潘建西

（成都東軟學院 信息與軟件工程系，四川成都，611844）

0 引言

隨著我國人工智能技術(shù)的日新月異，人們在生活中對智慧家居的需求越來越高。對于智慧家居之一的家用消毒設(shè)備而言，其應用也越來越廣泛。因此，研究家用智能消毒設(shè)備具有良好的經(jīng)濟價值。

近年來對于智能家用消毒設(shè)備而言，許多高校和企業(yè)都進行了大量的研究。例如：文獻[1]采用樹莓派主板和傳感器相結(jié)合的方式，開發(fā)了一款家用消毒機器人，達到了良好的消毒效果；文獻[2]采用形態(tài)分析法設(shè)計了集移動、導航、驅(qū)動、存儲以及噴灑等功能于一體的簡易消毒家用機器人，該作品實現(xiàn)了消毒機器人功能多樣化的目標；文獻[3]采用將消毒模塊融入空調(diào)的方式，開發(fā)了室內(nèi)空調(diào)智能消毒設(shè)備提升了消毒的便捷性。上述智能消毒設(shè)備功能比較完善，在一定程度上均達到了比較好的家用消毒效果。然而實際上，室內(nèi)相當一部分細菌、病毒從由人們從室外帶回的，且當人們從室外回到室內(nèi)時，由于行動軌跡的隨機性，會導致細菌分布呈復雜的狀態(tài)，故室內(nèi)的消毒設(shè)備進行針對性消毒存在一定的困難，且容易導致能耗增加等問題。因此，將細菌消滅于門口，有利于減輕室內(nèi)有害菌的分布復雜性，從而進一步提升室內(nèi)消毒設(shè)備的工作效率、節(jié)約能耗。而實現(xiàn)這個目標的方法是開發(fā)智能消毒門墊，讓人們從室外進入室內(nèi)時，便完成消毒過程，達到減少帶入室內(nèi)的有害細菌，清潔室內(nèi)環(huán)境的目的。

1 控制系統(tǒng)的布局

智能消毒門墊的設(shè)計方法，采用產(chǎn)品設(shè)計原理中的功能與結(jié)構(gòu)相統(tǒng)一的方法，即先擬定系統(tǒng)的基本功能，再結(jié)合功能確定對應的模塊，最后將模塊整合構(gòu)成完整的控制系統(tǒng)[4]。具體的設(shè)計流程，如圖1 所示。

圖1 控制系統(tǒng)設(shè)計流程

根據(jù)上述流程，本文對于智能消毒門墊的基本功能設(shè)定包括：消殺、應力感應、時間控制、顯示、充電等。各項功能對應的模塊，如表1 所示。

表1 智能門墊的功能與模塊

由表1 所示的各系統(tǒng)模塊，需要一個主控板將各模塊整合成一個整體，并實現(xiàn)系統(tǒng)的動作指令控制。由于就本系統(tǒng)而言，需要控制的指令較少，結(jié)構(gòu)相對簡單，只需要確?；镜男畔鬏敽头治?、感應精度等參數(shù)性能即可。因此，系統(tǒng)的主控板采用STΜ32 單片機[6]。該控制系統(tǒng)的基本布局如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)的布局

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

對于該智能消毒門墊而言，其主要的工作步驟為：（1）應力感應。將門墊放置于入戶門口，當人從室外進入室內(nèi)時，腳會對門墊施加載荷。此時，門墊的應力感應模塊會感應到力的作用，并開始進行信號轉(zhuǎn)換；（2）消毒模塊動作。信號傳至主控時，控制器發(fā)出指令，消毒模塊開始啟動。與此同時，通過程序編譯，將消毒時間控制在一定時域內(nèi)，當時間達到規(guī)定的閾值，消毒過程停止；（3）液晶顯示屏顯示應力感應情況、消毒進度、完成率、電量剩余等參數(shù)。從應力感應到消毒過程結(jié)束整個環(huán)節(jié)，用戶均能夠通過液晶顯示屏接收適時的消殺信息，作為判定下一步動作的依據(jù)。因此，在整個模塊的設(shè)計中，應力感應精度、消毒類型、液晶顯示以及無線充電方式等硬件設(shè)計，對于最終的消殺效果、門墊的經(jīng)濟性、舒適度等參數(shù)有關(guān)鍵影響。

■2.1 STM32 單片機類型的選擇

在系統(tǒng)主控板的類型選擇中，考慮到本系統(tǒng)的傳感信號比較單一，僅為應力傳感器感應參數(shù)的傳輸與信號轉(zhuǎn)換。故主控板確定為STΜ32F407 單片機[7]。該單片機具有能耗較低的特點，且能夠高效地實現(xiàn)信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換、處理分析等操作，比較適應于本課題的智能消毒門墊系統(tǒng)，該主控板的部分主要參數(shù)如表2 所示。

表2 STM32F407主要性能參數(shù)

■2.2 消毒模塊的設(shè)計

在室內(nèi)家居消毒模塊的設(shè)計中，目前應用比較廣泛的消毒方法包括：紫外線消毒和消毒液消毒[8～9]。因此，本文在消毒模塊的設(shè)計中，也從這兩種消毒方式之間進行選擇。若智能消毒門墊采用消毒液消毒的方式，則消毒模塊需要設(shè)計消毒液存儲機構(gòu)、噴灑裝置、消毒液容量檢測裝置以及添加接口。對于厚度較薄、實現(xiàn)簡單消殺功能的門墊而言，需要設(shè)計的結(jié)構(gòu)較多，系統(tǒng)比較復雜，且這些設(shè)計會導致門墊的厚度和重量增加較多，經(jīng)濟性不佳。若采用紫外線消毒的方式，則只需要布置一個小型的紫外線燈，便能夠?qū)崿F(xiàn)該功能，該設(shè)計方案的結(jié)構(gòu)比較簡單，對門墊的厚度、重量影響不大，且紫外線殺毒的方式不會造成環(huán)境污染，安全性較高。綜上所述，本文在消毒模塊的設(shè)計中，采用紫外線燈作為消毒模式。紫外線燈管電路設(shè)計如圖3 所示。

圖3 紫外線燈管電路設(shè)計

■2.3 應力傳感模塊的設(shè)計

應力傳感模塊主要是設(shè)置應力傳感器來感應人踩在門墊上的壓力信號。該模塊的設(shè)計中，主要考慮的因素是人進門時，腳作用在門墊上對其施加的載荷大小，由此作為傳感器型號選擇的依據(jù)。因此，選擇量程范圍內(nèi)的應力傳感器是模塊設(shè)計的關(guān)鍵。同時，需要考慮傳感器的檢測精度，以避免主控未接收到信號，而不發(fā)出消毒的動作指令。本文根據(jù)調(diào)研情況，以平均體重為60～80kg 的人為門墊使用對象，選擇高精度的圓形壓力傳感器作為該模塊的基本部件。該傳感器的直徑較小，且厚度比較薄，與門墊扁平的特點相適應，不會過度增加門墊的設(shè)計厚度。該傳感器的主要參數(shù)如表3 所示。

表3 應力傳感器主要參數(shù)

■2.4 液晶顯示模塊的設(shè)計

本課題中，液晶顯示模塊采用TFT-LCD 模塊[10]。該顯示模塊為2.8 寸，顯示色為16 位。能夠滿足人機交互的需求。同時，除系統(tǒng)的自動控制性能外，若用戶需要臨時停止消殺或調(diào)整時間等情況下，該顯示模塊的觸摸屏功能便能夠?qū)崿F(xiàn)用戶的手動調(diào)節(jié)和設(shè)置。即從人機交互的方面來看，該液晶顯示模塊是比較適應的。其模塊接口如圖4 所示。

圖4 液晶顯示模塊接口

■2.5 蜂鳴器的設(shè)計

在控制系統(tǒng)中，當智能門墊開始進行消殺以及消殺過程結(jié)束時，可以采用蜂鳴器來實現(xiàn)對用戶的信息提示。因此對于蜂鳴器模塊的設(shè)計而言，由于涉及到用戶對每個環(huán)節(jié)的準確判斷。其電路是否穩(wěn)定和可靠是設(shè)計的基本依據(jù)。本課題中，選擇的STΜ32 主控板并不能夠直接對蜂鳴器進行驅(qū)動，而是需要通過先連接到三極管上，再經(jīng)過擴流的方式達到驅(qū)動蜂鳴器的目的。所以從本質(zhì)上來說，三極管作為開關(guān)對蜂鳴器進行啟閉。當高電平被輸出時，三極管便會導通，此時蜂鳴器便發(fā)出消殺啟動或結(jié)束的提示音。而當輸出為低電平時，三極管關(guān)斷，蜂鳴器動作停止。蜂鳴器模塊的驅(qū)動電路如圖5 所示。

圖5 蜂鳴器模塊驅(qū)動電路

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

完成控制系統(tǒng)的硬件搭建后，下一步的操作，就是進行控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。以確保控制系統(tǒng)能夠按照指令運行。該環(huán)節(jié)的主要操作步驟為：

（1）構(gòu)建系統(tǒng)運行的控制流程圖。根據(jù)前邊所述的系統(tǒng)運行原理，完成系統(tǒng)運行的流程圖，為后續(xù)程序的編寫奠定基礎(chǔ)[11]?？刂葡到y(tǒng)的運行流程如圖6 所示。

圖6 控制系統(tǒng)工作流程

（2）編寫運行程序。根據(jù)運行流程、需要執(zhí)行的動作、動作的時間、數(shù)據(jù)顯示等情況結(jié)合搭建的硬件進行函數(shù)的編寫和存儲。限于篇幅，以數(shù)據(jù)的顯示為例，部分代碼為：

（3）實現(xiàn)系統(tǒng)配置。該環(huán)節(jié)由STΜ32Cube ΜX 實現(xiàn)系統(tǒng)的配置[12]。主要操作包括：時鐘模塊設(shè)置為晶振、完成GPIO 配置以及函數(shù)庫的調(diào)用等。

通過上述三個步驟的操作，編寫的代碼便燒錄至主控板芯片中[13-14]，即控制系統(tǒng)可以按照指令進行動作，以達到實現(xiàn)預先設(shè)置功能的效果。

4 性能測試

當智能消毒門墊控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計完成后，需要對系統(tǒng)進行性能測試，繼而判定該系統(tǒng)的設(shè)計是否合理。考慮到該消毒門墊包含的模塊較少，功能較為簡單。故系統(tǒng)的測試主要圍繞幾個關(guān)鍵模塊進行。由此，本文制作了簡易的系統(tǒng)模型，并對部分模塊的工作狀況進行了測試，具體的測試結(jié)果如表4 所示。

表4 性能測試

由表4 所示的性能測試結(jié)果可知，整體而言，該系統(tǒng)各個模塊的工作狀況比較良好。整個系統(tǒng)能夠按照控制的指令正常動作，且各模塊的響應速度較快，精度較高，對于正常的家庭消毒使用能夠比較良好的滿足。綜上所述，該智能消毒門墊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局比較合理，達到了預期的設(shè)計要求。

5 結(jié)論

在智能消毒門墊的設(shè)計中，結(jié)合功能與結(jié)構(gòu)相統(tǒng)一的設(shè)計原則，確定了基本的控制系統(tǒng)模塊。以STΜ32 為主控板，將各模塊整合成了一個完整的系統(tǒng)。通過對系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計、性能測試等階段，驗證了該門墊具有良好的消毒效果，同時也佐證了該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。下一步工作，將對該產(chǎn)品開展進一步的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)其性能、經(jīng)濟性等方面的進一步提升。