淺談基于疫情下的智能消殺小車系統的設計與實現

韋才晶，冼燦嬌，李甜甜，賴其英，李健偉，唐銘吉

（廣西民族師范學院數理與電子信息工程學院，廣西 崇左 532200）

1 前言

2019 年12 月新冠疫情爆發以來，部分公共場合需要進行常規性消毒，阻止新冠病毒的傳播。起初，消毒通常采取人工方式進行，一線工作人員穿上悶熱的防疫服，背負笨重的消毒水箱，雙手攜帶沉重的噴灑工具，對公共場所進行“掃蕩”式地消殺。這種情況下，工作非常辛苦，且由于“接觸式”地消殺，容易感染新冠病毒?；谶@樣的背景下以及疫情防控需求，我們團隊針對多種病毒傳播途徑提出制作一款無接觸式的智能消殺工具——基于疫情下的智能消殺小車系統設計，以此來取代人工接觸性消殺，達到減輕勞動負擔以及降低人員感染新冠機率。該小車系統設置了小車避障、酒精噴灑、水位檢測、報警裝置等模塊。我們在項目開展過程中，提出在小車多個位置安裝超聲波來識別是否存在障礙物，使小車對障礙物的識別更加敏捷，行進時更加順暢，并在消毒液噴灑裝置上加裝水位傳感器，檢測蓄水箱水位，水位過低時，發出警報，以便操作者及時添加消毒液等，來實現自動消殺的功能。

2 設計思路

目前，新興消殺滅菌智能設備的市場愈發火熱，以霧化消毒和紫外線消毒為主。一般的消毒殺菌都是由專業人員使用工具進行作業，不僅不能保證效率，還會對身體安全有一定的危害，目前，市面的消毒機只能在固定地點、固定時間，用固定模式完成消毒工作，且體積質量大，用起來耗時費力，而本設計能自主消殺運行，完美地解決了以上問題。

本設計使用STC89C52 單片機作為主要控制的芯片開發和設計了一款可以通過手機藍牙控制的智能消殺小車，本設計研究的“智能消殺小車”不局限于時間、地點、空間，不僅減輕了人力負擔，降低了消殺成本，還有效地實現了人機分離，無接觸遙控式自主消殺，實現高效、安全地消殺滅菌。本設計在手機端控制下運作，運行途中，當檢測到障礙物時能夠快速調整方向，自動選擇行進路徑。當水位傳感器檢測到小車搭載的蓄水箱內水位過低時，報警模塊和水位傳感器將信號傳送至單片機，蜂鳴器發出響聲，提醒工作人員添加消毒液。本設計是理論與實踐的體現，基于理論知識制作本設計，達到學以致用的效果。

本設計需要使用到一個STC89C52 核心板、一個HC-05 藍牙模塊、一個紅外感應模塊、一個水位傳感器、兩個USB 加濕霧化模塊、一個SG90 舵機。以STC89C52做為核心的控制器，紅外傳感器及超聲波做為識別障礙物的裝置，水位傳感器用于水位報警，HC-05 藍牙模塊做為單片機與手機通信的無線模塊，舵機用來控制行進方向。

3 硬件設計

設計初期，首先確定了本設計需要實現的具體功能，結合各個功能的實際用途對各個具體功能按不同的應用功能，進行了細致的功能劃分，確定了主控模塊、避障模塊、噴灑模塊、舵機模塊、水位監測與報警模塊等五大模塊，并針對各個功能之間的關系，繪制了系統整體的系統框圖，對各個具體功能之間的應用關系進行了進一步的梳理劃分。緊接著，在理論知識的基礎上繪制了各個功能模塊的電路原理圖，通過進行反復的仿真實驗、測試，經過不斷的改進與調試，確定了STC89C52 作為本設計的核心芯片，以及確定了能夠實現各個功能的電子器件，如HC-05 藍牙模塊、紅外傳感器、超聲波傳感器、水位傳感器、USB 加濕霧化器、SG90 舵機等。在初代設計完成后，通過在實際應用場景中應用該設計，結合在各個使用場景中的實際使用情況，分析該設計在實際應用中遇到的問題以及設計的可行性與實用性等，升級調整了該設計的各個硬件模塊，最終經過多次實驗、改造，完成了硬件部分整體的設計。

3.1 設計框圖

本設計電路原理圖可以細分為電源電路、主控模塊、避障模塊、藍牙模塊、噴灑模塊、舵機驅動電路與報警模塊。

基于新冠疫情下的智能消殺小車系統方框圖如圖1所示。

圖1 基于新冠疫情下的智能消殺小車系統方框圖

3.2 設計原理圖

在設計過程中，結合實際應用問題，考慮到器件功耗、各個功能使用性能等問題，最終確定了STC89C51作為該設計的主控芯片。該芯片是一款低功耗、高性能CMOS 8 位微控制器，并搭配了4K 在系統可編程Flash存儲器，具有很高的存取速度，易于擦除和重寫，且功耗很小。在實際應用中，可有效降低功率損耗，提高該設計實用性、可靠性。如圖2 所示為本智能小車的設計原理圖。

圖2 基于新冠疫情下的智能消殺小車設計原理圖

3.3 系統硬件模塊設計

在該設計中，通過仿真與測試，對各個硬件模塊間的功能關系進行了詳盡的劃分，具體劃分為主控模塊、避障模塊、噴灑模塊、舵機模塊、水位監測與報警模塊、藍牙模塊。在本設計中，各個模塊組合應用，使得該設計的各個功能得以實現并應用到實際場景中。

（1）主控模塊。STC89C52 使用傳統的MCS-51 內核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統51 單片機不具備的更多功能。該芯片采用Flash 存貯器技術，具有成本低、兼容性高的優點，且該芯片的制造采用了高密度非易失存儲器制造技術，能將多功能8 位CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， 其程序的電可擦寫特性，使得智能小車開發與試驗比較容易。通過Keil 軟件對STC89C52 編程，可實現對小車的運動狀態的控制。

（2）避障模塊。本模塊使用紅外感應模塊和超聲波來對障礙物進行識別，避障模塊作為本設計的“眼睛”。紅外感應模塊使用串口的通信方式向主控芯片發送數據，當前方出現障礙物時，紅外接收管接收反射回來的紅外線。而超聲波則是以空氣作為介質，超聲波發射器在發出超聲波的同時，單片機內部的定時器開始計時，當超聲波遇到障礙物時，就會被反射回來。通過紅外傳感器與多方位超聲波的組合應用，使得小車在遇到障礙物時，迅速控制消毒液噴灑裝置停止噴灑消毒液，并迅速更改行進路徑，順利完成避障。

（3）噴灑模塊。本設計通過霧化裝置轉化蓄水箱內的消毒液，均勻地霧化消毒液，使消毒液顆粒變小，化為超微粒子，讓氣體分子能夠運動到每個角落，更有效地殺滅空氣中以及附著在物體表面的細菌、病毒，使細菌、病毒無處藏身，達到覆蓋面廣、消殺均勻、沒有死角的效果。并且能夠使消毒液霧化后在空氣中停留更長的時間，增強環境消殺效果。

本設計的噴灑模塊與避障模塊、水位監測與報警模塊形成了有機的功能結合，即在本設計作業過程中，避障模塊、水位監測與報警模塊對噴灑模塊進行了控制與監測。在實際應用場景中，當小車的避障模塊識別到障礙物，會立即向單片機發出信號控制噴灑裝置停止作業，當蓄水箱水位過低時，水位傳感器會立即發出信號，控制噴灑裝置停止作業，防止裝置干燒。本設計中搭載的蓄水箱容量為1L，裝滿后蓄水箱的重量約為1kg，屬于便攜式、可家用的消殺設備，因其輕巧的體型，可輕松穿梭在各種大型機器設備難以到達的環境中。因其組合式的組建方式，根據不同的使用需求可靈活調整小車搭載的蓄水箱容量。

（4）舵機模塊。舵機是伺服電機的一種，能夠利用簡單的輸入信號精確地轉動給定的角度，通常適用于需要角度不斷變化并且可以保持的控制系統。在本設計中，SG09 舵機用于對小車方向的控制，使舵機從0°～180°轉動從而實現路徑的選擇。

（5）水位監測與報警模塊。本設計搭載了水位檢測系統，采用水位傳感器與蜂鳴器相結合，從而實現水位報警的功能。水位傳感器設置在蓄水箱內，當水位傳感器檢測到蓄水箱內的水位低于預設值時，傳感器驅動蜂鳴器發出警報，達到報警的目的，與此同時，噴灑裝置停止消毒液的噴灑，芯片收到信息后，通過藍牙模塊向手機端發送信息，提示操作者蓄水箱內水位不足，操作者收到信息后，便可立即控制小車返回。

（6）藍牙模塊。HC-05 模塊是一款藍牙轉串口轉換器，可以連接微控制器的串行端口，使微控制器與其他設備通過藍牙連接。HC-05 模塊是一款高性能主從一體的藍牙串口模塊，連接到微控制器的串行端口，允許微控制器通過藍牙連接與其他設備通信，模塊本身可以在主模式和從模式下運行，并且可以用于各種應用，價格較低且性價比高。本設計將藍牙模塊與小車相連，用手機打開藍牙串口調試應用，連接藍牙模塊，手機通過藍牙傳輸到HC-05 模塊上，再通過串口通信和STC52 通信，用手機端控制小車的運行。

4 軟件設計

Keil C51 是美國Keil Software 公司出品的51 系列兼容單片機C 語言軟件開發系統。Keil 目前最流行開發51 系列單片機的軟件，支持C 語言和匯編語言。它具有方便易用的集成環境、強大的軟件仿真調試工具，并且能夠不接硬件電路直接進行用戶程序仿真，或者利用硬件仿真器進行實時仿真調試。

本設計的系統軟件設計采用Keil C51 進行開發，與匯編相比，語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，比較容易學習、使用。Keil 提供了編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等。本設計的主程序設計思路如下：本設計的軟件部分由主程序和模塊程序構成，其中程序流程圖由圖3 所示。系統進行初始化后，等待上機指令，啟動小車的控制程序，使小車執行其所對應的控制子程序。與此同時，避障裝置啟動，若遇到障礙物，小車立即停止噴灑消毒液，并且自動選擇后行進的路徑，繼續噴灑消毒液。水位傳感器在蓄水箱中對水位進行實時監測，若蓄水箱內的水位低于預設水位，則報警裝置發出警報，并發送信息到手機終端，使消毒液停止噴灑，而后控制小車返回，添加消毒液。

圖3 程序流程圖

5 結語

本設計完成了一個智能消殺小車，這款智能消殺工具可以通過人機分離的方式自動消殺并且能自動避障，相比市面上的一些消殺方式，本設計能夠不局限與某一空間或某一地點，不受時間限制。并且本設計還有紅外感應模塊，在遇到人或動物時停止噴灑消毒液，更好地減小對人和動物的影響。我們已對本設計的功能進行測試，如檢測前方是否有障礙物、水位監測報警的靈敏度、噴灑裝置的噴灑效果、噴灑裝置的自動控制、手機端的操作等，經過調試，本設計已能實現自動避障功能、無障噴灑有障停止、路徑自選及水位檢測報警的功能，并且控制小車的藍牙控制端操作簡單、容易上手，適合各類人群操作。經過測試，本設計已能實現預期功能，基本上達到了我們的預期。使用智能消殺小車可以提高消殺效率，節省人力、物力。