疫情防控機器人

西北民族大學電氣工程學院 尹錦山 尤振勇 冉 梯 潘 陽 蘭昌漩

本文設計的疫情防控機器人由兩部分組成。第一部分為疫情防控裝置，其由芯片和相應模塊組裝而成，具有基本疫情防控措施。裝置測量人體溫度并進行分析，裝置主控芯片通過對溫度分析的結果控制警報裝置、酒精噴灑裝置、門禁的工作，各個模塊功能的配合實現(xiàn)疫情防控的目的。第二部分為信息采集小程序，使用微信提供的視圖層描述語言WXML和WXSS以及基于JavaScript的邏輯層框架制作的采集個人信息的微信小程序。本裝置可以減少人力資源的消耗，降低人與人之間接觸導致疫情傳播的風險，也可以在疫情發(fā)生后排查相關人員。通過此次疫情敲響的警鐘，常態(tài)防疫成為我們日常生活的一部分，此裝置可以有更大的用武之地。

1 總體方案設計

1.1 疫情防控機器人設計

（1）疫情防控裝置設計

在疫情防控裝置的控制上，使用處理速度更強、硬件資源更豐富的Cortex-M4內核的STM32系列芯片。Cortex-M4內核的芯片使用ARM架構，該架構設計合理，其讓微控制器的功能非常強大，同時還可以滿足功耗低的要求；在供電上STM32微控制器只需要5V電源便可以進行驅動，使用非常方便；同時還需用到其它模塊，比如：舵機模塊、紅外測溫模塊、語言播報模塊等，模塊的相互配合實現(xiàn)預期的功能。另外，還需要應用電路、機械知識，設計疫情防控機器人的電路以及內部的機械結構，使疫情防控機器人可以在不同的環(huán)境都可以安裝使用。

（2）信息采集小程序設計

通過微信小程序與ID卡、人臉識別等采集人員信息方式進行比較后，決定采用微信小程序作為信息采集的方式。因為微信小程序在我國幾乎所有區(qū)域已普及，便于疫情防控機器人可以大面積推廣。人們使用微信掃描小程序二維碼，填寫姓名以及聯(lián)系方式便可完成信息采集，簡單易操作。

1.2 疫情防控機器人制作難點

（1）疫情防控裝置難點

疫情防空裝置難點在于供電電路的設計，人們使用時裝置供電工作，非使用時裝置進入睡眠模式。由于本項目中使用了多個模塊，對于不同模塊使用了不同的通訊協(xié)議，所以在電路設計上，必須根據(jù)不同的IO口所具有的硬件資源將不同的模塊與合適的IO口連接到一起，以達到硬件資源利用最大化。

（2）信息采集小程序設計難點

信息采集小程序難點在于將采集到的人員信息與疫情防空裝置采集到的溫度信息相匹配，以便達到記錄每個人體溫的效果。

1.3 疫情防控機器人的設計目標

疫情防控裝置底層代碼的設計，并不斷修復底層代碼漏洞，使其完美驅動疫情防控機器人。此外，搭建好疫情防控裝置的各個模塊、電路和內部機械結構。信息采集小程序在不同年齡段的人中都可以簡易操作，并且穩(wěn)定運行。最終設計出代碼邏輯自洽、外表美觀，具有基本疫情防控措施的疫情防控裝置和簡潔易操作的信息采集小程序。

1.4 疫情防控機器人預期成果

疫情發(fā)生后，疫情防控機器人代替人力對疫情進行監(jiān)測，可以減少人力資源的壓力。人們進出日常生活、工作場所時，對人們體溫進行檢測并對手部進行酒精消毒，達到降低人與人之間的接觸而導致傳染的可能性。另外，收集進出各個場所的人員信息與體溫數(shù)據(jù)，可以找到感染者接觸到的人進行排查避免二次傳染，也可以通過地區(qū)的整體信息分析出地區(qū)疫情趨勢從而采取相應措施。

2 疫情防控裝置硬件設計與實現(xiàn)

2.1 各個模塊功能的實現(xiàn)

為了項目功能的實現(xiàn)，需要使主要裝置達到相應的功能，主要裝置有溫度檢測裝置、酒精噴灑裝置、門禁裝置、語音播報裝置等。防控裝置所需模塊如圖1所示。

圖1 防控裝置所需模塊

（1）溫度檢測裝置

采用溫度傳感器GY-906，采集到人體溫度數(shù)據(jù)后，將其以電壓形式傳輸?shù)叫酒?，通過AD轉換為相應數(shù)字信息得到人體溫度信息。人體溫度信息經過主控芯片分析作為其他模塊運行的標志。

（2）酒精噴砂裝置

通過紅外傳感器控制繼電器，再通過繼電器控制水泵，當人們將手伸入工作區(qū)域，紅外傳感器向繼電器輸出電壓到繼電器，當繼電器的輸入電壓達到吸合電壓就會吸合，則系統(tǒng)會為水泵供電使其工作。水泵工作抽取酒精通過花灑噴灑到手部，達到手部消毒。

（3）門禁裝置

主控芯片完成溫度檢測且溫度正常，再經過酒精消毒后，就會控制舵機運行，打開門禁達到控制人員進出的功能。

（4）語音播報裝置

本設計使用SYN6288語音合成模塊。在人們使用裝置時，主控芯片通過進入人員的身體信息，讓語音模塊能夠發(fā)出一定的聲音。在溫度檢測正常時，語音模塊發(fā)出“溫度正常”的語句，反之發(fā)出“溫度異常”的語句?？梢愿鶕?jù)場景和需求加入自己所需的語句。

2.2 系統(tǒng)電路設計

由于不同模塊的工作電壓不同，舵機驅動需要的最好電壓為11V左右，所以使用12V的電池作為總的電源輸入，并且直接對舵機驅動供電。對STM32F4主控芯片需要5V的電壓，所以需要在電路中加入可調降壓模塊，整個系統(tǒng)需要使用到多個可調降壓模塊使鋰電池電源提供調節(jié)電壓，以滿足系統(tǒng)需要。另外，保證能夠為MCU及所用到的模塊提供其所需電壓使它們正常工作，這是完成疫情防空裝置工作的前提。

2.3 MCU硬件資源的分配

根據(jù)MCU不同I/O口所具有的硬件資源將不同模塊接在合適的I/O口上，以實現(xiàn)硬件資源的合理使用。此外，大多數(shù)模塊采用到串口通信，為了滿足模塊能夠實現(xiàn)其功能并能夠進行相互間的通信從而滿足項目需要，需要將MCU的串口資源進行分配，使其不存在沖突順利完成項目所需要的功能。

2.4 整體硬件的構造

本項目的整體構造采用椴木層板進行搭建，首先在稿紙上設計出來利于項目完成的門禁外箱的整體構造，然后使用AutoCAD軟件根據(jù)設計紙畫出來對木板需要切割的形狀及長度，然后再使用激光雕刻機進行切割，最后通過釘子熱熔膠等進行搭建，從而得到符合要求的自制門禁。

3 疫情防控機器人軟件設計

3.1 防控裝置軟件設計

圖2是程序執(zhí)行流程圖。本項目中使用的編程語言是C語言，使用的編譯器為MDK。MDK編譯器支持使用C語言對STM32 系列芯片的驅動，該編譯器功能非常強大，支持在線仿真功能，可以更加直觀的看到程序設計時出現(xiàn)的錯誤并及時改正，對于程序的調試非常有幫助的。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(xiàn)調用的過程，不同文件中函數(shù)的調用通過對相應.h文件的文件調用來實現(xiàn)。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(xiàn)的引更加清晰，對于程序的分模塊調試以及程序修改也非常方便。通過代碼編寫控制各個模塊相互協(xié)調以實現(xiàn)項目所需功能。此外，本項目中使用到IO口復用、IIC通訊、SPI通訊、串口通訊、定時器、定時器中斷等，這些功能的正確使用也是項目功能完成的前提，其中特別注意串口資源的分配與使用。因為大多數(shù)模塊都會用到串口通信，解決好這一問題是模塊功能順利實現(xiàn)的基礎。

圖2 程序執(zhí)行流程圖

疫情防控機器人在開始程序啟動后，完成各個模塊初始化，當人進出場所使用該裝置時，首先人將手部伸入溫度檢測區(qū)域內，檢測溫度，正常則酒精噴灑裝置對手部進行消毒，人們可通過掃描二維碼獲得個人信息，最后門禁打開人員進入。如果人體溫度異常則裝置發(fā)出警報，通知工作人員進行處理。

3.2 信息采集小程序軟件設計

微信小程序開發(fā)框架可以讓開發(fā)者們能夠通過簡便、高效的方式開發(fā)具有原生App體驗的服務。一個微信小程序結構主要由主體文件和頁面文件兩部分組成，主體文件部分主要由app.json、app.wxss和app.js三個文件構成。app.json文件用來對微信小程序進行全局配置，它決定了頁面文件的路徑、設置網(wǎng)絡超時時間、窗口表現(xiàn)，http請求跳轉、設置多個tab等，注意app.json是不可以添加注釋的。app.wxss文件是小程序的全局樣式文件，作用于每一個頁面，用于描述WXML的組件樣式。app.js文件使用系統(tǒng)的方法處理全局文件，在整個小程序中，每一個框架頁面和文件都可以使用this獲取app.js文件中規(guī)定的數(shù)據(jù)和函數(shù)，每一個小程序都會有一個app.js文件，有且只有一個，位于項目的根目錄中。

4 項目研究中遇到的部分問題及應對思路與措施

4.1 酒精噴灑裝置的水泵工作問題

酒精噴灑裝置如何在人們伸手進入裝置工作區(qū)域的時候水泵工作，水泵運作將酒精抽出噴灑出來，非工作時水泵停止工作，進入休眠狀態(tài)。針對其供電做出設計，在伸手的時候供電，其他情況下不供電。針對這一思路采用繼電器來解決這一問題，而如何達到繼電器運作的條件，便由紅外傳感器控制。在紅外傳感器檢測到人們把手伸入裝置便讓繼電器工作來給水泵供電，把酒精噴灑出來。

4.2 各個模塊的協(xié)同合作問題

本項目使用多個模塊，模塊的工作協(xié)議不同，如何讓各個模塊合理運作達到預期的工作效果。

系統(tǒng)使用模塊為Cortex-M4內核的STM32系列芯片，各個模塊被主控芯片集中控制，通過程序控制相應的硬件資源輸出各個模塊可以識別的信號。通過以上信息，可以通過芯片內部時鐘來控制各個模塊的運行時機，以達到各個模塊的配合實現(xiàn)預期功能。

4.3 信息采集小程序與人員溫度匹配問題

信息采集小程序為微信小程序，而溫度傳感器采集到的溫度存儲到主控芯片中，如何將兩個不同系統(tǒng)的信息匹配起來？雖然兩個系統(tǒng)無法連接，但是可以通過標號的辦法分別將信息采集小程序和主控芯片中的數(shù)據(jù)進行標號，信息采集小程序中的一號數(shù)據(jù)對應主控信號中的一號數(shù)據(jù)。

總結與展望：本項目研究的是“疫情防控機器人”，該裝置具有基本的疫情防控功能，可以進行溫度檢測、酒精消毒、人流量的控制等；也可以采集到進出各個場所的人員的個人信息，可以通過與溫度信息匹配，在疫情感染者出現(xiàn)后避免二次傳染。最重要的是采用的芯片模塊，具備模型搭建材料價格上相對便宜且裝置易安裝操作，適合普遍推廣，達到疫情防控常態(tài)化，全面化。

在實現(xiàn)項目的基本功能后，排除如環(huán)境、氣候、溫度等干擾因素后，根據(jù)實驗情況對所做項目的安全性等進行評估，后期繼續(xù)進行思考研究，以增加項目的更多功能去實現(xiàn)項目擴展，從而去更好的提升項目的實用性。