基于人体感应的智能紫外线消毒控制系统设计

梁飞 刘娟秀 粟娟

摘要：针对办公环境的消毒要求，使用嵌入式微处理器STM32F103C8T6作为控制单元，采用蓝牙作为无线通信协议，再配合红外人体感应模块和语音提示，利用紫外线消毒的特性，设计了一款智能紫外线消毒控制系统。该系统能够远程配置消毒时间段，自动根据配置的时间进行消毒，并在紫外线消毒期间对进入消毒区域进行人体检测和语音提示。既有效完成了办公环境紫外线消毒需求，也避免了紫外線辐射对人体的危害，同时实现了智能化和远程控制，节省了人力和物力。

关键词：嵌入式;人体感应;紫外线消毒;远程控制;语音提示

中图分类号：TP23      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）08-0001-03

Abstract： Aiming at the disinfection requirements of the office environment， an embedded microprocessor STM32F103C8T6 is used as the control unit， Bluetooth is used as the wireless communication protocol， combined with the infrared human body sensor module and voice prompts， and the characteristics of ultraviolet disinfection are used to design an intelligent ultraviolet disinfection control system. The system can remotely configure the disinfection time period， automatically perform disinfection according to the configured time， and perform human body detection and voice prompts when entering the disinfection area during ultraviolet disinfection. It not only effectively fulfills the needs of ultraviolet disinfection in the office environment， but also avoids the harm of ultraviolet radiation to the human body. At the same time， it realizes intelligence and remote control， saving manpower and material resources.

Key words： embedded system; human body induction; ultraviolet disinfection; remote control; voice prompt

1 背景

在日常生活中，保持室内安全卫生，定期实施有效消毒，特别是对办公室、教室等公共场所环境的消毒非常重要[1]。紫外线杀菌的广谱性最高，它对几乎所有的细菌及病毒都能高效杀灭，主要是通过对微生物（细菌、病毒和芽孢等病原体）的辐射损伤和破坏核酸的功能使微生物致死，从而达到杀菌消毒的目的。由于紫外线杀菌产品的辐射光在不可见光波段，不需要加入任何化学药剂，也不会对水和周围环境产生二次污染，采用紫外线灯进行室内消毒的方案被广泛采用。但是人处在该类产品工作环境中时，紫外线杀菌灯工作时发出的辐射能量对人的眼睛和皮肤会产生灼伤，使用时一定要避免紫外线直接照射到人的眼和皮肤[2]。

另外在面对数量众多的教室、办公室、食堂、图书馆等公共设施时，往往需要在深夜无人时才能进行消毒操作，这就需要耗费大量的人力和物力，安排专人进行手动开关控制。另外由于人的主观性，容易造成遗漏[3]。

本系统采用基于红外人体感应的智能控制，有效地避免了紫外线伤人事件的发生，同时根据消毒场所不同时间段的具体使用情况，管理人员可以灵活设置紫外线消毒时间，系统定时消毒，定时关闭，节省了人力物力。

2 系统方案设计

如图1所示，系统电路结构包括主控模块、红外人体感应模块、蓝牙传输模块、语音模块、紫外灯控制模块等部分。

主控部分采用STM32F103C8T6作为主控制器，主要完成定时紫外线消毒控制，其主频达到72MHz，可以满足系统响应速度要求。为了避免人体伤害，主控还需要实时对红外人体感应模块传输的人体感应数据进行分析，根据结果控制语音模块进行语音提示，同时控制继电器来操作紫外线灯的开和关。系统控制紫外灯进行消毒的时间是可设置的，管理人员可以通过蓝牙无线通信远程进行消毒时间设置。

3 硬件电路设计

3.1 电源模块设计

本系统中，主控和蓝牙模块所需要电压为DC3.3V，红外人体感应模块使用电源是DC5V，而整个系统采用AC220V供电，所以在电源输入端使用AC-DC降压稳压模块，实现220V交流到直流5V输出，该电压提供给人体感应模块使用。再采用AMS1117电源芯片实现直流5V降压到3.3V输出，从而满足处理器和蓝牙模块的电压要求。电源模块最大输出功率为3.5W，满足系统要求。

3.2 红外人体感应模块设计

本系统采用HC-SR501人体红外传感器，HC-SR501是基于红外线技术的自动控制模块，用来检测人的活动范围，具有灵敏度高，可靠性强，功耗小，隐蔽性好等优点;模块内部采用德国原装进口LHI778 双元探头设计，探头的窗口为长方形，双元（A元，B元）位于较长方向的两端，探头上加了菲涅尔透镜，使得探头四面都可以感应。当人体进入感应范围时，红外光谱到达双元的时间、距离有差值，差值越大，感应越灵敏。这一变化会被后续电路检测到，并进行处理，从而产生报警信号，只要人体一直处于感应范围内，人体红外感应模块就会输出高电平，主控收到该信号后，关闭紫外线灯，避免人体伤害。当人离开时人体红外感应模块会输出低电平，主控在接收到该信号时，恢复之前的状态[4-5]。

3.3 蓝牙无线传输模块设计

蓝牙无线传输部分采用E104-BT10模块，该模块支持Sig-Mesh V1.0标准，可以实现、节点自组网，单网络理论最大可容纳10922个节点设备。设备入网后自动记忆网络信息。手机App可任意节点代理入网，实现Mesh网络远程控制。可方便实现网内广播或任意定点数据透传，透传数据单包最大支持80字节。模块最大的优势在于可中继网络内的任意数据，任意模块都是中继，中继的同时也都可收到数据，模块数据信号覆盖范围50米左右，非常适合实现灯控应用场景。

E104-BT10蓝牙Mesh组网模块包含E104-BT10G，E104-BT10N这两种型号，E104-BT10G作为蓝牙网关，是整个网络的发起者，整个网络中有且只有一个，E104-BT10G在配置的时候，需要设置NetKey，AppKey，其中NetKey是用来保护网络层通信的密钥，在一个Mesh子网中的通信必须使用同一个网络密钥;AppKey用来保护上层传输层的密钥，主要用于针对特殊应用数据的保护[6]。E104-BT10N是整个网络的蓝牙节点设备，可以有多个，主要功能有2点，一是中继功能，用于转发Mesh消息，以构建更大规模网络;二是数据收发功能，用于管理人员配置系统时间和紫外灯消毒时间。Mesh组网就是用 E104-BT10G 把 E104-BT10N 加入网络中[7]。本系统中，E104-BT10N模块与主控通过串口进行通信，波特率为115200。

3.4 语音模块设计

语音模块由NVC020C語音芯片和NS4158音频功放两部分组成。NVC020C语音芯片作为语音载体，它具有成本低，性能稳定，音质高，控制方便，电路简单等诸多显著优点，正常工作电压范围为2V-5V，支持MCU一线串口控制，内部可以存储40s，80s等时长的语音，用户主控MCU可控制任意段语音的触发播放及停止，支持13bit的DAC输出，可外接模拟功放[8]。NS4158音频功放是一款高效率的单声道D类音频功放，在5V电压工作时，可以提供5W的功率，同时内部放大器可以自动检测输出破音失真，自动调整放大器的增益，实现防破音功能。该功放模块支持MCU一线脉冲控制[9]。电路如图2所示。

系统在进行紫外线消毒时，主控先读取Audio_Busy管脚确定NVC语音芯片处于空闲状态。再通过PA_EN管脚输出2个高低电平宽度都为6us，幅值为3.3V的脉冲，在第二个脉冲上升沿后，保持高电平，使NS4158进入防破音模式。最后通过Audio_Data管脚向NVC芯片发送播放内容的地址请求，通过访问语音芯片不同的地址有选择地进行语音播报。语音芯片存放播放内容和相应访问地址如表1所示。

3.5 紫外灯控制模块设计

紫外线消毒的控制是通过打开或关闭紫外灯来实现的，紫外灯工作电压为交流220V，但是控制系统工作电压为直流3.3V和5V，系统使用继电器来实现弱电对强电的控制，同时为了对主控系统进行保护，采用了光耦进行电气隔离。电路如图3所示。

紫外灯通过JK2_IN和JK2_OUT接在继电器常开管脚上，处理器通过JK_2信号管脚控制紫外灯开和闭，该管脚输出为低电平时，光耦导通，使Q1的PNP三极管导通，在射极输出大电流进入继电器，使继电器内部动触电移动，开关闭合，紫外灯点亮。该管脚输出高电平时，光耦不通，Q1三极管截止，射极无电流输出，继电器恢复常开状态，紫外灯灭。

4 软件设计

系统上电正常工作后，系统会将红外人体感应模块、语音模块、蓝牙无线模块、串口中断等硬件和RTC时钟初始化，然后进入消毒处理程序。系统软件设计流程如图4所示。

系统在设置的规定时间内进行消毒工作，但是在工作之前需要先对紫外消杀区域内进行人体检测，若无人，则开启0x00H地址的语音，并打开紫外灯进行消杀。若有人，则开启0x02H地址的语音，并提示人员尽快离开，此时不再开启紫外灯，直至人员离开为止。如果在紫外消杀期间有人进入消杀区域，则开启0x02H地址的语音，并提示人员尽快离开，并关闭紫外灯，直至人员离开为止。消杀完成后，开启0x01地址的语音，并关闭紫外灯。

4.1 系统定时消毒设计

系统使用STM32的RTC定时器进行连续计数来实现消毒的定时工作。RTC定时器中有一个闹钟寄存器RTC_ALR，系统当前时间计数器按TR_CLK周期累加，并与存储在RTC_ALR寄存器中的可编程时间相比较。系统在RTC定时器中RTC_CR控制寄存器中设置了相应允许位，计数器时间与RTC_ALR寄存器时间匹配时将产生一个时钟中断，表示消毒时间到达，需要进行紫外线消毒工作。消毒时间完成的设计也是同理。

系统可以通过修改计数器的值来重新设置系统当前的时间和日期，可以通过修改RTC_ALR 寄存器中的可编程时间来重新设置需要进行消杀的时间段。

4.2 系统组网流程

紫外线消毒时间的远程配置是由蓝牙Mesh网络来进行的，在组建网络时，先通过控制器串口发送命令对E104-BT10G蓝牙网关模块设置相应的NetKey和AppKey，再通过E104-BT10G模块发送设备入网广播。E104-BT10N作为Mesh网络的节点设备，在接收到设备入网广播后，返回自己的MAC地址和网络地址，蓝牙网关设备将得到的新入网设备的MAC地址和网络地址保存下来，用于管理人员进行配置。管理人员通过手机App连入指定的Mesh网络，通过发送包含指定网络地址的广播命令，实现对指定节点设备上的紫外灯消毒时间或指定节点设备上的系统运行时间进行设置和修改。入网配置流程如图5所示。

5 测试

系统上电后，通过手机蓝牙App实现远程配置紫外灯消毒时间段和当前系统运行时间，系统配置完成后，在消毒时间段内，可在红外探头前方，2～4m范围内实现对人员活动的检测。有人时，断开继电器，同时发布语音提示，无人时开启继电器，进行紫外线消毒。不在消毒时间段，红外探头前方无论是否有人员活动，系统都将断开继电器。硬件实物图如图6所示。

6 结束语

本文设计了一款可远程配置，基于人体感应的智能紫外线消毒控制系统。用户可通过蓝牙无线通信灵活配置紫外消毒时间和当前系统运行时间。系统将自动根据设置的紫外消毒时间进行定时消毒，期间无须人为操作，同时使用人體红外感应监测消毒时间段内该区域是否有人员活动，并播放语音进行提示，避免紫外线误伤。该设计具有安全化、智能化的特点，同时节省了大量的人力和物力，在办公室、食堂、学生教室等公共场所的日常消毒方面具有广泛的应用前景。

参考文献：

[1] 苏金凤，王娜，方豪，等.基于STM32的医用紫外线消毒智能防御系统[J].卫星电视与宽带多媒体，2019（17）：13-14.

[2] 曹小兵，陈磊，冉崇高，等.紫外线杀菌产品在消毒杀菌领域的应用研究[J].中国照明电器，2020（4）：6-10.

[3] 张秋卉.智能紫外消毒系统在校园管理中的应用研究[J]. 现代信息科技，2020（4）：172-177.

[4] 深圳市创联发科技有限公司.HC-SR501人体感应模块说明书[EB/OL].[2020-06-10]. https：//wenku.baidu.com/view/b059 e7fb80eb6294dd886c71.html.

[5] 张志刚，纪亚芳，赵青云.人体红外传感器在楼梯间灯光控制系统中的应用[J].山西师范大学学报（自然科学版），2012，26（4）：40-42.

[6] 成都亿佰特电子科技有限公司.E104-BT10_Datasheet _CN_V1.3[EB/OL].（2019-11-11）[2020-05-10]. http：//www.eb yte.com/product-view-news.aspx？id=606&=DS-TM.

[7] 曾胡涛，黄晁，白玉军.基于BLE Mesh组网应用系统设计[J].传感器与微系统，2017，36（12）：64-67.

[8] 广州市九芯电子科技有限公司.NVC系列语音芯片数据手册[EB/OL].（2016-05-25）[2020-06-10].https：//wenku.baidu.com/view/dc74f1bd011ca300a7c39019.html？fr=search-1-income6.

[9] 深圳市纳芯威科技有限公司.NS4158用户手册V1.1.[EB/OL].（2011-03-17）[2020-06-10].https：//wenku.baidu.com/view/b8ccc236eefdc8d376ee32e9.html？fr=search-1-income2.

【通联编辑：谢媛媛】