智能消毒防疫機器人設計

孫浩瑜，胡嘉慧，王有民，趙錦洋

（西北民族大學，甘肅蘭州，730000）

0 引言

經過本團隊的調研以及走訪，我們設計了一款STM32F1系列芯片作為主控芯片的機器人，通過提前設定路線，自動、高效、精準的對學校食堂，商場，醫院，火車站，飛機場等公共場所進行自主消毒防疫工作，同時可完成智能測溫，語音播報工作。通過各模塊的協作完成相對應的消毒防疫功能，也能夠輔助減輕防疫人員的工作強度，減少人力資源的消耗，有效減少人員交叉感染，提高工作效率。

1 系統總體設計

本項目設計的智能消毒防疫機器人主要由Cortex-M3內核的STM32F1系列芯片作為主控芯片，搭配LD3320語音識別模塊、ZigBee通訊模塊、超聲波模塊、語音播報模塊、溫度檢測模塊、人體測溫模塊以及指紋識別模塊和RFID射頻識別模塊等構成。通過紅外等傳感器返回值對電機的占空比等參數進行調整，進而使機器人沿著設定軌道行進，在行進過程中使用消毒噴灑裝置對周圍環境進行消毒，同時通過微處理器的定時器、IIC通訊協議、SPI通訊協議、I/O口的復用、串口等功能來完成程序的設計和優化。

2 系統硬件設計

本項目是以智能消毒防疫機器人為研究對象，該機器人使用了以STM32為核心的主控芯片，在硬件系統中主要包括自主移動避障系統、人體體溫識別系統、語音控制系統、安全防盜系統以及電機驅動系統。其硬件系統框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統框圖

2.1 電源模塊

如硬件系統框圖所示，消毒防疫機器人采用主備用供電模式。為滿足該消毒防疫機器人在不同工作模式下能夠正常穩定工作的目的，供電模式采用行業主流的鋰電池，鋰電池具有續航時間長的特點。通過內部降壓電路設計，將電池的電壓降壓為各模塊所需要的電壓供電，既能保證芯片的長時間進行工作，又便于檢修。

2.2 核心板模塊

消毒防疫機器人使用STM32F103ZET6芯片作為核心主板，該處理器不僅具有較高的工作頻率，功能強大，替換方便，并且具有豐富的 I/O 外設接口、多種通信接口等。STM32F103ZET6芯片可以對不同類型的情況進行綜合處理，將控制板和各個控制模塊，移動模塊相結合，是消毒防疫機器人的硬件核心。

2.3 自主移動模塊

用紅外傳感器對周圍環境進行檢測，該傳感器利用紅外線來進行數據處理，并且配置超聲波模塊，該模塊通過發送和接收超聲波，利用時間差和聲音傳播速度，計算出模塊到前方障礙物的距離。消毒防疫機器人通過紅外傳感器對路面進行紅外線采集，并將采集到的數據返回到STM32芯片進行數據處理，繼而改變電機方向、數值等參數，通過處理超聲波模塊返回的參數進行避障功能，故機器人可以實現自主移動避障的功能。

2.4 智能控制模塊

本項目中消毒防疫機器人外圍配置指紋鎖模塊、ZigBee通訊模塊、語音識別模塊等。利用As608指紋模塊實現機器人的智能安保功能，此模塊通過高效準確采集指紋圖像信息，將采集到的信息反饋給指紋識別算法芯片完成信息的采集與處理，主控芯片得到處理后的數據實現正確指紋才能開鎖的功能。并且通過LD3320語音識別模塊和ZigBee通訊模塊同時對機器人進行控制，用戶通過LD3320給機器人發送指令，由于LD3320語音識別模塊的識別距離有限，則通過通訊模塊進行信號的傳輸，從而達到對機器人的智能指令控制功能。

2.5 硬件結構

智能消毒防疫機器人在開啟電源后，先通過穩壓電路等對電路進行有效的保護，防止出現電壓過高或者過低的情況，繼而給主控芯片、電機驅動、As602指紋識別模塊、人體測溫模塊、LD3320語音識別模塊、Z igBee通訊模塊、超聲波模塊供電。首先用戶輸入正確指紋使智能消毒防疫機器人進入啟動狀態，機器人通過語音識別模塊對用戶的話語進行識別，獲取正確信息后反饋給主控芯片，之后主控芯片控制電機驅動的各個參數進行自主移動，通過超聲波模塊對周圍環境進行距離檢測，如發現障礙，則不能實現往前的指令，同時利用語音播報對行人進行安全警示。在自主移動避障過程中，采用消毒噴灑裝置來實現對周圍環境的消毒功能。在不進行消毒工作時，機器人通過采集行人給予的測量體溫的信號實現測量體溫功能。

核心板STM32處理器與不同類型的傳感器模塊以不同的數據傳輸方式進行連接，實現人體溫度測量、障礙物距離測量以及移動時路線的實時檢測，噴灑消毒液的功能。

2.6 機械結構

本設計主要針對當今社會，隨著物聯網的不斷發展，疫情情況不斷延續，智能消毒防疫機器人愈加被人們需要，所以設計了一款智能消毒防疫機器人。該設計具有自主移動功能和噴灑消毒液功能以及自主測溫功能。并且其工作環境、溫度等不受限，使得該設計有更大的可使用性。通過各模塊的協作，可以完成智能消毒防疫機器人所具有的功能。

該設計是基于一輛可移動的小車進行功能發展完善，該設計長約40公分，寬約40公分，高約50公分，以便放置電源模塊、核心板模塊、自主移動模塊、智能控制模塊等。在車身上部放置STM32F103ZET6芯片核心主板，方便其與其他模塊進行連線傳輸，對該智能消毒防疫機器人在線路方面進行簡化處理，使電路簡單，不易造成發熱爆炸等現象；在車身底部安裝噴灑消毒液的裝置，使其能夠更全方位的覆蓋周圍環境，以便完成該設計的核心工作：消毒，并且使工作效率更高；在車身前方安裝智能觸摸裝置，方便工作人員對其進行開關以及選擇工作模式；在其車身兩側安裝紅外線傳感器，通過紅外傳感器對路面情況進行紅外線數據采集，并將采集到的數據返回到STM32芯片進行數據處理，之后主控芯片控制電機驅動的各個參數進行自主移動，實現自主移動功能；在其車身上部放置溫度傳感器，方便行人檢測自己的體溫是否處于健康范圍；在其車身上部安裝語音播報以及語音識別模塊，智能消毒防疫機器人通過語音識別模塊對用戶的話語進行識別，獲取正確信息后反饋給主控芯片，同時利用語音播報對行人進行安全警示。

3 主要軟件設計

本項目中使用C語言進行編程，使用的編譯器為Keil 5。而Cortex-M3系列處理器的開發應用可以全部在C語言環境中完成。程序編寫時使用模塊化編程，把不同模塊的初始化及驅動過程封裝在不同的.c文件中，在main.c文件中只實現調用的過程，不同文件中函數的調用通過相應的.h文件來實現。模塊化編程最大的好處就是程序的可閱讀力比較強，編程思路的體現更加清晰，對于程序的分模塊調試以及程序修改也非常方便，方便他人閱讀和學習。

智能消毒防疫機器人在控制芯片啟動之后，先將各模塊進行初始化。當機器人接收到正確指紋后，才能接收用戶所給與的控制信息，如若沒有接收到正確指紋，則返回輸入指紋環節，直到接收到正確指紋。其次，在語音識別到信息后才能進行相應的功能，若收集到需要噴灑消毒液的信息，則進入自移動噴灑消毒液功能中；若沒有接收到噴灑消毒液的信息，則進入人體溫度檢測環節，直到接收到需要噴灑消毒液的指令，如此反復工作。程序執行流程圖如圖2所示。在進入人體溫度檢測環節時，如果STM32核心控制板接收到溫度傳感器傳送回來的人體溫度，則控制語音播報模塊讀出接收到的數據，如果沒有接收到傳送回來的人體溫度或者溫度處于不正常區間，則播報使用者重新測溫的警示。在進行機器人自主移動進行消毒工作環節時，如果主控板沒有接收到左右兩側紅外傳感器以及超聲波模塊返回的數據時，智能消毒防疫機器人以恒定的速度向前行駛，當接收到任意一個傳感器返回的數據時，主控板根據返回的數據進行相應的調節，使機器人能夠穩定正確的行駛在軌跡上。

圖2 程序執行流程圖

4 總結與展望

智能消毒防疫機器人設計完成后，在模擬的公共場合情境中不斷調試機器人的自主移動避障，噴灑消毒液功能，語音控制以及測溫語音播報功能直到機器人能夠完美完成用戶設定的不同任務，達到預期的結果。

調試過程表明，本項目設計的消毒防疫機器人能夠通過各種傳感器模塊、指紋鎖模塊、ZigBee通訊模塊以及消毒噴灑裝置的融合統一實現機器人的自主移動功能、安保功能、人體測溫功能以及消毒液體噴灑功能。同時在試驗過程中，機器人運行穩定、操作簡便,在模擬的環境中可以正確完成各個功能，有較強的實用性。因此，本智能消毒防疫機器人具有一定的使用價值，能夠輔助減輕防疫人員的工作強度，減少人力資源的消耗，有效減少人員交叉感染，提高工作效率。

根據市場需求，相較于人工噴灑消毒液來說，本智能消毒防疫機器人的工作效率更高、工作費用更廉價、工作完成度更強、消耗的勞動力更少。相較于傳統的消毒機器人來說，現在市面存在的消毒機器人只能完成在固定地點、固定模式、固定時間進行消毒，并且體積大質量重，成本也較高，功能單一，不能有效降低防疫人員的工作強度，并且在使用起來不方便，耗時耗力。而本智能消毒防疫機器人完成強度更高，壽命更長久，功能更齊全，擁有更加良好的穩定性與可操作性，對于人工的依懶性不強，在設置工作模式之后即可進行自主工作，無需人工進行監控。

本項目以時代背景疫情防控為基礎，聯想到公共場合的消殺問題，故提出智能消毒防疫機器人的設計。其具有一定的使用價值，但功能還不夠完備，該設計本身的應用層面更廣，不只局限于基于疫情的消殺情境，更是可以應用到養殖場、食品產業等生產線中。但該設計在實際工作環境中還不能夠完全替代人工，希望在今后的學習研究中做更進一步的開發與升級，使該機器人更好的服務于實際應用之中。