基于單片機的智能防疫消殺機器人的設計

陳新欣，葉承龍，陳嘉茂，朱春熙，李慧琪

（廣東理工學院，廣東肇慶，526110）

0 引言

新型冠狀病毒疫情的爆發，使得全世界人民的生命和健康面臨著巨大的風險。為了降低傳染風險和及時排查疑似感染人員，公共場合的疫情防控作業是不容忽視的一環。常態化的環境消毒和對來訪者進行體溫測量成為了防疫工作中的常規操作，但是由于公共場合的人流量密集，這也大大地增加了工作人員的感染風險。為了降低人員接觸帶來的交叉感染風險，使用遠程智能機器人設備替代人工是最有效的解決方案。通過對公共場合的疫情防控需要及作業環境進行分析，本文設計的設備符合以下幾個要求：①能夠適應復雜多變的作業環境；②精準檢測來訪者的體溫；③可以進行消毒殺菌作業；④實現遠程操控作業；⑤設備能與控制端實現穩定的信號傳輸；⑥操控便捷高效。

1 系統結構及硬件設計

系統的整體框架如圖1所示，主要由功能模塊、電源管理模塊、主控芯片、物聯網模塊、云端服務器和Android端控制APP組成。通過控制端控制界面可以在遠、近程對設備進行驅動控制，可實現控制模式的選擇、對環境進行消殺作業、對來訪人員進行體溫測量、防控宣傳等功能。

圖1 系統整體框架

智能防疫消殺機器人機械結構上主要由運載車體、功能延伸柱及噴霧裝置三大主要部分組成。車體采用履帶式底盤設計，采用鋁合金框架作為車體底盤支架，搭載4個15W直流驅動電機提供電力，配備了懸掛減震系統，大大的提升了車體的負載能力，同時可以有效適應各種多變的作業環境。為了擴大測試設備的使用空間，設備增加了功能延伸柱的設計，在延伸柱的中下部分設計了電路的放置層，中部設計了用于防疫宣傳的多媒體播放裝置，在延伸柱的頂端放置了體溫測量裝置、語音交互裝置、攝像頭圖傳模塊。噴霧裝置由一個水平方向的單軸直流電機和一個縱向1轉/秒的雙軸直流電機組成的自由度云臺搭載噴霧水泵實現全方位消毒作業。測試設備采用12000MAh 12V的大容量電池作為電源供電，可滿足設備連續作業的需要。系統機械結構如圖2所示。

圖2 系統機械結構圖

防疫消殺機器人采用STC12C5A60S2處理器作為主控芯片；通過物聯網模塊連接云端服務器與控制端進行通訊；電源模塊給L298N模塊和主控芯片供電；設備通過L298N模塊驅動直流電機和噴霧吸水泵進行防疫藥水噴灑作業；通過紅外人體溫度測量傳感器對來訪人員進行體溫測量，并通過OLED數字顯示屏顯示出來，若檢測到高溫發燒人員還會通過語音播放模塊進行警報提醒；為了提高設備的實用性和易操控性，還在設備中加入Openmv4圖像傳輸模塊、超聲波避障模塊、紅外循跡模塊等輔助操控模塊。硬件結構圖如圖3所示。

圖3 硬件結構框圖

針對復雜多變的作業環境和不同場合的作業需求，對本設備設計了遠程控制作業和自動巡線作業兩種工作方式。在比較復雜的環境中使用遠程控制作業模式，在比較寬敞簡單的環境中使用自動巡線作業模式，可以有效的提高疫情防控作業效率。遠程控制作業模式主要是操作Android端設備，通過物聯網模塊以及云端服務器與機器人進行控制信號的傳輸，借助Openmv攝像頭圖傳模塊的輔助，可實現作業現場的遠程圖傳。自動巡線模式狀態時，防疫消殺機器人會通過車子底下的5路紅外循跡傳感器檢測判斷循跡線的位置。為了避免機器人在循跡自動作業的過程中與行人或者障礙物發生碰撞，所以在設備的前后增加了超聲波避障模塊。

2 操控界面

操控界面需要實現設備啟停、信號連接、圖傳顯示、車體的運動控制、自由度云臺的操控、驅動模式切換、消殺作業控制等七大主要功能。界面設計如圖4所示，圖傳顯示界面放置在操控畫面中央，可以更加直觀明了觀測作業現場的實時環境圖傳影像；噴灑云臺的操控采用圓形大圖標設計，圖標內設計了“上升”，“下降”，“左轉”，“右轉”四個點動控制按鍵；車體的驅動控制也采用了圓形大圖標設計，但不同于云臺控制的是，車體上下兩個按鍵為自鎖設計，分別控制車體“前進”，“后退”，左右兩個按鍵為點動按鍵，分別控制車體“左轉”，“右轉”；設備的啟停、自動/手動模式切換、設備與軟件連接、連接列表、返回上一層均采用小圓形圖標按鍵設計，并使用文字標注了按鍵的使用功能；消殺作業的功能按鍵采用圓角大矩形自鎖設計，方便操控人員在控制噴殺云臺方向的同時也可以輕松控制消殺作業的啟停。

圖4 操作軟件界面圖

3 結語

本文介紹的智能防疫消殺機器人是根據新冠疫情背景下防控需求進行分析設計出來的。經運行測試，所有的預期設計功能均能成功實現，實用性很強。本文設計的智能防疫消殺機器人是一款成本低、工作效率高、安全性能高、穩定性強的防疫裝備，適合用于校園、公園、醫院等公共場所，能有效降低公共場合密集人流給工作人員帶來的感染風險，有效緩解工作人員的工作壓力。