防疫消杀机器人系统设计

防疫消杀机器人系统设计第1章绪论1.1研究目的及意义新型冠状病毒疫情的爆发，使得全世界人民的生命和健康面临着巨大的风险。为了降低传染风险和及时排查疑似感染人员，公共场合的疫情防控作业是不容忽视的一环。常态化的环境消毒和对来访者进行体温测量成为了防疫工作中的常规操作，但是由于公共场合的人流量密集，这也大大地增加了工作人员的感染风险。为了降低人员接触带来的交叉感染风险，使用远程智能机器人设备替代人工是最有效的解决方案。通过对公共场合的疫情防控需要及作业环境进行分析，本文设计的设备符合以下几个要求：①能够适应复杂多变的作业环境；②精准检测来访者的体温；③可以进行消毒杀菌作业；④实现远程操控作业；⑤设备能与控制端实现稳定的信号传输；⑥操控便捷高效。1.2国内外研究现状随着社会经济的迅速发展，各种智能机器人逐渐发展起来，借助机器人的技术，可以使得工作简单化，提高整个工作的效率，并且不需要人亲自接触某些危险场所，同时具有庞大的市场需求。2022年，刘腾飞、吕偿、潘光焕、王廷轩在《基于OpenMV与STM32防疫消杀机器人设计》文中谈到北京达闼科技有限公司研发一款消毒机器人，可以实现对室内环境的建图，并且在运行时可以自主避障。2020年，陈新欣、叶承龙、陈嘉茂、朱春熙、李慧琪在《基于单片机的智能防疫消杀机器人的设计》文中讲到，本研究采用直流减速电机作为防疫消杀机器人的动力装置，直流减速电机的驱动选用H桥大功率驱动模块BTS796模块。在机器人行驶过程中，为了减少车轮与地面的摩擦，采用PWM脉冲进行调速，通过改变输出高低电平的频率，从而实现对电机转速的控制。2021年，杨日容在《智能消杀防疫机器人》文中介绍了防疫消杀机器人的机械结构由3个部分组成，分别是载重部分、驱动部分以及机械臂。在底盘载重设计方面，为了增强其承载能力，用四根工字形铝型材采用打孔穿钉方式进行组装，采用这种方式可以增加其承重能力。2022年，MassimilianoPau、BrunoLeban在《Patents;ResearchersSubmitPatentApplication,"TrolleyforCarryingGoods",forApproval(USPTO20170057531)》文章中讲到马来西亚学者设计出喷雾消毒机器人，以Arduino作为其控制核心，并且结合相机、超声波传感器、电机、WiFi等装置进行防疫消杀。2019年，Politics&GovernmentWeek在《TheDesignofFishTankThermostatControllerBasedonTC89C52》文中，在设计过程中指定位置定位移动这一关键环节，采用了以最佳输出为导向的新型算法控制，解决了传统增量式PID不容易调试参数以及容易出现较大超调和偏差的问题。2018年，JournalofEngineering在《ChigooInteractiveTechnologyCo.Ltd.;PatentIssuedforTrolleyForCarryingItems》文中谈论印度学者设计出自动切换紫外线消毒的机器人，用于检测人体与物体，在检测到人体时就自动停止，检测到物体时自动进行防疫消杀。综上所述，可以发现世界各国虽然对防疫机器人有着多样化的设计，但无论是国内还是国外的研究，由于消杀环境的复杂性，导致防疫消杀机器人都存在着一定的功能缺陷，很难满足防疫消杀的需求。1.3主要研究内容本文围绕新型冠状病毒肺炎疫情下公共场合的防疫需求进行设计，通过分析公共场合的防疫作业及防疫宣传的需求，结合自动化控制技术及远程控制技术，提出了使用远程智能机器人设备替代人工进行防疫消毒作业的解决方案。采用智能化机器人设备进行防疫作业，工作人员只需要在后台的控制中心操控设备即可对来访人员进行温度测量以及对环境进行杀菌消毒作业。防疫消杀机器人在防疫中的应用和普及，能够有效地降低工作人员的病毒感染风险，大幅度提高防疫作业的工作效率。该系统应完成的主要功能有:1.设备可实时监测有无人员处在消杀机器人前方；2.设备监测到有人员处在消杀机器人前方时，可对人员进行红外无接触测温，并语音播报体温；3.监测人员体温异常，语音播报示警；4.设备监测有人员处在消杀机器人前方，并且体温无异常时，对人员进行消毒：（1）语音播报开启消毒；（2）开启雾化消毒设备；（3）消毒时间可设定；（4）到达消毒时间停止雾化喷洒消毒液；（5）设备可实时监测消毒设备内消毒液体含量；（6）消毒液体含量不足，语音提示；第2章系统总体结构2.1设计方案本文围绕新型冠状病毒肺炎疫情下公共场合的防疫需求进行设计，通过分析公共场合的防疫作业及防疫宣传的需求，结合自动化控制技术及远程控制技术，提出了使用远程智能机器人设备替代人工进行防疫消毒作业的解决方案。采用智能化机器人设备进行防疫作业，工作人员只需要在后台的控制中心操控设备即可对来访人员进行温度测量以及对环境进行杀菌消毒作业。防疫消杀机器人在防疫中的应用和普及，能够有效地降低工作人员的病毒感染风险，大幅度提高防疫作业的工作效率。该系统应完成的主要功能有:1.设备可实时监测有无人员处在消杀机器人前方；2.设备监测到有人员处在消杀机器人前方时，可对人员进行红外无接触测温，并语音播报体温；3.监测人员体温异常，语音播报示警；4.设备监测有人员处在消杀机器人前方，并且体温无异常时，对人员进行消毒：（1）语音播报开启消毒；（2）开启雾化消毒设备；（3）消毒时间可设定；（4）到达消毒时间停止雾化喷洒消毒液；（5）设备可实时监测消毒设备内消毒液体含量；（6）消毒液体含量不足，语音提示。图2.1系统结构框图2.2功能需求分析2.2.1技术路线（1）硬件部分需要单片机STM32F103C8T6、传感器、红外传感器模块、蜂鸣器模块；（2）软件平台程序用keil5；（3）画原理图用AD；（4）编程语言用C语言；2.2.2预期结果通过对系统的布设和完善，最终完成防疫消杀机器人系统设计预期有如下成果：1.设备可实时监测有无人员处在消杀机器人前方；2.设备监测到有人员处在消杀机器人前方时，可对人员进行红外无接触测温，并语音播报体温；3.监测人员体温异常，语音播报示警；4.设备监测有人员处在消杀机器人前方，并且体温无异常时，对人员进行消毒：（1）语音播报开启消毒；（2）开启雾化消毒设备；（3）消毒时间可设定；（4）到达消毒时间停止雾化喷洒消毒液；5.设备可实时监测消毒设备内消毒液体含量；6.消毒液体含量不足，语音提示。2.3单片机型号选择51单片机ROM和RAM容量小，以及外设资源非常有限，不太适合做复杂的产品。虽然STC51相对传统的速度有几倍提升，但与其他处理器相比，处理速度和计算能力都较为有限。对于功能都多的产品依然非常吃力。相对使用更为普及的ARM、AVR等控制器，学习曲线较高，开发成本更高。并且开源资料相对较少，支持工具有限。所以，一般STC51作为教学用途比较多，不适合实际产品开发。STM32系列单片机是一款高性能，功能强大的系列单片机。该系列单片机常被用于要求低成本、高性能和低功耗的嵌入式应用程序，其在功耗和集成方面也展现出良好的性能。由于其便捷的工具和简单的结构并且结合了强大的功能性，在业界很受欢迎。主控制芯片选择STM32F103C8T6，STM32F103C8T6是由意法半导体集团基于STM32系列ARMCortex-M内核开发的一款具有64KB的程序存储器的32位微控制器。其工作时需要2V~3.6V的电压和-40℃~85℃环境温度。因此采用STM32F103C8T6作为主控芯片。图2.2STM32fl03c8t6芯片图本设计采用的最小系统如下图。图2.3STM32fl03c8t6最小系统原理图第3章系统的硬件部分设计3.1系统总体设计本文围绕新型冠状病毒肺炎疫情下公共场合的防疫需求进行设计，通过分析公共场合的防疫作业及防疫宣传的需求，结合自动化控制技术及远程控制技术，提出了使用远程智能机器人设备替代人工进行防疫消毒作业的解决方案。采用智能化机器人设备进行防疫作业，工作人员只需要在后台的控制中心操控设备即可对来访人员进行温度测量以及对环境进行杀菌消毒作业。防疫消杀机器人在防疫中的应用和普及，能够有效地降低工作人员的病毒感染风险，大幅度提高防疫作业的工作效率。该系统应完成的主要功能有:1.设备可实时监测有无人员处在消杀机器人前方；2.设备监测到有人员处在消杀机器人前方时，可对人员进行红外无接触测温，并语音播报体温；3.监测人员体温异常，语音播报示警；4.设备监测有人员处在消杀机器人前方，并且体温无异常时，对人员进行消毒：（1）语音播报开启消毒；（2）开启雾化消毒设备；（3）消毒时间可设定；（4）到达消毒时间停止雾化喷洒消毒液；（5）设备可实时监测消毒设备内消毒液体含量；（6）消毒液体含量不足，语音提示。3.2系统的主要功能模块设计3.2.1人体红外传感器模块设计红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能可分成五类，按探测机理可分成为光子探测器和热探测器。红外传感技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。红外线对射管的驱动分为电平型和脉冲型两种驱动方式。由红外线对射管阵列组成分离型光电传感器。该传感器的创新点在于能够抵抗外界的强光干扰。太阳光中含有对红外线接收管产生干扰的红外线，该光线能够将红外线接收二极管导通，使系统产生误判，甚至导致整个系统瘫痪。本传感器的优点在于能够设置多点采集，对射管阵列的间距和阵列数量可根据需求进行选取。如图3.1人体红外传感器。图3.1红外传感器原理图3.2.2LED显示屏模组模块设计本屏所用的驱‎‏动IC‎‏为S‎‏SD1‎‏306‎‏;SSD1306嵌入了对比度控制、显示RAM和振荡器，减少了显示器的数量外部元件和功耗。它有256步亮度控制。数据/命令通过硬件可选的通用MCU6800/8000系列兼容并行接口发送，I2C接口或串行外围设备接口。它适用于许多紧凑的便携应用程序，其具‎‏有内部‎‏升压功‎‏能;所‎‏以在设‎‏计的时‎‏候不需‎‏要再专‎‏一设计‎‏升压电‎‏路，当‎‏然了本‎‏屏也可‎‏以选用‎‏外部升‎‏压。SS‎‏D13‎‏06的‎‏每页包‎‏含了1‎‏28个‎‏字节，‎‏总共8‎‏页，这‎‏样刚好‎‏是1‎‏28*‎‏64‎‏的点阵‎‏大小。‎‏这点与‎‏1.3‎‏寸OL‎‏ED‎‏驱动I‎‏CS‎‏SD1‎‏106‎‏稍有‎‏不同，‎‏SSD‎‏110‎‏6每‎‏页是1‎‏32‎‏个字节‎‏，也是‎‏8页。‎‏所以在‎‏用0‎‏.96‎‏寸OL‎‏ED‎‏移植1‎‏.3寸‎‏OLE‎‏D程序‎‏的时候‎‏需要将‎‏0.‎‏96寸‎‏的显示‎‏地址向‎‏右偏移‎‏2，‎‏这样显‎‏示就正‎‏常了;‎‏否则在‎‏用1.‎‏3寸的‎‏时候1‎‏.3寸‎‏屏右边‎‏会有‎‏4个像‎‏素点宽‎‏度显示‎‏不正常‎‏或是全‎‏白，其‎‏它的‎‏SSD‎‏130‎‏6和‎‏SSD‎‏110‎‏6区‎‏别不大‎‏。LED显示屏原理图如下图。图3.2LED显示屏模组原理图3.2.3lu90614红外测温模块设计LU90614接口定义：LU90614模块VCC：3.3-5.5V直流电源正极；T（TXD）：接TTL板或目标MCU的TXD端；R（RXD）：接TTL板或目标MCU的RXD端；GND：电源负极R为通信口，电平3.3V、5V兼容。）LU90614通信协议1.波特率9600，数据位8，停止位1，无奇偶校验；2.设置的参数可掉电保存；3.体温模式发送指令：0XFA0XC50XBF；4.物温模式发送指令：0XFA0XC60XC0；5.开始测温并上传温度指令0XFA0XCA0XC4；6.温度值回传指令：一包数据：包头+指令+DataH+DataL+保留位1+保留位2+保留位3+保留位4+校验位包头：0XFE，为固定包头；指令：0XAA，此时为物温模式，DataH为物温整数位，DataL为小数位，单位摄氏度；0XAC，此时为体温模式，DataH为体温整数位，DataL为小数位，单位摄氏度。校验位=包头+包头+指令+DataH+DataL+保留位1+保留位2+保留位3+保留位4，溢出时只保留低8位。7.举例1（测量当前物温）：发送：0XFA0XC60XC0（如果当前为体温测量模式可不发）0XFA0XCA0XC4回传：0XFE0XAA0X280X1E0X000X000X000X000XEE回传数据解析：当前物温40.3摄氏度。举例2（测量当前体温）：发送：0XFA0XC50XBF（如果当前为体温测量模式可不发）0XFA0XCA0XC4回传：0XFE0XAC0X280X1E0X000X000X000X000XF0回传数据解析：当前体温40.3摄氏度。lu90614红外测温模组原理图如下图。图3.3lu90614红外测温传感器原理图3.2.4液位传感器模块设计液位传感器(静压液位计/液位变送器/液位传感器/水位传感器)是一种测量液位的压力传感器。静压投入式液位变送器(液位计)是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号(一般为4~20mA/1~5VDC)。分为两类:一类为接触式，包括单法兰静压/双法兰差压液位变送器，浮球式液位变送器，磁性液位变送器，投入式液位变送器，电动内浮球液位变送器，电动浮筒液位变送器，电容式液位变送器，磁致伸缩液位变送器，伺服液位变送器等。第二类为非接触式，分为超声波液位变送器，雷达液位变送器等静压投入式液位变送器(液位计)适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。精巧的结构，简单的调校和灵活的安装方式为用户轻松地使用提供了方便。4~20mA、0~5v、0~10mA等标准信号输出方式由用户根据需要任选。投入式液位变送器利用流体静力学原理测量液位，是压力传感器的一项重要应用。采用特种的中间带有通气导管的电缆及专门的密封技术，既保证了传感器的水密性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。原理图如下图。图3.4液位传感器原理图3.2.5消杀模块设计消杀模块主要是5V继电器和雾化装置时控制，防疫喷雾消毒机器人是采用超声雾化各种消毒液，并通过高速气流将雾化后的雾滴弥散到消毒区域实现消毒。可以代替人对室内空间物表和空气进行360°无死角消毒，避免因消毒而造成的人员感染。机器人可以通过自主导航、自主避障的移动方式抵达消毒区域，进行360°无死角消毒。同时支持手机/Pad远程遥控，对消毒场所快速、高效、集中消毒。超声雾化器:利用超声原理，将药液雾化。超声雾化器的喷雾 器对雾 粒无选 择性， 所以产 生的药 物颗粒 大部分 仅能沉 积在口 ‎腔、喉 部等上 呼吸道 ，而且 由于肺 部的沉 积量很 少，不 能有效 治疗下呼吸 道疾病。 同时， 由于超 声波雾 化器产 生的雾 粒大， 雾化快 ，导致 患者吸 入过多 的水蒸 气，使 呼吸道 湿化， 呼吸道 内原先 部分堵 塞支气‎管的干 稠分泌 物吸收 水分后 膨胀， 加大呼 吸道阻 力，可 能会产 生缺氧 现象， 且超声 波雾化 器会使‎药液结 成水珠 挂在内 腔壁上 ，对下 呼吸道 疾病效 果不佳 ，对药 物需求 量大，‎造成浪‎费的现 象。图3.5消杀模块原理图3.2.6语音播报模块设计该模块是由继电器JQ6500和喇叭组成。JQ6500是一个提供串口的MP3芯片，完美的集成了MP3、WMV的硬解码。同时软件支持TF卡驱动，支持电脑直接更新spilash的内容，支持FAT16、FAT32文件系统。通过简单的串口指令即可完成播放指定的音乐，以及如何播放音乐等功能，无需繁琐的底层操作，使用方便，稳定可靠是此款产品的最大特点。另外该芯片也是深度定制的产品，专为固定语音播放领域开发的低成本解决方案。其优点也是非常之多，首先，完全支持FAT16、FAT32文件系统，最大支持32G的TF卡，支持32G的U盘、64M字节的NORFLASH。其次，多种控制模式，串口模式、AD按键控制模式，并且，音频数据按文件夹排序，最多支持100个文件夹，每隔文件夹可以分配1000首歌曲，最后，可以通过单片机串口进行控制播放指定的音乐。图3.6消杀模块原理图第4章系统的软件设计4.1软件主流程图本文围绕新型冠状病毒肺炎疫情下公共场合的防疫需求进行设计，通过分析公共场合的防疫作业及防疫宣传的需求，结合自动化控制技术及远程控制技术，提出了使用远程智能机器人设备替代人工进行防疫消毒作业的解决方案。采用智能化机器人设备进行防疫作业，工作人员只需要在后台的控制中心操控设备即可对来访人员进行温度测量以及对环境进行杀菌消毒作业。防疫消杀机器人在防疫中的应用和普及，能够有效地降低工作人员的病毒感染风险，大幅度提高防疫作业的工作效率。系统整体流程表如下图所示。图4.1整体流程图4.2红外测温模块的软件设计红外测温传感器是一种用于测量目标物体表面温度的设备。它通过检测目标物体发出的红外辐射并将其转化为电信号来实现温度测量。以下是红外测温传感器的硬件电路设计：选择适合的红外测温传感器模块，例如LU90614，该模块具有内置的红外传感器和环境温度传感器，可方便地测量目标物体和环境的温度。选择一款适用的微控制器单元，基于32单片机的芯片，这个单元将用于控制红外传感器模块、数据处理和显示等功能。设计稳定的电源电路，确保红外测温传感器和微控制器单元获得所需的电源供应。红外传感器模块输出的信号可能需要进行放大、滤波和放大等处理。这些处理可以通过使用运算放大器、滤波器和放大器等电路来完成，以确保准确的温度测量。根据需要，添加语音模块来播报测量得到的温度数值。此外，还可以设计数据处理电路，模数转换器和数字信号处理器，以实现数据的进一步处理和分析。基于上述电路设计，进行PCB（PrintedCircuitBoard，印刷电路板）的布线和设计，确保电路的可靠性、稳定性和可维护性。以上是红外测温传感器的硬件电路设计，在进行硬件电路设计时，确保正确使用和连接各个组件，并遵循电路设计的最佳实践和标准。图4.2红外测温子程序流程图4.3显示模块软件的设计在设计中需要显示当前环境的颜色信息。系统使用液晶显示数据,STM32单片机初始化完成后显示屏会自动写控制字，控制字为单片机中获得的数据，随后显示出来。如图为显示模块流程图。图4.3OLED显示子程序流程图4.4液位传感器模块的软件设计液位传感器是一种用于检测液体水平高度的设备。软件程序设计的目标是获取传感器输出的数据，并进行适当的处理和判断，以实现对液位的准确测量和控制。下面是液位传感器的软件程序设计：初始化：在程序开始时，进行传感器和相关硬件的初始化设置。这包括配置传感器接口、选择合适的采样频率和精度，以及初始化数据处理所需的变量。读取传感器数据：通过传感器接口读取液位传感器输出的数据。数据处理：对读取的传感器数据进行处理，以得到液位的准确数值。这可能涉及数据的滤波、校准、线性化或其他数学运算，以根据传感器的特性转换为实际液位值。液位判断与控制：根据液位的数值进行判断和控制。可以设置阈值或范围来确定液位的状态（如低液位、正常液位、高液位），并采取相应的控制措施，如报警、自动注水或排水等。数据输出与显示：根据需要，将处理后的液位数据输出到外部设备或显示器上，以便用户或其他系统实时监测液位变化。可以使用串行通信接口（如UART）或其他协议来传输数据。循环运行：将上述步骤置于一个循环中，以实现连续的液位检测和控制。程序会不断读取传感器数据、进行处理和判断，并根据需要更新输出和控制状态。上述描述是液位传感器软件程序设计，具体的设计会根据液位传感器的类型、接口和应用需求而有所差异。图4.4液位传感器子程序流程图4.5红外传感器模块的软件设计本设计所用的红外传感器就采用这种双探测元的结构。其工作电路原理及设计电路在VCC电源端利用CI和R2来稳定工作电压，同样输出端也多加了稳压元件稳定信号。当检测到人体移动信号时，电荷信号经过FET放大后，经过C2，R1的稳压后使输出变为高电位，再经过NPN的转化，输出OUT为低电平。流程图如下。图4.5红外传感器模块流程图

第5章系统测试5.1系统实物图图5.1系统完整实物图5.2测试原理开启开关后，手动设置上位机中温度的上下限。并观察上方有温度传感器、红外感应传感器所获得的实时数据。若此时的温度位于正常范围内则正常工作，若此时温度不在正常范围内则系统报警。图5.2喷雾时间调节模块实物图5.3oled显示屏功能模块测试开启开关后，手动设置上位机中温度的上下限。并观察上方有温度传感器、红外感应传感器所获得的实时数据。OLED显示屏实时显示数据，对于不正常的数据及时传送，并发出报警。图5.2oled显示屏功能模块实物图5.5红外传感器模块测试开启后，红外感应传感器所获得的实时数据。若此时的无人，则待机等待运行，若此时有人，则进行红外测温检测人员提体温，如果不在正常范围内则系统报警。图5.4红外传感器功能模块实物图5.6液位传感器模块测试打开开关后，系统检测到人体，并经系统检测体温之后，若体温正常则进行语音播报温度信息并开启喷雾进行消毒处理。图5.5喷雾传感器模块实物图第6章总结与展望6.1总结系统软件的调试过程并不是一帆风顺，在调试过程中出現了一些错误。但在老师的辅导下，我总算发现了问题，并纠正了设计中的错误和不科学的地方。设计方案中的问题和解决方法主要包含下面一些层面。(1)在功率模块模拟仿真过程中，发现调试输出值一直达不上设计规定。查验基本原理错误后，发现电路板焊接时出现了一些技术问题，于是重新焊接。(2)应用仿真软件，发现错误代码。然后调整，发现在启用程序流程时，单片机没有正常复位，在程序流程中添加复位程序流程后才获得准确的結果。(3)在模拟仿真时，一直提醒端口号P0存有逻辑错误。尽管不危害效果的输出，但在具体印刷制版过程中确实会危害电源电路。之后通过调研发现，数据信息发送错误代码表明时，未能分辨忙碌情况。之后在制定中添加忙碌情况分辨后，系统软件工作中一切正常，数据信息口也沒有提醒逻辑错误。6.2展望随着深度学习、运动控制、大数据技术等先进技术的应用，消毒机器人在功能和应用场景上将会进一步的提升和完善。例如：实现快速部署和多手段复合消毒；针对不同区域实现定点分类消毒；优化消毒模式及运动路径，减少消毒用品浪费；丰富消毒用品种类，实现药品智能配比、输送，实时监测用品流量，提高消毒成效；具备人体检测功能，防止对人员造成伤害；优化视觉检测算法，可精准检测医护人员、患者等形体轮廓，实现快速定位消杀；实现消毒清洁一体化操作，集成消毒、清扫、烘干多种方式，按需定制操作模式；实现环境样本回收，搜集消毒区域样本，辅助检测人员快速判断消毒成果；提高产品自身防护等级，可进入高辐射、高温、高病菌场所开展作业；拓展产品落地场景，通过更换备品实现农田、果园、养殖场等生产性场所的药物和水体喷洒。

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