疫情防控機(jī)器人

西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 尹錦山 尤振勇 冉 梯 潘 陽(yáng) 蘭昌漩

本文設(shè)計(jì)的疫情防控機(jī)器人由兩部分組成。第一部分為疫情防控裝置，其由芯片和相應(yīng)模塊組裝而成，具有基本疫情防控措施。裝置測(cè)量人體溫度并進(jìn)行分析，裝置主控芯片通過(guò)對(duì)溫度分析的結(jié)果控制警報(bào)裝置、酒精噴灑裝置、門禁的工作，各個(gè)模塊功能的配合實(shí)現(xiàn)疫情防控的目的。第二部分為信息采集小程序，使用微信提供的視圖層描述語(yǔ)言WXML和WXSS以及基于JavaScript的邏輯層框架制作的采集個(gè)人信息的微信小程序。本裝置可以減少人力資源的消耗，降低人與人之間接觸導(dǎo)致疫情傳播的風(fēng)險(xiǎn)，也可以在疫情發(fā)生后排查相關(guān)人員。通過(guò)此次疫情敲響的警鐘，常態(tài)防疫成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠郑搜b置可以有更大的用武之地。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 疫情防控機(jī)器人設(shè)計(jì)

（1）疫情防控裝置設(shè)計(jì)

在疫情防控裝置的控制上，使用處理速度更強(qiáng)、硬件資源更豐富的Cortex-M4內(nèi)核的STM32系列芯片。Cortex-M4內(nèi)核的芯片使用ARM架構(gòu)，該架構(gòu)設(shè)計(jì)合理，其讓微控制器的功能非常強(qiáng)大，同時(shí)還可以滿足功耗低的要求；在供電上STM32微控制器只需要5V電源便可以進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使用非常方便；同時(shí)還需用到其它模塊，比如：舵機(jī)模塊、紅外測(cè)溫模塊、語(yǔ)言播報(bào)模塊等，模塊的相互配合實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。另外，還需要應(yīng)用電路、機(jī)械知識(shí)，設(shè)計(jì)疫情防控機(jī)器人的電路以及內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使疫情防控機(jī)器人可以在不同的環(huán)境都可以安裝使用。

（2）信息采集小程序設(shè)計(jì)

通過(guò)微信小程序與ID卡、人臉識(shí)別等采集人員信息方式進(jìn)行比較后，決定采用微信小程序作為信息采集的方式。因?yàn)槲⑿判〕绦蛟谖覈?guó)幾乎所有區(qū)域已普及，便于疫情防控機(jī)器人可以大面積推廣。人們使用微信掃描小程序二維碼，填寫(xiě)姓名以及聯(lián)系方式便可完成信息采集，簡(jiǎn)單易操作。

1.2 疫情防控機(jī)器人制作難點(diǎn)

（1）疫情防控裝置難點(diǎn)

疫情防空裝置難點(diǎn)在于供電電路的設(shè)計(jì)，人們使用時(shí)裝置供電工作，非使用時(shí)裝置進(jìn)入睡眠模式。由于本項(xiàng)目中使用了多個(gè)模塊，對(duì)于不同模塊使用了不同的通訊協(xié)議，所以在電路設(shè)計(jì)上，必須根據(jù)不同的IO口所具有的硬件資源將不同的模塊與合適的IO口連接到一起，以達(dá)到硬件資源利用最大化。

（2）信息采集小程序設(shè)計(jì)難點(diǎn)

信息采集小程序難點(diǎn)在于將采集到的人員信息與疫情防空裝置采集到的溫度信息相匹配，以便達(dá)到記錄每個(gè)人體溫的效果。

1.3 疫情防控機(jī)器人的設(shè)計(jì)目標(biāo)

疫情防控裝置底層代碼的設(shè)計(jì)，并不斷修復(fù)底層代碼漏洞，使其完美驅(qū)動(dòng)疫情防控機(jī)器人。此外，搭建好疫情防控裝置的各個(gè)模塊、電路和內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)。信息采集小程序在不同年齡段的人中都可以簡(jiǎn)易操作，并且穩(wěn)定運(yùn)行。最終設(shè)計(jì)出代碼邏輯自洽、外表美觀，具有基本疫情防控措施的疫情防控裝置和簡(jiǎn)潔易操作的信息采集小程序。

1.4 疫情防控機(jī)器人預(yù)期成果

疫情發(fā)生后，疫情防控機(jī)器人代替人力對(duì)疫情進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以減少人力資源的壓力。人們進(jìn)出日常生活、工作場(chǎng)所時(shí)，對(duì)人們體溫進(jìn)行檢測(cè)并對(duì)手部進(jìn)行酒精消毒，達(dá)到降低人與人之間的接觸而導(dǎo)致傳染的可能性。另外，收集進(jìn)出各個(gè)場(chǎng)所的人員信息與體溫?cái)?shù)據(jù)，可以找到感染者接觸到的人進(jìn)行排查避免二次傳染，也可以通過(guò)地區(qū)的整體信息分析出地區(qū)疫情趨勢(shì)從而采取相應(yīng)措施。

2 疫情防控裝置硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 各個(gè)模塊功能的實(shí)現(xiàn)

為了項(xiàng)目功能的實(shí)現(xiàn)，需要使主要裝置達(dá)到相應(yīng)的功能，主要裝置有溫度檢測(cè)裝置、酒精噴灑裝置、門禁裝置、語(yǔ)音播報(bào)裝置等。防控裝置所需模塊如圖1所示。

圖1 防控裝置所需模塊

（1）溫度檢測(cè)裝置

采用溫度傳感器GY-906，采集到人體溫度數(shù)據(jù)后，將其以電壓形式傳輸?shù)叫酒ㄟ^(guò)AD轉(zhuǎn)換為相應(yīng)數(shù)字信息得到人體溫度信息。人體溫度信息經(jīng)過(guò)主控芯片分析作為其他模塊運(yùn)行的標(biāo)志。

（2）酒精噴砂裝置

通過(guò)紅外傳感器控制繼電器，再通過(guò)繼電器控制水泵，當(dāng)人們將手伸入工作區(qū)域，紅外傳感器向繼電器輸出電壓到繼電器，當(dāng)繼電器的輸入電壓達(dá)到吸合電壓就會(huì)吸合，則系統(tǒng)會(huì)為水泵供電使其工作。水泵工作抽取酒精通過(guò)花灑噴灑到手部，達(dá)到手部消毒。

（3）門禁裝置

主控芯片完成溫度檢測(cè)且溫度正常，再經(jīng)過(guò)酒精消毒后，就會(huì)控制舵機(jī)運(yùn)行，打開(kāi)門禁達(dá)到控制人員進(jìn)出的功能。

（4）語(yǔ)音播報(bào)裝置

本設(shè)計(jì)使用SYN6288語(yǔ)音合成模塊。在人們使用裝置時(shí)，主控芯片通過(guò)進(jìn)入人員的身體信息，讓語(yǔ)音模塊能夠發(fā)出一定的聲音。在溫度檢測(cè)正常時(shí)，語(yǔ)音模塊發(fā)出“溫度正常”的語(yǔ)句，反之發(fā)出“溫度異常”的語(yǔ)句。可以根據(jù)場(chǎng)景和需求加入自己所需的語(yǔ)句。

2.2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

由于不同模塊的工作電壓不同，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)需要的最好電壓為11V左右，所以使用12V的電池作為總的電源輸入，并且直接對(duì)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)供電。對(duì)STM32F4主控芯片需要5V的電壓，所以需要在電路中加入可調(diào)降壓模塊，整個(gè)系統(tǒng)需要使用到多個(gè)可調(diào)降壓模塊使鋰電池電源提供調(diào)節(jié)電壓，以滿足系統(tǒng)需要。另外，保證能夠?yàn)镸CU及所用到的模塊提供其所需電壓使它們正常工作，這是完成疫情防空裝置工作的前提。

2.3 MCU硬件資源的分配

根據(jù)MCU不同I/O口所具有的硬件資源將不同模塊接在合適的I/O口上，以實(shí)現(xiàn)硬件資源的合理使用。此外，大多數(shù)模塊采用到串口通信，為了滿足模塊能夠?qū)崿F(xiàn)其功能并能夠進(jìn)行相互間的通信從而滿足項(xiàng)目需要，需要將MCU的串口資源進(jìn)行分配，使其不存在沖突順利完成項(xiàng)目所需要的功能。

2.4 整體硬件的構(gòu)造

本項(xiàng)目的整體構(gòu)造采用椴木層板進(jìn)行搭建，首先在稿紙上設(shè)計(jì)出來(lái)利于項(xiàng)目完成的門禁外箱的整體構(gòu)造，然后使用AutoCAD軟件根據(jù)設(shè)計(jì)紙畫(huà)出來(lái)對(duì)木板需要切割的形狀及長(zhǎng)度，然后再使用激光雕刻機(jī)進(jìn)行切割，最后通過(guò)釘子熱熔膠等進(jìn)行搭建，從而得到符合要求的自制門禁。

3 疫情防控機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)

3.1 防控裝置軟件設(shè)計(jì)

圖2是程序執(zhí)行流程圖。本項(xiàng)目中使用的編程語(yǔ)言是C語(yǔ)言，使用的編譯器為MDK。MDK編譯器支持使用C語(yǔ)言對(duì)STM32 系列芯片的驅(qū)動(dòng)，該編譯器功能非常強(qiáng)大，支持在線仿真功能，可以更加直觀的看到程序設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤并及時(shí)改正，對(duì)于程序的調(diào)試非常有幫助的。程序編寫(xiě)時(shí)使用模塊化編程，把不同模塊的初始化及驅(qū)動(dòng)過(guò)程封裝在不同的.c文件中，在main.c文件中只實(shí)現(xiàn)調(diào)用的過(guò)程，不同文件中函數(shù)的調(diào)用通過(guò)對(duì)相應(yīng).h文件的文件調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)。模塊化編程最大的好處就是程序的可閱讀力比較強(qiáng)，編程思路的體現(xiàn)的引更加清晰，對(duì)于程序的分模塊調(diào)試以及程序修改也非常方便。通過(guò)代碼編寫(xiě)控制各個(gè)模塊相互協(xié)調(diào)以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目所需功能。此外，本項(xiàng)目中使用到IO口復(fù)用、IIC通訊、SPI通訊、串口通訊、定時(shí)器、定時(shí)器中斷等，這些功能的正確使用也是項(xiàng)目功能完成的前提，其中特別注意串口資源的分配與使用。因?yàn)榇蠖鄶?shù)模塊都會(huì)用到串口通信，解決好這一問(wèn)題是模塊功能順利實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

圖2 程序執(zhí)行流程圖

疫情防控機(jī)器人在開(kāi)始程序啟動(dòng)后，完成各個(gè)模塊初始化，當(dāng)人進(jìn)出場(chǎng)所使用該裝置時(shí)，首先人將手部伸入溫度檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，檢測(cè)溫度，正常則酒精噴灑裝置對(duì)手部進(jìn)行消毒，人們可通過(guò)掃描二維碼獲得個(gè)人信息，最后門禁打開(kāi)人員進(jìn)入。如果人體溫度異常則裝置發(fā)出警報(bào)，通知工作人員進(jìn)行處理。

3.2 信息采集小程序軟件設(shè)計(jì)

微信小程序開(kāi)發(fā)框架可以讓開(kāi)發(fā)者們能夠通過(guò)簡(jiǎn)便、高效的方式開(kāi)發(fā)具有原生App體驗(yàn)的服務(wù)。一個(gè)微信小程序結(jié)構(gòu)主要由主體文件和頁(yè)面文件兩部分組成，主體文件部分主要由app.json、app.wxss和app.js三個(gè)文件構(gòu)成。app.json文件用來(lái)對(duì)微信小程序進(jìn)行全局配置，它決定了頁(yè)面文件的路徑、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)超時(shí)時(shí)間、窗口表現(xiàn)，http請(qǐng)求跳轉(zhuǎn)、設(shè)置多個(gè)tab等，注意app.json是不可以添加注釋的。app.wxss文件是小程序的全局樣式文件，作用于每一個(gè)頁(yè)面，用于描述WXML的組件樣式。app.js文件使用系統(tǒng)的方法處理全局文件，在整個(gè)小程序中，每一個(gè)框架頁(yè)面和文件都可以使用this獲取app.js文件中規(guī)定的數(shù)據(jù)和函數(shù)，每一個(gè)小程序都會(huì)有一個(gè)app.js文件，有且只有一個(gè)，位于項(xiàng)目的根目錄中。

4 項(xiàng)目研究中遇到的部分問(wèn)題及應(yīng)對(duì)思路與措施

4.1 酒精噴灑裝置的水泵工作問(wèn)題

酒精噴灑裝置如何在人們伸手進(jìn)入裝置工作區(qū)域的時(shí)候水泵工作，水泵運(yùn)作將酒精抽出噴灑出來(lái)，非工作時(shí)水泵停止工作，進(jìn)入休眠狀態(tài)。針對(duì)其供電做出設(shè)計(jì)，在伸手的時(shí)候供電，其他情況下不供電。針對(duì)這一思路采用繼電器來(lái)解決這一問(wèn)題，而如何達(dá)到繼電器運(yùn)作的條件，便由紅外傳感器控制。在紅外傳感器檢測(cè)到人們把手伸入裝置便讓繼電器工作來(lái)給水泵供電，把酒精噴灑出來(lái)。

4.2 各個(gè)模塊的協(xié)同合作問(wèn)題

本項(xiàng)目使用多個(gè)模塊，模塊的工作協(xié)議不同，如何讓各個(gè)模塊合理運(yùn)作達(dá)到預(yù)期的工作效果。

系統(tǒng)使用模塊為Cortex-M4內(nèi)核的STM32系列芯片，各個(gè)模塊被主控芯片集中控制，通過(guò)程序控制相應(yīng)的硬件資源輸出各個(gè)模塊可以識(shí)別的信號(hào)。通過(guò)以上信息，可以通過(guò)芯片內(nèi)部時(shí)鐘來(lái)控制各個(gè)模塊的運(yùn)行時(shí)機(jī)，以達(dá)到各個(gè)模塊的配合實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。

4.3 信息采集小程序與人員溫度匹配問(wèn)題

信息采集小程序?yàn)槲⑿判〕绦颍鴾囟葌鞲衅鞑杉降臏囟却鎯?chǔ)到主控芯片中，如何將兩個(gè)不同系統(tǒng)的信息匹配起來(lái)？雖然兩個(gè)系統(tǒng)無(wú)法連接，但是可以通過(guò)標(biāo)號(hào)的辦法分別將信息采集小程序和主控芯片中的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)號(hào)，信息采集小程序中的一號(hào)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)主控信號(hào)中的一號(hào)數(shù)據(jù)。

總結(jié)與展望：本項(xiàng)目研究的是“疫情防控機(jī)器人”，該裝置具有基本的疫情防控功能，可以進(jìn)行溫度檢測(cè)、酒精消毒、人流量的控制等；也可以采集到進(jìn)出各個(gè)場(chǎng)所的人員的個(gè)人信息，可以通過(guò)與溫度信息匹配，在疫情感染者出現(xiàn)后避免二次傳染。最重要的是采用的芯片模塊，具備模型搭建材料價(jià)格上相對(duì)便宜且裝置易安裝操作，適合普遍推廣，達(dá)到疫情防控常態(tài)化，全面化。

在實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的基本功能后，排除如環(huán)境、氣候、溫度等干擾因素后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況對(duì)所做項(xiàng)目的安全性等進(jìn)行評(píng)估，后期繼續(xù)進(jìn)行思考研究，以增加項(xiàng)目的更多功能去實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目擴(kuò)展，從而去更好的提升項(xiàng)目的實(shí)用性。