基于STM32 的智能控制型消毒系統(tǒng)＊

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?，F(xiàn)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(fā)展迅速，所帶來的環(huán)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(zhì)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(xiàn)在很多家庭以及多人流動場所都針對空氣質(zhì)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(tǒng)”應運而生。該系統(tǒng)運用STM32 為控制中樞，通過各個模塊的輔助，初步實現(xiàn)了對環(huán)境溫濕度的實時監(jiān)控，以確保環(huán)境溫濕度是否處于人體適宜范圍內(nèi)，且用戶進入環(huán)境前可通過遙控端開啟紫外消毒燈對環(huán)境消毒，大大降低了環(huán)境病毒的存活率，從而實現(xiàn)防范作用。

1 系統(tǒng)的硬件設計

以電子系統(tǒng)為核心的消毒系統(tǒng)是未來智能消毒的發(fā)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(tǒng)及液晶顯示電路。系統(tǒng)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(yōu)點[3]。其主要特性如下：①兼容5 V 的I/O 管腳；②優(yōu)異的安全時鐘模式；③內(nèi)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(nèi)部含有12 位A/D 轉(zhuǎn)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(fā)。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(shù)據(jù)。可將用戶的硬件設備與Wi-Fi 無線網(wǎng)絡進行連接，進行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，從而實現(xiàn)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(tǒng)參數(shù)，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(jù)環(huán)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(qū)明亮和黑暗區(qū)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(jù)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(chǎn)生高電平數(shù)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(fā)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(nèi)外的紫外線密度，內(nèi)部配有放大器，可根據(jù)紫外線的強度將光電流轉(zhuǎn)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(shù)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(tǒng)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(huán)境進行檢測，將采集到的數(shù)據(jù)通過A/D 轉(zhuǎn)換發(fā)送給主控板；利用通信模塊向STM32 主控板發(fā)送指令，最終實現(xiàn)對硬件設備的無線控制；利用液晶顯示屏將各部分數(shù)據(jù)顯示出來。通過上述模塊間連接，從而實現(xiàn)智能家居的控制。軟件代碼采用linkboy 進行開發(fā)，該開發(fā)軟件具有仿真功能，有利于代碼的開發(fā)和調(diào)試，在調(diào)試完成后燒錄至主控板中運行。

系統(tǒng)程序所使用的編寫語言為圖像化編程語言，通過主要函數(shù)輔以子函數(shù)從而實現(xiàn)各模塊的功能。

主程序流程圖如圖8 所示。該系統(tǒng)采用STM32 單片機作為主控板來控制各個模塊間的數(shù)據(jù)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(jīng)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(shù)據(jù)和遠程控制，采集的指令經(jīng)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(tǒng)。

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(xiàn)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(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要通過溫濕度傳感器獲取溫度與濕度數(shù)據(jù)，紫外線傳感器獲取紫外線強度數(shù)據(jù)，由STM32 主控將紫外消毒燈以及LED 燈的狀態(tài)以及傳感器獲得的數(shù)據(jù)上傳至軟件，如圖10 所示。軟件設有高溫報警系統(tǒng)，當溫度數(shù)據(jù)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(fā)送，如圖11 所示。

圖10 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，溫濕度與紫外線強度顯示為實時數(shù)據(jù)，紫外消毒燈與LED 燈的狀態(tài)是：0 關閉，1 開啟。數(shù)據(jù)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(diào)試

硬件與軟件的連接通過Wi-Fi 實現(xiàn)，連接后在手機上打開軟件進行調(diào)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(shù)據(jù)是否變化來檢驗硬件是否正常傳輸。觀察的數(shù)據(jù)如圖13 所示，由此可以得出數(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)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(tài)從圖14 變?yōu)閳D15 所示的狀態(tài)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(fā)了報警，軟件如圖16 所示向郵箱發(fā)送了高溫通知。

圖13 溫濕度與紫外線強度數(shù)據(jù)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(tài)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(xiàn)遠程控制，以達到建立智能控制型消毒系統(tǒng)的目的。

4 結論

經(jīng)過反復實踐證明，使用STM32 為主控板的智能控制型消毒系統(tǒng)運行較為穩(wěn)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(shù)據(jù)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(tǒng)。該系統(tǒng)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(yī)療場所。