楊華，李自成，楊軒昱，賴忠亮，胡 強(qiáng)

（成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂山 614000）

一場(chǎng)突如其來的新冠肺炎疫情，對(duì)各個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)、人民健康危害極大。因此，我國(guó)加速建立起來完善的防疫消毒設(shè)施是迫在眉睫的必要工作。如果將自動(dòng)控制技術(shù)和公交汽車消毒裝置相互結(jié)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(jié)約成本，以及能在更精確的時(shí)間及時(shí)消毒，基于單片機(jī)技術(shù)和WiFi 通信技術(shù)的原創(chuàng)操控技術(shù)將工作效率實(shí)現(xiàn)最大化提升。本文基于單片機(jī)和ESP8266 模塊設(shè)計(jì)了公交汽車的自動(dòng)消毒裝置，系統(tǒng)能夠在設(shè)置時(shí)段進(jìn)行自動(dòng)消毒，并可通過WiFi 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至控制中心，工作人員可以通過紅外對(duì)射傳感器反饋的公交汽車乘客人數(shù)設(shè)定更加頻繁的消毒次數(shù)。系統(tǒng)制造以及運(yùn)行成本低，實(shí)時(shí)通信可靠，操作便捷。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

公交汽車自動(dòng)消毒系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)組成，控制系統(tǒng)主要包括控制中心的APP 模塊。硬件系統(tǒng)主要由WiFi 通信模塊ESP8266，顯示模塊、按鈕模塊、舵機(jī)模塊、噴灑器模塊以及語音提示模塊等模塊組成。模塊化設(shè)計(jì)使控制系統(tǒng)更加容易操作和調(diào)試。通過ESP8266WiFi 通信模塊的功能，連接區(qū)域內(nèi)局域網(wǎng)，通過控制中心實(shí)現(xiàn)對(duì)公交汽車自動(dòng)消毒裝置的控制。手動(dòng)按鈕模塊根據(jù)具體情況，司機(jī)可以及時(shí)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(shí)間、工作人員設(shè)置的額外消毒的開始時(shí)間以及司機(jī)是否開始或暫停消毒。舵機(jī)模塊可設(shè)置指定角度主要消毒，使噴頭到達(dá)指定位置時(shí)停止轉(zhuǎn)向，進(jìn)行消毒，使主要消毒部位更完全地消毒。語音提示模塊根據(jù)具體情況，發(fā)出相應(yīng)的語音提示。如果無需額外增加消毒次數(shù)，利用定時(shí)功能即可。

1.1 ESP8266 模塊

ESP8266 是一款低價(jià)的32 位Wi-Fi 串口模塊，其集成度高、功耗低、性能穩(wěn)定、溫度范圍寬，被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備領(lǐng)域[2]。該芯片有17 個(gè)GPIO 引腳，在使用的過程中，為避免Node MCU 開發(fā)板無法正常工作的情況，禁止使用GPIO 的6～11 這6 個(gè)引腳。2 引腳不能連接低電平，15 引腳在Node MCU 開發(fā)板運(yùn)行的過程中要一直保持在低電平狀態(tài)，0 引腳在開發(fā)板運(yùn)行中需要一直保持高電平狀態(tài)。整個(gè)車位地鎖裝置在運(yùn)行過程中，Node MCU 各引腳的輸入和輸出電壓應(yīng)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(shè)計(jì)中Wi-Fi 模塊組作為整個(gè)裝置的核心，要同中央控制系統(tǒng)進(jìn)行無線連接。

1.2 紅外對(duì)射傳感器

公交汽車客流量需要依靠紅外對(duì)射傳感器來檢測(cè)。紅外對(duì)射傳感器由發(fā)射端、接收端、光學(xué)透鏡等組成，其原理是紅外二極管發(fā)射紅外射線，當(dāng)有乘客上車以及下車時(shí)，阻擋了對(duì)射傳感器接收端接收紅外線，進(jìn)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(jìn)行后續(xù)消毒處理。該模塊具有體積小、便于裝配、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)模塊中的電位器旋鈕來調(diào)節(jié)檢測(cè)距離。本設(shè)計(jì)選擇HM-Sensor 紅外傳感器模塊，該模塊共有三個(gè)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(shí)間，工作人員是否設(shè)置下次消毒時(shí)間等信息，本設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(gè)端口分別連接到Wi-Fi 模 塊組上。根據(jù)實(shí)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(jìn)行消毒時(shí)需要進(jìn)行語音提示。本系統(tǒng)采用N588D 語音單片機(jī)，是一款具有單片機(jī)內(nèi)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(kuò)展等輸出模式。該模塊功能豐富，能靈活更換SPI-Flash 內(nèi)的語音內(nèi)容。支持USB 接口和標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)整個(gè)裝置的電壓標(biāo)準(zhǔn)。該模塊抗干擾能力強(qiáng)，可在各種惡劣環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，適應(yīng)工作溫度可達(dá)80℃，工作濕度最高達(dá)到95%，適應(yīng)各種公交汽車的需要。當(dāng)公交汽車處于工作時(shí)間時(shí)，到達(dá)工作人員設(shè)定的消毒時(shí)間時(shí)語音提示模塊會(huì)提示“即將進(jìn)行消毒”；若公交汽車司機(jī)按下暫停消毒按鈕，語音模塊會(huì)提示“司機(jī)已暫停消毒”。

1.5 舵機(jī)模塊

舵機(jī)是集成了電機(jī)、電機(jī)控制器和減速器等元件的伺服單元，公交汽車自動(dòng)消毒系統(tǒng)的噴灑模塊是依靠舵機(jī)來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，噴頭轉(zhuǎn)動(dòng)不同的角度由舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度來確定[3]。該公交汽車自動(dòng)消毒系統(tǒng)采用MG90S舵機(jī)，該舵機(jī)的作用角度為0°～180°，舵機(jī)槳可以任意在某個(gè)角度固定，由于供電原因使用蠻力是很難掰動(dòng)舵機(jī)槳的，只有舵機(jī)掉電之后舵機(jī)槳才會(huì)任意扭動(dòng)，該舵機(jī)具有價(jià)格便宜、扭矩大、壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。工作電壓為3.5V～5V 電壓功率的舵機(jī)，所以其電源線可以直接接到單片機(jī)的+5V 和GND 上，信號(hào)線可以接到單片機(jī)的一個(gè)IO 端口上，這個(gè)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(shí)可以固定進(jìn)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(dòng)定時(shí)噴霧912 毛管三通噴頭。該噴頭和ESP8266WIFI 模塊結(jié)合起來，即可實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化。既可以通過控制中心定時(shí)噴灑也可通過司機(jī)按鈕控制噴灑。也可根據(jù)公交汽車具體乘客的數(shù)量情況，設(shè)置不同模式，更加有效、安全地進(jìn)行消毒。該裝置采用先進(jìn)的防老化技術(shù)，保證了該產(chǎn)品的實(shí)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(jìn)程，可分別顯示紅燈和綠燈，控制中心可設(shè)置兩種顏色的亮度，當(dāng)光線較強(qiáng)烈時(shí)增加亮度，光線較暗減小亮度。當(dāng)消毒時(shí)，亮起綠燈，當(dāng)暫停時(shí)會(huì)亮起紅燈，從而在需要進(jìn)行消毒時(shí)可以更好地提醒公交汽車乘客。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行代理操作，為方便系統(tǒng)測(cè)試本設(shè)計(jì)在局域網(wǎng)訪問 ESP8266。軟件設(shè)計(jì)分為ESP8266 程序的編寫和手機(jī)端App 軟件Car station 程序的搭建。ESP8 266 搭建簡(jiǎn)易的Web 服務(wù)端，所有的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)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(diào)試助手用花生殼內(nèi)透軟件HsKDDNS_5.3.03488。程序啟動(dòng)過程為：初始化硬件→連接Wi-Fi 模塊→配置服務(wù)端內(nèi)容→查詢硬件→控制部分硬件→傳遞網(wǎng)絡(luò)服務(wù)請(qǐng)求。具體流程為：流程開始，軟件進(jìn)行初始化，自動(dòng)噴灑裝置關(guān)閉，裝置進(jìn)行連接局域網(wǎng)熱點(diǎn)，控制中心進(jìn)行定時(shí)消毒，消毒情況反饋給軟件系統(tǒng)，再次進(jìn)行初始化，循環(huán)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(jī)需要手動(dòng)控制消毒時(shí)，司機(jī)可以根據(jù)實(shí)際情況，通過公交汽車的手動(dòng)按鈕來控制消毒的開始與暫停[4]。如果控制中心在定時(shí)控制公交汽車消毒時(shí)，司機(jī)根據(jù)實(shí)際情況，可以通過手動(dòng)按鈕進(jìn)行強(qiáng)制暫停消毒，在適宜進(jìn)行消毒時(shí)，司機(jī)可手動(dòng)操作繼續(xù)進(jìn)行消毒。實(shí)現(xiàn)了消毒資源的最大化利用，節(jié)省了人力物力。具體操作流程為：公交車需要消毒時(shí)，流程開始，模塊進(jìn)行初始化，自動(dòng)噴灑裝置關(guān)閉，裝置連接上局域網(wǎng)之后與控制中心進(jìn)行連接，控制中心不進(jìn)行操作時(shí)，裝置按照設(shè)置的定時(shí)時(shí)間進(jìn)行消毒，若人流量較大，控制中心可設(shè)置更加頻繁的消毒次數(shù)，根據(jù)實(shí)際消毒情況，如“消毒完成”“消毒已被司機(jī)暫?！钡确答伒娇刂浦行?，以便于控制中心進(jìn)行之后消毒管理。

在司機(jī)操作模式下，模塊首先進(jìn)行初始化，自動(dòng)噴灑裝置關(guān)閉，司機(jī)可通過公交汽車乘客數(shù)量進(jìn)行手動(dòng)消毒，手動(dòng)消毒結(jié)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(xù)的消毒。沒有到達(dá)定時(shí)消毒時(shí)間，則由控制中心和司機(jī)控制消毒次數(shù)，當(dāng)?shù)竭_(dá)定時(shí)消毒時(shí)間，司機(jī)可以通過手動(dòng)按鈕進(jìn)行控制，是否暫停，如果不按下消毒暫停按鈕，則公交汽車內(nèi)將進(jìn)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(jī)根據(jù)公交汽車內(nèi)實(shí)際情況，按下暫停按鈕，公交汽車內(nèi)將進(jìn)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(jī)操作流程圖

3 結(jié)語

本文以ESP8266 無線Wi-Fi 系列開發(fā)板Node MCU為主控制器，利用二次聲明開發(fā)的控制中心軟件來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jìn)行消毒[6]。公交汽車消毒時(shí)間會(huì)實(shí)時(shí)顯示在顯示屏和控制中心軟件上，自動(dòng)消毒裝置的硬件系統(tǒng)連接公交汽車上的局域網(wǎng)，與軟件進(jìn)行互通，可以使控制中心能夠及時(shí)控制公交汽車消毒系統(tǒng)，通過公交汽車線路裝置，司機(jī)能使用手動(dòng)按鈕控制消毒裝置開始以及暫停。實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)消毒功能，有效提高了消毒效率以及節(jié)約了更多的人力。