淺析基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣消毒機(jī)全流程管理方案

唐健豪，何麗君，卓海，黃智，劉亮，林家榮

（佛山市第一人民醫(yī)院設(shè)備科，廣東 佛山 528200）

1 前言

空氣飛沫可以傳播很多傳染病或感染性疾病并受到學(xué)界普遍關(guān)注,室內(nèi)空氣質(zhì)量管理是做好空氣飛沫傳播性疾病防控的有效手段之一,因而很多用于室內(nèi)空氣凈化和消毒的空氣消毒機(jī)應(yīng)運而生。疫情常態(tài)化防控下，醫(yī)療衛(wèi)生和環(huán)境消毒倍受關(guān)注，我院根據(jù)通知（聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制醫(yī)療發(fā)【2020】272 號）要求，做了一系列消毒機(jī)的管控措施，目前醫(yī)院使用的消毒機(jī)大部分能自動記錄消毒時間，但做不到實時監(jiān)測。目前我院有近200 臺空氣消毒機(jī)，類別多，數(shù)量大，統(tǒng)一管理難度大，醫(yī)護(hù)人員為操控空氣消毒機(jī)，每天需要多次在各房間內(nèi)來回奔波，登記運行時長和記錄維護(hù)情況，消耗大量精力和時間，目前沒有一種監(jiān)控消毒機(jī)的裝置可以取代人員手工檢測，更沒有一款管理系統(tǒng)可以實時自動監(jiān)控消毒機(jī)，提醒消毒機(jī)維護(hù)的系統(tǒng)，技術(shù)缺陷和人為因素使醫(yī)院消毒方式面臨著挑戰(zhàn)。目前的空氣消毒管理只有事后監(jiān)測，即單純獲取空氣培養(yǎng)數(shù)據(jù)，而不能做到消毒全流程管控。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)的消毒機(jī)管理方案應(yīng)運而生。本文旨在提出并探討一種基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣消毒機(jī)全流程管理方案，通過引入外置監(jiān)測裝置，實現(xiàn)對消毒機(jī)的實時監(jiān)控和管理，解決消毒機(jī)使用中存在的問題，為醫(yī)院規(guī)范化管理空氣消毒機(jī)提供有力的抓手和依據(jù)。

2 方案設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)作為智慧健康產(chǎn)業(yè)的核心驅(qū)動和關(guān)鍵基礎(chǔ)，是一種由計算設(shè)備、機(jī)械、數(shù)字機(jī)器組成并且相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)，每個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都會具備通用唯一識別碼，并具有傳輸數(shù)據(jù)至網(wǎng)絡(luò)的能力，無須人與人或是人與設(shè)備的交互。本方案基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)針對空氣消毒機(jī)全流程的智能化管理。設(shè)計一種外置監(jiān)測盒，盒子應(yīng)具備以下功能：消毒效能監(jiān)測、狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸，硬件設(shè)計包括主控模塊、電源模塊、TTL 轉(zhuǎn)485 模塊、熱敏型風(fēng)力感應(yīng)模塊、紫外線傳感器模塊、電流傳感器模塊等功能，軟件設(shè)計包括云服務(wù)器部署MQTT 服務(wù)器、云服務(wù)器發(fā)布主題、采集盒發(fā)布采集信息、云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)網(wǎng)頁展示、云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、云服務(wù)器以JSON 數(shù)據(jù)格式回傳全生命周期管理軟件等部分。對消毒機(jī)的消毒效能、紫外線強度、風(fēng)量、電流、電量、溫濕度等狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，使用UV 傳感器用于監(jiān)測消毒機(jī)的紫外線強度，使用電流和風(fēng)量傳感器監(jiān)測等離子消毒機(jī)的實時電流和風(fēng)量大小。能滿足不同種類消毒機(jī)的監(jiān)測需求，然后將監(jiān)測的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)皆破脚_或手機(jī)APP 上，方便管理人員隨時隨地查詢消毒機(jī)的運行情況及異常日志。方案不僅能夠?qū)崿F(xiàn)自動化監(jiān)測，還能做數(shù)據(jù)管理及統(tǒng)計分析，大大提升了監(jiān)測效率，降低了人工登記和管理的成本。更重要的是，監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性高實時性強，有效地保障了消毒機(jī)的高效全流程管理服務(wù)。

2.1 外置監(jiān)測裝置設(shè)計

根據(jù)消毒機(jī)種類及功能，外置監(jiān)測裝置應(yīng)具備以下功能：（1）消毒效能監(jiān)測。利用傳感器實現(xiàn)空氣中微生物、PM2.5 等指標(biāo)的監(jiān)測，以保證消毒機(jī)消毒效果的準(zhǔn)確性和可靠性。（2）狀態(tài)監(jiān)測。對消毒機(jī)的電量、故障、溫度、濕度等狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測。（3）數(shù)據(jù)傳輸。將監(jiān)測的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)皆破脚_或手機(jī)APP 上，方便管理人員隨時隨地查詢消毒機(jī)的運行情況。

2.1.1 硬件設(shè)計

在本文中，我們提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣消毒機(jī)全流程管理方案，其中硬件設(shè)計包括以下模塊見圖1硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

（1） 主 控 模 塊： 采 用ESP32 S3 芯 片， 具 有Xtensa? LX7 32 位處理器，主頻高達(dá)240MHz，內(nèi)置1MB 的SRAM 和2MB 的SPI Flash 存儲器。它支持多種接口，如Wi-Fi、藍(lán)牙、以太網(wǎng)、UART、SPI、I2C、PWM、ADC、DAC 和定時器等。系統(tǒng)主要使用UART、Wi-Fi 和ADC 接口。另外，使用雙核心和大容量存儲器來保證數(shù)據(jù)處理的深度。ESP32 S3 通過ADC 接口獲取紫外線和電流的電壓值，使用UART 接口獲取風(fēng)力的電壓值。

（2）電源模塊：系統(tǒng)中的主控模塊、TTL 轉(zhuǎn)485 模塊和紫外線傳感器模塊的供電為5V，熱敏型風(fēng)力感應(yīng)模塊的供電為12V。電源模塊使用12V 2A 的電源適配器進(jìn)行供電，將12V 降壓至5V，為5V 模塊提供電源。

（3）TTL 轉(zhuǎn)485 模塊：TTL 轉(zhuǎn)485 模塊是一種用于串口通信的轉(zhuǎn)換模塊，將TTL 電平（邏輯電平）轉(zhuǎn)換為485 電平（差分電平），以實現(xiàn)在長距離、高干擾環(huán)境下的穩(wěn)定可靠數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)中的熱敏型風(fēng)力感應(yīng)模塊使用485 協(xié)議，主控模塊通過連接TTL 轉(zhuǎn)485 模塊實現(xiàn)與熱敏型風(fēng)力感應(yīng)模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。

（4）熱敏型風(fēng)力感應(yīng)模塊：熱敏型風(fēng)力感應(yīng)模塊是一種用于測量風(fēng)速的傳感器，通過測量空氣流動時產(chǎn)生的熱量來計算風(fēng)速。該模塊通常由熱敏電阻、溫度傳感器和放大電路等組成。當(dāng)空氣流動時，熱敏電阻會受到空氣流動產(chǎn)生的熱量影響，其電阻值會發(fā)生變化。通過測量電阻值的變化，可以計算出空氣流動的速度，從而得到風(fēng)速值。

（5）紫外線傳感器模塊：當(dāng)紫外線照射到傳感器上時，其電阻值會發(fā)生變化。通過放大電路對電阻值進(jìn)行放大，可以得到紫外線輻射強度的數(shù)值。

（6）電流傳感器模塊：電流傳感器是一種用于檢測電源電流的傳感器，通過測量電流大小來判斷電源的電壓變化。電流傳感器通常由霍爾傳感器、信號處理電路等組成。當(dāng)電源電流通過霍爾傳感器時，磁場會產(chǎn)生磁通量。通過測量磁通量的變化，可以得到電源電流的大小。

2.1.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計（見圖2）

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

（1）云服務(wù)器部署MQTT 服務(wù)器。在本方案中，云服務(wù)器需要部署MQTT 服務(wù)器，用于接收和轉(zhuǎn)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)送的消息。MQTT 服務(wù)器可以支持多個設(shè)備的連接和通信，提供高效的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。云服務(wù)器需要選擇合適的MQTT 服務(wù)器軟件，并進(jìn)行部署和配置。

（2）云服務(wù)器發(fā)布主題。云服務(wù)器需要向MQTT 服務(wù)器發(fā)布主題，將采集盒發(fā)送的數(shù)據(jù)存儲到相應(yīng)的主題中。主題可以根據(jù)設(shè)備類型、設(shè)備編號、設(shè)備狀態(tài)等信息進(jìn)行分類，方便其他設(shè)備進(jìn)行訂閱和使用。云服務(wù)器需要實現(xiàn)主題的發(fā)布和管理功能，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸和存儲。

（3）采集盒發(fā)布采集信息。采集盒需要采集空氣消毒機(jī)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過MQTT 協(xié)議發(fā)送到云服務(wù)器中。采集盒需要實現(xiàn)MQTT 協(xié)議的通信功能，將采集到的數(shù)據(jù)封裝成消息，并發(fā)送到相應(yīng)的主題中。采集盒還需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩存和重傳功能，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸和存儲。

（4）云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)網(wǎng)頁展示。云服務(wù)器需要將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和展示，以便用戶進(jìn)行查看和分析。云服務(wù)器可以通過Web 頁面展示數(shù)據(jù)，包括消毒機(jī)的狀態(tài)、效能、維護(hù)等信息。用戶可以通過Web 頁面進(jìn)行實時監(jiān)控和管理，提高消毒機(jī)的使用效率和管理水平。

（5）云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。云服務(wù)器需要對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，以便用戶進(jìn)行決策和優(yōu)化。云服務(wù)器可以使用數(shù)據(jù)分析和挖掘技術(shù)，對消毒機(jī)的使用情況進(jìn)行分析和預(yù)測。云服務(wù)器還可以使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對消毒機(jī)的效能進(jìn)行優(yōu)化和提升。

（6）云服務(wù)器以JSON 數(shù)據(jù)格式回傳全流程管理軟件。云服務(wù)器需要將處理后的數(shù)據(jù)以JSON 數(shù)據(jù)格式回傳給全流程管理軟件，以便用戶進(jìn)行更加細(xì)致和全面的管理。全流程管理軟件可以通過JSON 數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析和展示，實現(xiàn)對消毒機(jī)的全流程管理。同時，全流程管理軟件還可以將管理結(jié)果反饋給云服務(wù)器，實現(xiàn)對消毒機(jī)的遠(yuǎn)程控制和管理。

2.2 全流程管理方案

醫(yī)療設(shè)備全生命管理系統(tǒng)的設(shè)計具有非常廣闊的應(yīng)用價值和市場前景，其能夠減輕工作人員的工作量以及工作強度。本方案的軟件平臺是把消毒管理模塊嵌入了全流程管理系統(tǒng)，通過管理系統(tǒng)實現(xiàn)消毒機(jī)從購買到報廢的全過程管理。具體包括以下幾個方面。

（1）采購管理。將消毒機(jī)的基本信息、使用說明、保修期等信息錄入物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，方便管理人員對消毒機(jī)進(jìn)行有效的采購管理。同時，系統(tǒng)可以記錄消毒機(jī)的購買來源、價格、交付日期等信息，為管理人員提供參考意見。

（2）使用管理。在消毒機(jī)工作過程中，系統(tǒng)可以監(jiān)測消毒機(jī)的工作狀態(tài)，實時獲取消毒機(jī)的運行數(shù)據(jù)，如風(fēng)速、電流強度和紫外線強度等信息。當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常，系統(tǒng)可以自動向維修人員發(fā)送警報信息，提醒其進(jìn)行維修。同時，系統(tǒng)還可以提供消毒機(jī)的使用記錄。

（3）保養(yǎng)管理。消毒機(jī)是需定期保養(yǎng)，系統(tǒng)可以記錄消毒機(jī)的保養(yǎng)計劃，包括保養(yǎng)時間、保養(yǎng)內(nèi)容等信息。在保養(yǎng)過程中，系統(tǒng)可以自動提醒維修人員進(jìn)行保養(yǎng)，并記錄保養(yǎng)結(jié)果。系統(tǒng)可以自動向維修人員發(fā)送警報信息，提醒其進(jìn)行維修。

（4）報廢管理。系統(tǒng)可以對消毒機(jī)進(jìn)行全方位管理，監(jiān)測其使用壽命和狀態(tài)，提供相應(yīng)的報廢建議。系統(tǒng)可以根據(jù)消毒機(jī)的使用情況，自動計算其使用壽命，并提供相應(yīng)的報廢建議。

3 外置監(jiān)測裝置測試

為了驗證本方案的可行性，我們進(jìn)行了相關(guān)的測試。我們在消毒機(jī)的上部安裝了外置監(jiān)測裝置，測試其效果見圖3 外置監(jiān)測裝置測試。我們可以從云平臺實時獲取消毒機(jī)的狀態(tài)，包括風(fēng)速、電流強度和紫外線強度等。同時，在消毒機(jī)發(fā)生故障時，監(jiān)測裝置可以自動向管理人員發(fā)送警報信息，提醒管理人員及時維修。

圖3 外置監(jiān)測裝置測試

系統(tǒng)測試由管理人員進(jìn)行，主要測試以下方面。

（1）數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通過對實時監(jiān)控數(shù)據(jù)的比對和驗證，證明監(jiān)測裝置可以準(zhǔn)確地獲取消毒機(jī)工作狀態(tài)。

（2）警報機(jī)制。在測試中，我們進(jìn)行了多次模擬故障實驗，并檢查警報系統(tǒng)是否能及時警告管理人員見圖4 使用記錄登記。

圖4 使用記錄登記

通過測試可知，本方案可行，提高了消毒機(jī)的使用效率和管理水平，為醫(yī)院消毒工作提供了有效的支持。

4 結(jié)語

不同類型空氣消毒機(jī)工作原理不同，適用條件也存在明顯差異。特別是不同地區(qū)醫(yī)院，在溫度、濕度以及人員密度等方面存在較大差異，導(dǎo)致同一類型空氣消毒機(jī)在不同醫(yī)院具有不同的應(yīng)用效果。而且消毒機(jī)類別多、數(shù)量大，統(tǒng)一管理難度大，醫(yī)護(hù)人員為操控空氣消毒機(jī)而每天需要多次在各房間內(nèi)來回奔波，登記運行時長和記錄維護(hù)情況，消耗大量精力和時間，本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣消毒機(jī)全流程管理方案可以通過引入外置監(jiān)測裝置，實現(xiàn)對空氣消毒機(jī)的實時監(jiān)控和管理，解決了傳統(tǒng)管理方式存在的問題。在實際試驗中，本方案證明可以實現(xiàn)對消毒機(jī)的全方位管理，提高了消毒機(jī)的使用效率和管理水平，具有一定的推廣價值。