一種適用于人群的快速智能霧化消毒裝置的設計

雷濤，李釗，朱明明，路國華

空軍軍醫大學 軍事生物醫學工程學系，陜西 西安 710032

引言

2019年12月開始，在我國及全球爆發了新型冠狀病毒引起的肺炎[1]。疫情不僅對人民群眾身體健康和生命安全構成嚴重威脅，也給我國經濟和社會發展帶來嚴重沖擊[2-4]。消毒是切斷病毒傳播途徑的重要措施[5-7]。常見消毒方式主要是使用75%的醫用酒精或速干手消毒劑對手進行局部消毒，以及使用抗污染個人防護裝備如手套、醫用防護口罩、防護面屏或護目鏡、醫用一次性防護服進行防護[8-10]。若未來發生更大規模的爆發性傳染病疫情時，上述針對個人的消毒方式及裝備存在低效、消毒部位不全面、一次性物資消耗較大、防疫層次低、易漏檢等缺點。因而，需要專門針對人群的高效、自動化的消毒裝置作為應急消毒裝備來應對未來隨時可能發生的大規模、高傳染性的重大疫情。為達到高效、自動化的消毒這一實際問題，本文基于傳感器及單片機技術，設計了一種快速智能霧化消毒裝置。

1 系統設計

1.1 機械組件設計

本裝置機械組件包括：消毒通道、儲液罐、水泵、PVC管路以及四向霧化噴頭。消毒通道由不銹方鋼制成，帶4組萬向帶剎車腳輪，方便移動位置，適應各種路面使用，根據需求可隨時更換使用地點，短距離無需運輸。儲液罐為200 L塑料箱體，水泵功率為1馬力，PVC管路構成消毒液通行管路，四向霧化噴頭是生成霧化薄霧的主要器件，安放于消毒通道的頂端與兩側，實現對通過行人從頭到腳消毒（圖1）。

圖1 機械組件設計方法

1.2 電路設計

系統電路設計如圖2所示，當人體靠近被動式紅外人體運動（Passive Infrared Detectors，PIR）感應器（HC-SR501）時，由于人體反射紅外線，運動傳感器就會檢測到這些紅外線，并通過輸出引腳輸出一個高電平信號（High）。這個High信號會被Arduino開發板讀取。因此，如果Arduino讀到一個High信號，它將給繼電器模塊一個High信號，這意味著繼電器將打開，結果電源繼電器將打開，它將打開水泵15 s（可以改變）。同樣的，如果Arduino讀到一個低電平信號（Low），它將使繼電器引腳為Low，結果水泵將保持關閉。

圖2 系統電路設計

電路設計中使用了2個PIR傳感器，使其更加精確，如果其中任何一個傳感器感應到運動，那么繼電器將打開15 s。同時，我們不能直接使用5 V繼電器與水泵，因為在此設計中使用的水泵的額定電流為16 Ampere，而5 V繼電器的最大負載為10 Ampere，所以為了控制水泵，多用了一個繼電器與5 V繼電器模塊相連。

1.3 軟件設計

針對消毒功能，利用Keil C語言編程，程序流程圖如圖3所示。讀取PIR感應器輸出電平，判斷是否為高電平，若為高電平，打開繼電器工作15 s后關閉繼電器。若為低電平，關閉繼電器。

圖3 消毒功能軟件設計

針對手機、PC終端實時查看拍攝照片和人員數據統計功能，需借助樹莓派3（Raspberry Pi 3 Model B）硬件平臺，將可以直連樹莓派的攝像頭模塊置于通道入口頂部，攝像頭可對進入行人進行拍照，在樹莓派操作系統中利用Python編程，使用OpenCV跨平臺計算機視覺庫處理拍攝照片，架設本地PHP Server服務，借助樹莓派無線功能，可實現手機、PC終端實時查看拍攝照片和人員數據統計（圖4）。

圖4 手機、PC終端實時查看拍攝照片和人員數據統計功能軟件設計

2 消毒劑的選擇

由于本裝置主要針對人群進行消毒，故對消毒劑的安全性要求較高。我國2019年頒布了GB/T 36758-2018含氯消毒劑衛生標準，明確了次氯酸能直接作用于人體黏膜[11]。次氯酸水相比乙醇、PVP-I、過氧化氫、次氯酸鈉具有殺菌速度快、殺菌種類多，特別是其對皮膚無刺激、可吸入、對人體安全無毒副作用等優點。因而符合本裝置消毒需求，故選擇食品級消毒的次氯酸水作為霧化來源的消毒劑。

3 系統效果

如圖5所示，位于消毒通道入口頂端的PIR感應器識別是否有人進入消毒通道，當有人進入，發出識別信號（圖5a），傳輸至單片機主控系統經繼電器控制水泵運行15 s，泵出的儲液罐中的次氯酸水經四向霧化噴頭可生成霧化薄霧，實現對行人從頭到腳消毒15 s，保護行人較長時間內不沾染病菌（圖5c）。同時，該裝置可利用攝像頭對進入行人進行拍照，上傳至后臺由PC、手機終端設備進行實時查看和人員數據統計。

圖5 系統效果

4 討論

有效應對重大公共衛生事件、地震災害救援防疫是我國新時代面臨的重要任務[12]。消毒是切斷病毒傳播途徑的重要措施。因而，對消毒裝備的研究可為有效應對重大公共衛生事件提供有力支撐。

目前，常用的消毒裝備包括單人專業洗消器、防疫車以及智能消毒機器人等。單人專業洗消器是一種肩背手提式的人工操作裝備，在2019-nCoV、SARS、汶川防疫中都有使用。實現對疫區污染環境或普通環境的消毒清洗。缺點是消毒范圍小、效率低。攜帶大型噴霧器的防疫車可使藥水大面積在空氣中停留,每小時可對0.5 km2范圍進行消毒殺菌[13-14]，實現對空氣、地面進行立體消毒，效率比人工消毒提高40倍。實現了防疫噴灑從肩背手提的人工操作到利用防疫車按動操控面板自動化工作的轉變。進駐火神山醫院的智能消毒機器人集合了清掃、噴灑消毒藥水、自主避障、搜集垃圾等功能，降低了醫護人員的感染風險[15]。然而，上述裝備均是針對普通環境和污染環境的消毒[13-14,16-17]。針對疫區人群應急的快速自動化的消毒裝備尚未見到。本研究設計的專門針對人群的高效、自動化消毒的裝置可作為應急消毒技術儲備來應對未來隨時可能發生的大規模、高傳染性的重大疫情。

5 結論

該裝置設計具有如下特點：食品級消毒，設備采用的消毒劑為食品級消毒劑，對人體安全；自動感應式噴霧消毒；可移動，防疫環境適應性強，適應各種路面，短距離無需運輸；消毒人群數據可記錄統計，管控方便；快速布置開展。該設計可實現產品化、標準化，可服務于消毒保障能力提升，可為我國有效應對重大公共衛生事件及災害救援防疫提供有力支撐。