智能消毒防疫機(jī)器人設(shè)計(jì)

孫浩瑜，胡嘉慧，王有民，趙錦洋

（西北民族大學(xué)，甘肅蘭州，730000）

0 引言

經(jīng)過本團(tuán)隊(duì)的調(diào)研以及走訪，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款STM32F1系列芯片作為主控芯片的機(jī)器人，通過提前設(shè)定路線，自動(dòng)、高效、精準(zhǔn)的對(duì)學(xué)校食堂，商場(chǎng)，醫(yī)院，火車站，飛機(jī)場(chǎng)等公共場(chǎng)所進(jìn)行自主消毒防疫工作，同時(shí)可完成智能測(cè)溫，語(yǔ)音播報(bào)工作。通過各模塊的協(xié)作完成相對(duì)應(yīng)的消毒防疫功能，也能夠輔助減輕防疫人員的工作強(qiáng)度，減少人力資源的消耗，有效減少人員交叉感染，提高工作效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的智能消毒防疫機(jī)器人主要由Cortex-M3內(nèi)核的STM32F1系列芯片作為主控芯片，搭配LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊、ZigBee通訊模塊、超聲波模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊、溫度檢測(cè)模塊、人體測(cè)溫模塊以及指紋識(shí)別模塊和RFID射頻識(shí)別模塊等構(gòu)成。通過紅外等傳感器返回值對(duì)電機(jī)的占空比等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而使機(jī)器人沿著設(shè)定軌道行進(jìn)，在行進(jìn)過程中使用消毒噴灑裝置對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行消毒，同時(shí)通過微處理器的定時(shí)器、IIC通訊協(xié)議、SPI通訊協(xié)議、I/O口的復(fù)用、串口等功能來(lái)完成程序的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目是以智能消毒防疫機(jī)器人為研究對(duì)象，該機(jī)器人使用了以STM32為核心的主控芯片，在硬件系統(tǒng)中主要包括自主移動(dòng)避障系統(tǒng)、人體體溫識(shí)別系統(tǒng)、語(yǔ)音控制系統(tǒng)、安全防盜系統(tǒng)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。其硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

2.1 電源模塊

如硬件系統(tǒng)框圖所示，消毒防疫機(jī)器人采用主備用供電模式。為滿足該消毒防疫機(jī)器人在不同工作模式下能夠正常穩(wěn)定工作的目的，供電模式采用行業(yè)主流的鋰電池，鋰電池具有續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。通過內(nèi)部降壓電路設(shè)計(jì)，將電池的電壓降壓為各模塊所需要的電壓供電，既能保證芯片的長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行工作，又便于檢修。

2.2 核心板模塊

消毒防疫機(jī)器人使用STM32F103ZET6芯片作為核心主板，該處理器不僅具有較高的工作頻率，功能強(qiáng)大，替換方便，并且具有豐富的 I/O 外設(shè)接口、多種通信接口等。STM32F103ZET6芯片可以對(duì)不同類型的情況進(jìn)行綜合處理，將控制板和各個(gè)控制模塊，移動(dòng)模塊相結(jié)合，是消毒防疫機(jī)器人的硬件核心。

2.3 自主移動(dòng)模塊

用紅外傳感器對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，該傳感器利用紅外線來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并且配置超聲波模塊，該模塊通過發(fā)送和接收超聲波，利用時(shí)間差和聲音傳播速度，計(jì)算出模塊到前方障礙物的距離。消毒防疫機(jī)器人通過紅外傳感器對(duì)路面進(jìn)行紅外線采集，并將采集到的數(shù)據(jù)返回到STM32芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，繼而改變電機(jī)方向、數(shù)值等參數(shù)，通過處理超聲波模塊返回的參數(shù)進(jìn)行避障功能，故機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)避障的功能。

2.4 智能控制模塊

本項(xiàng)目中消毒防疫機(jī)器人外圍配置指紋鎖模塊、ZigBee通訊模塊、語(yǔ)音識(shí)別模塊等。利用As608指紋模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能安保功能，此模塊通過高效準(zhǔn)確采集指紋圖像信息，將采集到的信息反饋給指紋識(shí)別算法芯片完成信息的采集與處理，主控芯片得到處理后的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)正確指紋才能開鎖的功能。并且通過LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊和ZigBee通訊模塊同時(shí)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，用戶通過LD3320給機(jī)器人發(fā)送指令，由于LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊的識(shí)別距離有限，則通過通訊模塊進(jìn)行信號(hào)的傳輸，從而達(dá)到對(duì)機(jī)器人的智能指令控制功能。

2.5 硬件結(jié)構(gòu)

智能消毒防疫機(jī)器人在開啟電源后，先通過穩(wěn)壓電路等對(duì)電路進(jìn)行有效的保護(hù)，防止出現(xiàn)電壓過高或者過低的情況，繼而給主控芯片、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、As602指紋識(shí)別模塊、人體測(cè)溫模塊、LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊、Z igBee通訊模塊、超聲波模塊供電。首先用戶輸入正確指紋使智能消毒防疫機(jī)器人進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)，機(jī)器人通過語(yǔ)音識(shí)別模塊對(duì)用戶的話語(yǔ)進(jìn)行識(shí)別，獲取正確信息后反饋給主控芯片，之后主控芯片控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行自主移動(dòng)，通過超聲波模塊對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行距離檢測(cè)，如發(fā)現(xiàn)障礙，則不能實(shí)現(xiàn)往前的指令，同時(shí)利用語(yǔ)音播報(bào)對(duì)行人進(jìn)行安全警示。在自主移動(dòng)避障過程中，采用消毒噴灑裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的消毒功能。在不進(jìn)行消毒工作時(shí)，機(jī)器人通過采集行人給予的測(cè)量體溫的信號(hào)實(shí)現(xiàn)測(cè)量體溫功能。

核心板STM32處理器與不同類型的傳感器模塊以不同的數(shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)人體溫度測(cè)量、障礙物距離測(cè)量以及移動(dòng)時(shí)路線的實(shí)時(shí)檢測(cè)，噴灑消毒液的功能。

2.6 機(jī)械結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)主要針對(duì)當(dāng)今社會(huì)，隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，疫情情況不斷延續(xù)，智能消毒防疫機(jī)器人愈加被人們需要，所以設(shè)計(jì)了一款智能消毒防疫機(jī)器人。該設(shè)計(jì)具有自主移動(dòng)功能和噴灑消毒液功能以及自主測(cè)溫功能。并且其工作環(huán)境、溫度等不受限，使得該設(shè)計(jì)有更大的可使用性。通過各模塊的協(xié)作，可以完成智能消毒防疫機(jī)器人所具有的功能。

該設(shè)計(jì)是基于一輛可移動(dòng)的小車進(jìn)行功能發(fā)展完善，該設(shè)計(jì)長(zhǎng)約40公分，寬約40公分，高約50公分，以便放置電源模塊、核心板模塊、自主移動(dòng)模塊、智能控制模塊等。在車身上部放置STM32F103ZET6芯片核心主板，方便其與其他模塊進(jìn)行連線傳輸，對(duì)該智能消毒防疫機(jī)器人在線路方面進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，使電路簡(jiǎn)單，不易造成發(fā)熱爆炸等現(xiàn)象；在車身底部安裝噴灑消毒液的裝置，使其能夠更全方位的覆蓋周圍環(huán)境，以便完成該設(shè)計(jì)的核心工作：消毒，并且使工作效率更高；在車身前方安裝智能觸摸裝置，方便工作人員對(duì)其進(jìn)行開關(guān)以及選擇工作模式；在其車身兩側(cè)安裝紅外線傳感器，通過紅外傳感器對(duì)路面情況進(jìn)行紅外線數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)返回到STM32芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，之后主控芯片控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行自主移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)功能；在其車身上部放置溫度傳感器，方便行人檢測(cè)自己的體溫是否處于健康范圍；在其車身上部安裝語(yǔ)音播報(bào)以及語(yǔ)音識(shí)別模塊，智能消毒防疫機(jī)器人通過語(yǔ)音識(shí)別模塊對(duì)用戶的話語(yǔ)進(jìn)行識(shí)別，獲取正確信息后反饋給主控芯片，同時(shí)利用語(yǔ)音播報(bào)對(duì)行人進(jìn)行安全警示。

3 主要軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中使用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，使用的編譯器為Keil 5。而Cortex-M3系列處理器的開發(fā)應(yīng)用可以全部在C語(yǔ)言環(huán)境中完成。程序編寫時(shí)使用模塊化編程，把不同模塊的初始化及驅(qū)動(dòng)過程封裝在不同的.c文件中，在main.c文件中只實(shí)現(xiàn)調(diào)用的過程，不同文件中函數(shù)的調(diào)用通過相應(yīng)的.h文件來(lái)實(shí)現(xiàn)。模塊化編程最大的好處就是程序的可閱讀力比較強(qiáng)，編程思路的體現(xiàn)更加清晰，對(duì)于程序的分模塊調(diào)試以及程序修改也非常方便，方便他人閱讀和學(xué)習(xí)。

智能消毒防疫機(jī)器人在控制芯片啟動(dòng)之后，先將各模塊進(jìn)行初始化。當(dāng)機(jī)器人接收到正確指紋后，才能接收用戶所給與的控制信息，如若沒有接收到正確指紋，則返回輸入指紋環(huán)節(jié)，直到接收到正確指紋。其次，在語(yǔ)音識(shí)別到信息后才能進(jìn)行相應(yīng)的功能，若收集到需要噴灑消毒液的信息，則進(jìn)入自移動(dòng)噴灑消毒液功能中；若沒有接收到噴灑消毒液的信息，則進(jìn)入人體溫度檢測(cè)環(huán)節(jié)，直到接收到需要噴灑消毒液的指令，如此反復(fù)工作。程序執(zhí)行流程圖如圖2所示。在進(jìn)入人體溫度檢測(cè)環(huán)節(jié)時(shí)，如果STM32核心控制板接收到溫度傳感器傳送回來(lái)的人體溫度，則控制語(yǔ)音播報(bào)模塊讀出接收到的數(shù)據(jù)，如果沒有接收到傳送回來(lái)的人體溫度或者溫度處于不正常區(qū)間，則播報(bào)使用者重新測(cè)溫的警示。在進(jìn)行機(jī)器人自主移動(dòng)進(jìn)行消毒工作環(huán)節(jié)時(shí)，如果主控板沒有接收到左右兩側(cè)紅外傳感器以及超聲波模塊返回的數(shù)據(jù)時(shí)，智能消毒防疫機(jī)器人以恒定的速度向前行駛，當(dāng)接收到任意一個(gè)傳感器返回的數(shù)據(jù)時(shí)，主控板根據(jù)返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，使機(jī)器人能夠穩(wěn)定正確的行駛在軌跡上。

圖2 程序執(zhí)行流程圖

4 總結(jié)與展望

智能消毒防疫機(jī)器人設(shè)計(jì)完成后，在模擬的公共場(chǎng)合情境中不斷調(diào)試機(jī)器人的自主移動(dòng)避障，噴灑消毒液功能，語(yǔ)音控制以及測(cè)溫語(yǔ)音播報(bào)功能直到機(jī)器人能夠完美完成用戶設(shè)定的不同任務(wù)，達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。

調(diào)試過程表明，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的消毒防疫機(jī)器人能夠通過各種傳感器模塊、指紋鎖模塊、ZigBee通訊模塊以及消毒噴灑裝置的融合統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主移動(dòng)功能、安保功能、人體測(cè)溫功能以及消毒液體噴灑功能。同時(shí)在試驗(yàn)過程中，機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便,在模擬的環(huán)境中可以正確完成各個(gè)功能，有較強(qiáng)的實(shí)用性。因此，本智能消毒防疫機(jī)器人具有一定的使用價(jià)值，能夠輔助減輕防疫人員的工作強(qiáng)度，減少人力資源的消耗，有效減少人員交叉感染，提高工作效率。

根據(jù)市場(chǎng)需求，相較于人工噴灑消毒液來(lái)說(shuō)，本智能消毒防疫機(jī)器人的工作效率更高、工作費(fèi)用更廉價(jià)、工作完成度更強(qiáng)、消耗的勞動(dòng)力更少。相較于傳統(tǒng)的消毒機(jī)器人來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在市面存在的消毒機(jī)器人只能完成在固定地點(diǎn)、固定模式、固定時(shí)間進(jìn)行消毒，并且體積大質(zhì)量重，成本也較高，功能單一，不能有效降低防疫人員的工作強(qiáng)度，并且在使用起來(lái)不方便，耗時(shí)耗力。而本智能消毒防疫機(jī)器人完成強(qiáng)度更高，壽命更長(zhǎng)久，功能更齊全，擁有更加良好的穩(wěn)定性與可操作性，對(duì)于人工的依懶性不強(qiáng)，在設(shè)置工作模式之后即可進(jìn)行自主工作，無(wú)需人工進(jìn)行監(jiān)控。

本項(xiàng)目以時(shí)代背景疫情防控為基礎(chǔ)，聯(lián)想到公共場(chǎng)合的消殺問題，故提出智能消毒防疫機(jī)器人的設(shè)計(jì)。其具有一定的使用價(jià)值，但功能還不夠完備，該設(shè)計(jì)本身的應(yīng)用層面更廣，不只局限于基于疫情的消殺情境，更是可以應(yīng)用到養(yǎng)殖場(chǎng)、食品產(chǎn)業(yè)等生產(chǎn)線中。但該設(shè)計(jì)在實(shí)際工作環(huán)境中還不能夠完全替代人工，希望在今后的學(xué)習(xí)研究中做更進(jìn)一步的開發(fā)與升級(jí)，使該機(jī)器人更好的服務(wù)于實(shí)際應(yīng)用之中。