淺談基于疫情下的智能消殺小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韋才晶，冼燦嬌，李甜甜，賴其英，李健偉，唐銘吉

（廣西民族師范學(xué)院數(shù)理與電子信息工程學(xué)院，廣西 崇左 532200）

1 前言

2019 年12 月新冠疫情爆發(fā)以來(lái)，部分公共場(chǎng)合需要進(jìn)行常規(guī)性消毒，阻止新冠病毒的傳播。起初，消毒通常采取人工方式進(jìn)行，一線工作人員穿上悶熱的防疫服，背負(fù)笨重的消毒水箱，雙手?jǐn)y帶沉重的噴灑工具，對(duì)公共場(chǎng)所進(jìn)行“掃蕩”式地消殺。這種情況下，工作非常辛苦，且由于“接觸式”地消殺，容易感染新冠病毒。基于這樣的背景下以及疫情防控需求，我們團(tuán)隊(duì)針對(duì)多種病毒傳播途徑提出制作一款無(wú)接觸式的智能消殺工具——基于疫情下的智能消殺小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以此來(lái)取代人工接觸性消殺，達(dá)到減輕勞動(dòng)負(fù)擔(dān)以及降低人員感染新冠機(jī)率。該小車系統(tǒng)設(shè)置了小車避障、酒精噴灑、水位檢測(cè)、報(bào)警裝置等模塊。我們?cè)陧?xiàng)目開(kāi)展過(guò)程中，提出在小車多個(gè)位置安裝超聲波來(lái)識(shí)別是否存在障礙物，使小車對(duì)障礙物的識(shí)別更加敏捷，行進(jìn)時(shí)更加順暢，并在消毒液噴灑裝置上加裝水位傳感器，檢測(cè)蓄水箱水位，水位過(guò)低時(shí)，發(fā)出警報(bào)，以便操作者及時(shí)添加消毒液等，來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)消殺的功能。

2 設(shè)計(jì)思路

目前，新興消殺滅菌智能設(shè)備的市場(chǎng)愈發(fā)火熱，以霧化消毒和紫外線消毒為主。一般的消毒殺菌都是由專業(yè)人員使用工具進(jìn)行作業(yè)，不僅不能保證效率，還會(huì)對(duì)身體安全有一定的危害，目前，市面的消毒機(jī)只能在固定地點(diǎn)、固定時(shí)間，用固定模式完成消毒工作，且體積質(zhì)量大，用起來(lái)耗時(shí)費(fèi)力，而本設(shè)計(jì)能自主消殺運(yùn)行，完美地解決了以上問(wèn)題。

本設(shè)計(jì)使用STC89C52 單片機(jī)作為主要控制的芯片開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)了一款可以通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙控制的智能消殺小車，本設(shè)計(jì)研究的“智能消殺小車”不局限于時(shí)間、地點(diǎn)、空間，不僅減輕了人力負(fù)擔(dān)，降低了消殺成本，還有效地實(shí)現(xiàn)了人機(jī)分離，無(wú)接觸遙控式自主消殺，實(shí)現(xiàn)高效、安全地消殺滅菌。本設(shè)計(jì)在手機(jī)端控制下運(yùn)作，運(yùn)行途中，當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí)能夠快速調(diào)整方向，自動(dòng)選擇行進(jìn)路徑。當(dāng)水位傳感器檢測(cè)到小車搭載的蓄水箱內(nèi)水位過(guò)低時(shí)，報(bào)警模塊和水位傳感器將信號(hào)傳送至單片機(jī)，蜂鳴器發(fā)出響聲，提醒工作人員添加消毒液。本設(shè)計(jì)是理論與實(shí)踐的體現(xiàn)，基于理論知識(shí)制作本設(shè)計(jì)，達(dá)到學(xué)以致用的效果。

本設(shè)計(jì)需要使用到一個(gè)STC89C52 核心板、一個(gè)HC-05 藍(lán)牙模塊、一個(gè)紅外感應(yīng)模塊、一個(gè)水位傳感器、兩個(gè)USB 加濕霧化模塊、一個(gè)SG90 舵機(jī)。以STC89C52做為核心的控制器，紅外傳感器及超聲波做為識(shí)別障礙物的裝置，水位傳感器用于水位報(bào)警，HC-05 藍(lán)牙模塊做為單片機(jī)與手機(jī)通信的無(wú)線模塊，舵機(jī)用來(lái)控制行進(jìn)方向。

3 硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)初期，首先確定了本設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)的具體功能，結(jié)合各個(gè)功能的實(shí)際用途對(duì)各個(gè)具體功能按不同的應(yīng)用功能，進(jìn)行了細(xì)致的功能劃分，確定了主控模塊、避障模塊、噴灑模塊、舵機(jī)模塊、水位監(jiān)測(cè)與報(bào)警模塊等五大模塊，并針對(duì)各個(gè)功能之間的關(guān)系，繪制了系統(tǒng)整體的系統(tǒng)框圖，對(duì)各個(gè)具體功能之間的應(yīng)用關(guān)系進(jìn)行了進(jìn)一步的梳理劃分。緊接著，在理論知識(shí)的基礎(chǔ)上繪制了各個(gè)功能模塊的電路原理圖，通過(guò)進(jìn)行反復(fù)的仿真實(shí)驗(yàn)、測(cè)試，經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)與調(diào)試，確定了STC89C52 作為本設(shè)計(jì)的核心芯片，以及確定了能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)功能的電子器件，如HC-05 藍(lán)牙模塊、紅外傳感器、超聲波傳感器、水位傳感器、USB 加濕霧化器、SG90 舵機(jī)等。在初代設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中應(yīng)用該設(shè)計(jì)，結(jié)合在各個(gè)使用場(chǎng)景中的實(shí)際使用情況，分析該設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中遇到的問(wèn)題以及設(shè)計(jì)的可行性與實(shí)用性等，升級(jí)調(diào)整了該設(shè)計(jì)的各個(gè)硬件模塊，最終經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)、改造，完成了硬件部分整體的設(shè)計(jì)。

3.1 設(shè)計(jì)框圖

本設(shè)計(jì)電路原理圖可以細(xì)分為電源電路、主控模塊、避障模塊、藍(lán)牙模塊、噴灑模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與報(bào)警模塊。

基于新冠疫情下的智能消殺小車系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

圖1 基于新冠疫情下的智能消殺小車系統(tǒng)方框圖

3.2 設(shè)計(jì)原理圖

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，考慮到器件功耗、各個(gè)功能使用性能等問(wèn)題，最終確定了STC89C51作為該設(shè)計(jì)的主控芯片。該芯片是一款低功耗、高性能CMOS 8 位微控制器，并搭配了4K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，具有很高的存取速度，易于擦除和重寫(xiě)，且功耗很小。在實(shí)際應(yīng)用中，可有效降低功率損耗，提高該設(shè)計(jì)實(shí)用性、可靠性。如圖2 所示為本智能小車的設(shè)計(jì)原理圖。

圖2 基于新冠疫情下的智能消殺小車設(shè)計(jì)原理圖

3.3 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

在該設(shè)計(jì)中，通過(guò)仿真與測(cè)試，對(duì)各個(gè)硬件模塊間的功能關(guān)系進(jìn)行了詳盡的劃分，具體劃分為主控模塊、避障模塊、噴灑模塊、舵機(jī)模塊、水位監(jiān)測(cè)與報(bào)警模塊、藍(lán)牙模塊。在本設(shè)計(jì)中，各個(gè)模塊組合應(yīng)用，使得該設(shè)計(jì)的各個(gè)功能得以實(shí)現(xiàn)并應(yīng)用到實(shí)際場(chǎng)景中。

（1）主控模塊。STC89C52 使用傳統(tǒng)的MCS-51 內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51 單片機(jī)不具備的更多功能。該芯片采用Flash 存貯器技術(shù)，具有成本低、兼容性高的優(yōu)點(diǎn)，且該芯片的制造采用了高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)，能將多功能8 位CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， 其程序的電可擦寫(xiě)特性，使得智能小車開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)比較容易。通過(guò)Keil 軟件對(duì)STC89C52 編程，可實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制。

（2）避障模塊。本模塊使用紅外感應(yīng)模塊和超聲波來(lái)對(duì)障礙物進(jìn)行識(shí)別，避障模塊作為本設(shè)計(jì)的“眼睛”。紅外感應(yīng)模塊使用串口的通信方式向主控芯片發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)前方出現(xiàn)障礙物時(shí)，紅外接收管接收反射回來(lái)的紅外線。而超聲波則是以空氣作為介質(zhì)，超聲波發(fā)射器在發(fā)出超聲波的同時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)超聲波遇到障礙物時(shí)，就會(huì)被反射回來(lái)。通過(guò)紅外傳感器與多方位超聲波的組合應(yīng)用，使得小車在遇到障礙物時(shí)，迅速控制消毒液噴灑裝置停止噴灑消毒液，并迅速更改行進(jìn)路徑，順利完成避障。

（3）噴灑模塊。本設(shè)計(jì)通過(guò)霧化裝置轉(zhuǎn)化蓄水箱內(nèi)的消毒液，均勻地霧化消毒液，使消毒液顆粒變小，化為超微粒子，讓氣體分子能夠運(yùn)動(dòng)到每個(gè)角落，更有效地殺滅空氣中以及附著在物體表面的細(xì)菌、病毒，使細(xì)菌、病毒無(wú)處藏身，達(dá)到覆蓋面廣、消殺均勻、沒(méi)有死角的效果。并且能夠使消毒液霧化后在空氣中停留更長(zhǎng)的時(shí)間，增強(qiáng)環(huán)境消殺效果。

本設(shè)計(jì)的噴灑模塊與避障模塊、水位監(jiān)測(cè)與報(bào)警模塊形成了有機(jī)的功能結(jié)合，即在本設(shè)計(jì)作業(yè)過(guò)程中，避障模塊、水位監(jiān)測(cè)與報(bào)警模塊對(duì)噴灑模塊進(jìn)行了控制與監(jiān)測(cè)。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，當(dāng)小車的避障模塊識(shí)別到障礙物，會(huì)立即向單片機(jī)發(fā)出信號(hào)控制噴灑裝置停止作業(yè)，當(dāng)蓄水箱水位過(guò)低時(shí)，水位傳感器會(huì)立即發(fā)出信號(hào)，控制噴灑裝置停止作業(yè)，防止裝置干燒。本設(shè)計(jì)中搭載的蓄水箱容量為1L，裝滿后蓄水箱的重量約為1kg，屬于便攜式、可家用的消殺設(shè)備，因其輕巧的體型，可輕松穿梭在各種大型機(jī)器設(shè)備難以到達(dá)的環(huán)境中。因其組合式的組建方式，根據(jù)不同的使用需求可靈活調(diào)整小車搭載的蓄水箱容量。

（4）舵機(jī)模塊。舵機(jī)是伺服電機(jī)的一種，能夠利用簡(jiǎn)單的輸入信號(hào)精確地轉(zhuǎn)動(dòng)給定的角度，通常適用于需要角度不斷變化并且可以保持的控制系統(tǒng)。在本設(shè)計(jì)中，SG09 舵機(jī)用于對(duì)小車方向的控制，使舵機(jī)從0°～180°轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)路徑的選擇。

（5）水位監(jiān)測(cè)與報(bào)警模塊。本設(shè)計(jì)搭載了水位檢測(cè)系統(tǒng)，采用水位傳感器與蜂鳴器相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)水位報(bào)警的功能。水位傳感器設(shè)置在蓄水箱內(nèi)，當(dāng)水位傳感器檢測(cè)到蓄水箱內(nèi)的水位低于預(yù)設(shè)值時(shí)，傳感器驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，達(dá)到報(bào)警的目的，與此同時(shí)，噴灑裝置停止消毒液的噴灑，芯片收到信息后，通過(guò)藍(lán)牙模塊向手機(jī)端發(fā)送信息，提示操作者蓄水箱內(nèi)水位不足，操作者收到信息后，便可立即控制小車返回。

（6）藍(lán)牙模塊。HC-05 模塊是一款藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口轉(zhuǎn)換器，可以連接微控制器的串行端口，使微控制器與其他設(shè)備通過(guò)藍(lán)牙連接。HC-05 模塊是一款高性能主從一體的藍(lán)牙串口模塊，連接到微控制器的串行端口，允許微控制器通過(guò)藍(lán)牙連接與其他設(shè)備通信，模塊本身可以在主模式和從模式下運(yùn)行，并且可以用于各種應(yīng)用，價(jià)格較低且性價(jià)比高。本設(shè)計(jì)將藍(lán)牙模塊與小車相連，用手機(jī)打開(kāi)藍(lán)牙串口調(diào)試應(yīng)用，連接藍(lán)牙模塊，手機(jī)通過(guò)藍(lán)牙傳輸?shù)紿C-05 模塊上，再通過(guò)串口通信和STC52 通信，用手機(jī)端控制小車的運(yùn)行。

4 軟件設(shè)計(jì)

Keil C51 是美國(guó)Keil Software 公司出品的51 系列兼容單片機(jī)C 語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。Keil 目前最流行開(kāi)發(fā)51 系列單片機(jī)的軟件，支持C 語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言。它具有方便易用的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具，并且能夠不接硬件電路直接進(jìn)行用戶程序仿真，或者利用硬件仿真器進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真調(diào)試。

本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用Keil C51 進(jìn)行開(kāi)發(fā)，與匯編相比，語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，比較容易學(xué)習(xí)、使用。Keil 提供了編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等。本設(shè)計(jì)的主程序設(shè)計(jì)思路如下：本設(shè)計(jì)的軟件部分由主程序和模塊程序構(gòu)成，其中程序流程圖由圖3 所示。系統(tǒng)進(jìn)行初始化后，等待上機(jī)指令，啟動(dòng)小車的控制程序，使小車執(zhí)行其所對(duì)應(yīng)的控制子程序。與此同時(shí)，避障裝置啟動(dòng)，若遇到障礙物，小車立即停止噴灑消毒液，并且自動(dòng)選擇后行進(jìn)的路徑，繼續(xù)噴灑消毒液。水位傳感器在蓄水箱中對(duì)水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，若蓄水箱內(nèi)的水位低于預(yù)設(shè)水位，則報(bào)警裝置發(fā)出警報(bào)，并發(fā)送信息到手機(jī)終端，使消毒液停止噴灑，而后控制小車返回，添加消毒液。

圖3 程序流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)完成了一個(gè)智能消殺小車，這款智能消殺工具可以通過(guò)人機(jī)分離的方式自動(dòng)消殺并且能自動(dòng)避障，相比市面上的一些消殺方式，本設(shè)計(jì)能夠不局限與某一空間或某一地點(diǎn)，不受時(shí)間限制。并且本設(shè)計(jì)還有紅外感應(yīng)模塊，在遇到人或動(dòng)物時(shí)停止噴灑消毒液，更好地減小對(duì)人和動(dòng)物的影響。我們已對(duì)本設(shè)計(jì)的功能進(jìn)行測(cè)試，如檢測(cè)前方是否有障礙物、水位監(jiān)測(cè)報(bào)警的靈敏度、噴灑裝置的噴灑效果、噴灑裝置的自動(dòng)控制、手機(jī)端的操作等，經(jīng)過(guò)調(diào)試，本設(shè)計(jì)已能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能、無(wú)障噴灑有障停止、路徑自選及水位檢測(cè)報(bào)警的功能，并且控制小車的藍(lán)牙控制端操作簡(jiǎn)單、容易上手，適合各類人群操作。經(jīng)過(guò)測(cè)試，本設(shè)計(jì)已能實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，基本上達(dá)到了我們的預(yù)期。使用智能消殺小車可以提高消殺效率，節(jié)省人力、物力。