器的人體測溫反饋系統(tǒng)，以便于實(shí)時(shí)監(jiān)控與自動檢測行人體溫。

本系統(tǒng)的核心為熱成像技術(shù)，選用AMG8833熱成像模塊來監(jiān)測周圍溫度，通過非接觸探測紅外熱量，然后內(nèi)部處理轉(zhuǎn)換為電信號，進(jìn)而將熱圖像與測得溫度于顯示器上直觀顯示，同時(shí)將識別的人體溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度進(jìn)行比較，判斷該行人是否有發(fā)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(shè)，構(gòu)成了一個(gè)簡單的測溫反饋系統(tǒng)，著重于對于發(fā)熱與正常溫度行人的區(qū)分以及對于二者完成不同的控制內(nèi)容，來實(shí)現(xiàn)更多場景的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)分析

在本設(shè)計(jì)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(jī)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正處理以及設(shè)置顯示模塊成像顏色;控制模塊為實(shí)現(xiàn)模組，選用西門子S7-200系列PLC，并使其與單片機(jī)建立串行通信系統(tǒng)，充分發(fā)揮快速高效的特點(diǎn)。

1.1 單片機(jī)與 PLC 的基本理論

單片機(jī)是典型的嵌入式微控制器，相當(dāng)于一個(gè)微型計(jì)算機(jī)，可以構(gòu)成各種各樣的應(yīng)用系統(tǒng)，但想要實(shí)現(xiàn)既定的功能，還必須與其它元器件及軟件構(gòu)成系統(tǒng)，在其應(yīng)用系統(tǒng)中，PLC是一個(gè)重要的功能模塊。PLC是微機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其開關(guān)量控制系統(tǒng)的程序用順序功能圖來描述，具有可靠性高，通用靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)，特別是PLC的程序編制，不需要專門的計(jì)算機(jī)編程語言知識，而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的簡單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學(xué)。

1.2 測量模塊

在系統(tǒng)中，AMG8833紅外熱成像傳感器通過一個(gè)8*8的陣列實(shí)現(xiàn)了二維區(qū)域的溫度檢測（如圖1所示），輸出64個(gè)紅外測溫讀數(shù)，相當(dāng)于集成了64個(gè)紅外溫度傳感器，對比一般的設(shè)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(nèi)，具有±2.5℃之內(nèi)的誤差，我們可以通過多次測量減小誤差，以達(dá)到使用要求。研究表明，距離會對目標(biāo)溫度產(chǎn)生一定的測量偏差。根據(jù)數(shù)據(jù)，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(shí)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(bǔ)償算法，對測得的溫度進(jìn)行修正。同時(shí)，選用HY-SRF05超聲波測距傳感器測量距離，此模塊自動發(fā)送8個(gè)40kHz的方波，并自動監(jiān)測返回信號，識別范圍為2-450cm，精度高達(dá)3mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

1.3 處理模塊與顯示模塊

STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)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(jié)RAM，37個(gè)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(wù)。

PLC選用西門子S7-200 系列。相比于傳統(tǒng)的PLC，其整體設(shè)計(jì)緊湊且具有強(qiáng)大的通信功能，在自動化控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛;其控制系統(tǒng)由基本單元、個(gè)人計(jì)算機(jī)、STEP7-Micro/WIN編程軟件以及通信電纜構(gòu)成，在需要進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)，還可以增加數(shù)字量/模擬量擴(kuò)展模塊、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及相應(yīng)的多種控制軟件。

對于處理后的結(jié)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(shè)，滿足64個(gè)測得溫度數(shù)值的顯示來增強(qiáng)直觀性。在接入屏幕之前，通過連接電腦上位機(jī)對于顏色的選取進(jìn)行調(diào)試，處理后得到的8*8個(gè)溫度數(shù)據(jù)，使上位機(jī)顯示出矩陣形式的溫度數(shù)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(jìn)行主控PLC的程序設(shè)計(jì)，該編程軟件是西門子公司為S7-200系列PLC單獨(dú)設(shè)計(jì)的梯形圖編程軟件，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信、在線監(jiān)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(jī)發(fā)送來的信號之后，控制電機(jī)使道閘進(jìn)行抬起、放下或保持不動，同時(shí)每當(dāng)放行一次過后單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器加一，便于記錄當(dāng)日人流量?？刂颇K需要實(shí)現(xiàn)的功能包括初始化參數(shù)、PLC與單片機(jī)通信并控制道閘、顯示人流量等。

1.5 軟件算法

為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能，我們設(shè)計(jì)有距離補(bǔ)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(bǔ)償算法來修正。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，推導(dǎo)距離-溫度補(bǔ)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(jī)顯示，我們選取不同顏色來表示不同范圍內(nèi)的溫度數(shù)值，根據(jù)人體標(biāo)準(zhǔn)溫度與環(huán)境通常溫度范圍，選取25-35℃，35-37℃、37-38℃、高于38℃四個(gè)范圍用不同顏色模擬熱成像顯示;同時(shí)與37.2℃進(jìn)行比較，若小于此數(shù)值，返回放行信號，否則禁止通行。單片機(jī)與PLC之間一般采用異步串行通信方法，單片機(jī)的串行端口有數(shù)據(jù)寄存器SBUF，在一定條件下，單片機(jī)向SBUF寫入數(shù)據(jù)時(shí)啟動發(fā)送過程，向PLC發(fā)送命令幀格式，其包括特殊標(biāo)志碼、PLC站號以及呼叫字符，結(jié)束后PLC立即做出響應(yīng)，同時(shí)向單片機(jī)發(fā)出響應(yīng)幀，然后完成對道閘的控制。[2]當(dāng)一個(gè)道閘抬放周期之后，PLC內(nèi)部人數(shù)計(jì)數(shù)器加一，可方便的查看每一日的人流量，便于實(shí)施管理。[3]

2 結(jié)論

本文介紹了一個(gè)功能較為完善的自動人體測溫系統(tǒng)，并且通過測距模塊對真實(shí)溫度進(jìn)行修正，增加了系統(tǒng)的可用性，大幅提高了系統(tǒng)的精度。同時(shí)將STM32嵌入式單片機(jī)與西門子S7-200系列PLC相結(jié)合，提高了系統(tǒng)的性能，同時(shí)增強(qiáng)了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，可在諸如學(xué)校、餐館、辦公樓等人流量較大的環(huán)境中投入使用，節(jié)省了勞動力，避免了交叉感染，同時(shí)系統(tǒng)配套設(shè)計(jì)了外部保護(hù)設(shè)施，保證了系統(tǒng)能在各種惡劣環(huán)境下運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]葛澤勛，曹秒，安志勇.基于距離補(bǔ)償?shù)募t外測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，42（02）：57-60+64.

[2]王琳，李欣，楊靖宇.PLC與單片機(jī)之間的串行通信及應(yīng)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(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2018，56（10）：61～64.