基于單片機(jī)的智能防疫消殺機(jī)器人的設(shè)計

陳新欣，葉承龍，陳嘉茂，朱春熙，李慧琪

（廣東理工學(xué)院，廣東肇慶，526110）

0 引言

新型冠狀病毒疫情的爆發(fā)，使得全世界人民的生命和健康面臨著巨大的風(fēng)險。為了降低傳染風(fēng)險和及時排查疑似感染人員，公共場合的疫情防控作業(yè)是不容忽視的一環(huán)。常態(tài)化的環(huán)境消毒和對來訪者進(jìn)行體溫測量成為了防疫工作中的常規(guī)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(fēng)險。為了降低人員接觸帶來的交叉感染風(fēng)險，使用遠(yuǎn)程智能機(jī)器人設(shè)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(yè)環(huán)境進(jìn)行分析，本文設(shè)計的設(shè)備符合以下幾個要求：①能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的作業(yè)環(huán)境；②精準(zhǔn)檢測來訪者的體溫；③可以進(jìn)行消毒殺菌作業(yè)；④實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控作業(yè)；⑤設(shè)備能與控制端實現(xiàn)穩(wěn)定的信號傳輸；⑥操控便捷高效。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計

系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)模塊、云端服務(wù)器和Android端控制APP組成。通過控制端控制界面可以在遠(yuǎn)、近程對設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動控制，可實現(xiàn)控制模式的選擇、對環(huán)境進(jìn)行消殺作業(yè)、對來訪人員進(jìn)行體溫測量、防控宣傳等功能。

圖1 系統(tǒng)整體框架

智能防疫消殺機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)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(shè)計，采用鋁合金框架作為車體底盤支架，搭載4個15W直流驅(qū)動電機(jī)提供電力，配備了懸掛減震系統(tǒng)，大大的提升了車體的負(fù)載能力，同時可以有效適應(yīng)各種多變的作業(yè)環(huán)境。為了擴(kuò)大測試設(shè)備的使用空間，設(shè)備增加了功能延伸柱的設(shè)計，在延伸柱的中下部分設(shè)計了電路的放置層，中部設(shè)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(jī)和一個縱向1轉(zhuǎn)/秒的雙軸直流電機(jī)組成的自由度云臺搭載噴霧水泵實現(xiàn)全方位消毒作業(yè)。測試設(shè)備采用12000MAh 12V的大容量電池作為電源供電，可滿足設(shè)備連續(xù)作業(yè)的需要。系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

防疫消殺機(jī)器人采用STC12C5A60S2處理器作為主控芯片；通過物聯(lián)網(wǎng)模塊連接云端服務(wù)器與控制端進(jìn)行通訊；電源模塊給L298N模塊和主控芯片供電；設(shè)備通過L298N模塊驅(qū)動直流電機(jī)和噴霧吸水泵進(jìn)行防疫藥水噴灑作業(yè)；通過紅外人體溫度測量傳感器對來訪人員進(jìn)行體溫測量，并通過OLED數(shù)字顯示屏顯示出來，若檢測到高溫發(fā)燒人員還會通過語音播放模塊進(jìn)行警報提醒；為了提高設(shè)備的實用性和易操控性，還在設(shè)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(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)框圖

針對復(fù)雜多變的作業(yè)環(huán)境和不同場合的作業(yè)需求，對本設(shè)備設(shè)計了遠(yuǎn)程控制作業(yè)和自動巡線作業(yè)兩種工作方式。在比較復(fù)雜的環(huán)境中使用遠(yuǎn)程控制作業(yè)模式，在比較寬敞簡單的環(huán)境中使用自動巡線作業(yè)模式，可以有效的提高疫情防控作業(yè)效率。遠(yuǎn)程控制作業(yè)模式主要是操作Android端設(shè)備，通過物聯(lián)網(wǎng)模塊以及云端服務(wù)器與機(jī)器人進(jìn)行控制信號的傳輸，借助Openmv攝像頭圖傳模塊的輔助，可實現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場的遠(yuǎn)程圖傳。自動巡線模式狀態(tài)時，防疫消殺機(jī)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(jī)器人在循跡自動作業(yè)的過程中與行人或者障礙物發(fā)生碰撞，所以在設(shè)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(xiàn)設(shè)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(qū)動模式切換、消殺作業(yè)控制等七大主要功能。界面設(shè)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(yè)現(xiàn)場的實時環(huán)境圖傳影像；噴灑云臺的操控采用圓形大圖標(biāo)設(shè)計，圖標(biāo)內(nèi)設(shè)計了“上升”，“下降”，“左轉(zhuǎn)”，“右轉(zhuǎn)”四個點動控制按鍵；車體的驅(qū)動控制也采用了圓形大圖標(biāo)設(shè)計，但不同于云臺控制的是，車體上下兩個按鍵為自鎖設(shè)計，分別控制車體“前進(jìn)”，“后退”，左右兩個按鍵為點動按鍵，分別控制車體“左轉(zhuǎn)”，“右轉(zhuǎn)”；設(shè)備的啟停、自動/手動模式切換、設(shè)備與軟件連接、連接列表、返回上一層均采用小圓形圖標(biāo)按鍵設(shè)計，并使用文字標(biāo)注了按鍵的使用功能；消殺作業(yè)的功能按鍵采用圓角大矩形自鎖設(shè)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(yè)的啟停。

圖4 操作軟件界面圖

3 結(jié)語

本文介紹的智能防疫消殺機(jī)器人是根據(jù)新冠疫情背景下防控需求進(jìn)行分析設(shè)計出來的。經(jīng)運行測試，所有的預(yù)期設(shè)計功能均能成功實現(xiàn)，實用性很強(qiáng)。本文設(shè)計的智能防疫消殺機(jī)器人是一款成本低、工作效率高、安全性能高、穩(wěn)定性強(qiáng)的防疫裝備，適合用于校園、公園、醫(yī)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(fēng)險，有效緩解工作人員的工作壓力。