孙长城，邓 玲，牛牧原，李全彬
（江苏师范大学 物理与电子工程学院，江苏 徐州 221100）
作为生活必需品，空调逐渐成为对抗酷暑与寒冬的利器，但如果长时间处于空调直吹环境，很有可能产生皮肤干燥、关节疼痛、头晕头痛等不良反应。尤其是儿童、老人、孕妇等特殊群体，如果长时间受到空调直吹，在自身免疫力低下时极易感染疾病，存在健康隐患。
目前市面上已存在的空调外置挡风板虽然可以实现挡风的基本需求，但却无法灵活移动。如空调直吹范围内无人，且室内需要快速降温时，就需要减少空调外置挡风板的阻风性，现有设计均需要人为手动或遥控调节挡风板。实际应用中，对于老人、儿童、孕妇等群体，手动调节不方便也不安全。此外，当人体体温偏高时，需要适量的微风吹拂身体，因此，很有必要对挡风板的开启和送风的稀疏程度进行合理控制。
为避免空调直吹带来的健康危害，并且灵活适配现实生活场景，本文设计了基于STM32的智能空调送风装置，可实现自动控制挡风板的升降，并根据人体温度变化合理控制送风稀疏程度，在降低空调直吹风危害的同时提高了生活品质，具有广阔的应用前景。
本设计以STM32F103RCT6为核心控制器。首先，利用OpenMV4判断空调直吹范围之内是否有人存在。若无人，则挡风板保持升起状态；
若有人，则挡风板下降至空调出风口处，同时，OpenMV4返回视野人体中心坐标至STM32F103RCT6。其次，STM32F103RCT6驱动舵机带动MLX90614、超声波测距模块与OpenMV4旋转至人体坐标与视野中心坐标重合的位置，利用MLX90614与超声波测距模块获得体温数据和人体与空调外挡板之间的距离，并且结合距离对MLX90614测得的体温数据进行温度补偿，得出最终体温数据，根据最终体温数据控制挡风板送风的稀疏程度，从而达到防直吹的效果。系统流程设计如图1所示。
图1 系统流程设计
系统硬件电路如图2所示。
图2 系统硬件电路
2.1 STM32F103RCT6核心控制模块
STM32F103是一种高性能、低成本、低功耗的32位单片机，拥有主流Cortex内核及强大的软件支持与丰富的软件包。内置 256 KB的 FLASH、48 KB的RAM、3×12位ADC、1×12位DAC、2个16位基本定时器、2个DMA控制器、3个SPI、2个IC、3路USART通信口、5个串口、1个USB，时钟频率最高可达72 MHz。STM32F103的每个I/O都可以作为外部中断的中断输入口，STM32F103的中断控制器支持19个外部中断/事件请求，每个中断设有状态位，每个中断/事件都有独立的触发和屏蔽设置。
2.2 OpenMV4机器视觉模块
OpenMV4是一个开源、低成本、功能强大的机器视觉模块。以STM32F767CPU为核心，集成了OV7725摄像头芯片，在小巧的硬件模块上，用C语言高效实现了核心机器视觉算法，提供Python编程接口。OpenMV4上的机器视觉算法包括寻找色块、人脸检测、眼球跟踪、边缘检测、标志跟踪等，可以用来实现非法入侵检测、残次品筛选、跟踪固定标记物等。OpenMV采用的STM32F427拥有丰富的硬件资源，引出UART，IC，SPI，PWM，ADC，DAC以及GPIO等接口方便扩展外围功能。USB接口用于连接电脑上的集成开发环境OpenMVIDE，协助完成编程、调试和更新固件等工作。TF卡槽支持大容量TF卡，可用于存放程序和保存照片等。
2.3 MLX90614温度采集模块
MLX90614是一款红外非接触温度计。TO-39金属封装同时集成了红外感应热电堆探测器芯片和信号处理专用集成芯片。温度计出厂校准，包括数字PWM和SMBus输出模式。配置为10位的PWM输出格式用于连续传送温度范围为-20～120 °C的物体温度，供电电压为3 V，具有温度梯度补偿功能，分辨率为 0.01 °C，标准精度为 ±0.5 °C。该模块具有体积小、成本低、易集成、高精度和高分辨率等优点。MLX90614只有4个管脚，分别是供电端VDD，数字信号输入输出端SDA，时钟信号输入端SCL，接地端VSS，电路如图3所示。为保证SDA与SCL在总线空闲时为高电平，使用2个上拉电阻与电源相连。MLX90614电路如图3所示。
图3 MLX90614电路
2.4 超声波模块HC-SR04
在测距模块的选择上，由于激光测距会影响人体皮肤温度，于是本设计采用超声波测距。HC-SR04超声波测距模块可提供2～400 cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达3 mm。超声波测距模块包括超声波发射器、接收器和控制电路，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回，超声波接收器收到反射波立即停止计时。根据时间差和超声波的速度可以估算出发射位置到障碍物的距离。超声波测距原理如图4所示。
图4 超声波测距原理
超声波发射电路如图5所示。当HC-SR04接收到单片机传输的40 kHz的PWM方波时，将驱动CD4049芯片，反相器CD4049在方波的驱动下输出交流电压到超声波发射器，使超声波传感器产生谐振。当HC-SR04接收到回波信号时，输出回波信号，回波信号的脉冲宽度和距离成正比。
图5 超声波测距发射电路
完善的软件控制系统是本系统平稳运行的核心。本系统基于Keil μVision5编程环境，运用C语言编写代码。软件总体设计流程如图6所示。
图6 软件设计流程
3.1 人像检测功能设计
本系统通过OpenMV4人像识别检测视野内是否有人活动，若视野中同时出现多个人时以最近者为准。该功能利用OpenMV4的haar算子实现人像识别，一旦检测到人就会将其框住并返回当前坐标到STM32F103RCT6。人像检测功能反馈效果如图7、图8所示。
图7 框选人体返回坐标
图8 舵机追踪人体
3.2 人体测温功能设计MLX90614
应用MLX90614 红外测温模块与超声波测距模块制作了人体测温系统，由于距离因素会影响MLX90614的测温精度，为了让MLX90614在空调直吹范围内发挥最大性能，本文通过测量人体与空调出风口之间的距离进行对应的温度补偿。人体测温系统流程如图9所示。
图9 人体测温系统流程
3.3 挡风板的控制设计
单片机接收到OpenMV4传回的数据时进行判断。若空调直吹范围内无人，则舵机保持初始状态，即空调挡风板保持抬升状态；
若空调直吹范围内有人，则调用人体测温功能，且单片机实时接收人体温度数据，结合人体温度调节次挡风板舵机的旋转角度来实时控制空调送风的疏密程度。挡风板控制流程如图10所示。
图10 挡板控制流程
现场测试时，测试对象为2名青年男女。本实验分成3种情况：（1）空调直吹范围内无人；
（2）青年女性为正常体温，出现在空调直吹范围内；
（3）青年男性模拟剧烈运动后出现在空调直吹范围内。整体装置如图11所示。
图11 整体装置
第一种场景是OpenMV4视野内无人活动。此时舵机保持初始状态，空调挡风板持续抬升。场景一装置反馈结果如图12所示。
图12 场景一：视野内无人活动
第二种场景是OpenMV4视野内有人且被测对象体温在正常范围内。此时舵机带动OpenMV4追踪人像，并用白框实时框住人像，舵机带动挡风板下降至空调出风口处，由于被测者体温在正常范围内，无需过多送风，故挡风板的小孔处于部分封闭状态，这时送风程度比较稀疏。场景二装置反馈结果如图13所示
图13 场景二：有人且被测对象体温在正常范围内
第三种场景是OpenMV4视野内有人且被测对象体温偏高，例如剧烈运动后或者炎热的夏天。此时舵机带动OpenMV4追踪人像，并用白框实时框住人像，舵机带动挡风板下降至空调出风口处，由于被测者体温较高，需要稍大的送风量降暑，故挡风板的小孔处于全部打开状态，这时送风强度高。场景三装置反馈结果如图14所示。
图14 场景三：有人且被测对象体温偏高
以上是本设计模拟的3种比较典型的生活场景，根据实验结果表明，本设计能够根据不同的生活场景很好地实现其对应的功能。
本设计以控制空调挡风板的升降和送风疏密程度为主要内容，智能空调送风设计的研究不仅要考虑当前室温，还要考虑人与空调的距离。本文通过超声波测距与红外测温模块相互配合，由二者反馈的数据进行温度补偿，从而控制挡风板的疏密程度，达到防直吹的效果。STM32F103RCT6作为核心控制器，能实时接收、处理各模块返回的数据，且可以根据处理后的数据有效控制各模块的运作。
本设计具有自动控制挡风板升降、根据体温变化合理控制送风稀疏程度的功能，集智能化、个性化于一体，致力于为用户打造安全、便捷的空调使用环境，在保障基本需求的同时带给用户更舒适的体验，应用前景广阔。
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