一种智能安检防疫机器人控制系统设计

张雨新 陈文哲 成咏华 曾艳 王震生

摘  要：为了助力新冠疫情防控，降低火车站、客车站等公共场合交叉感染的概率，降低防疫人员工作强度，开发了一款防疫消杀机器人。该机器人系统以树莓派为核心控制器，增加了人脸识别模块、智能测温模块、智能消杀模块，通过系统硬件设计使该机器人系统在功能上集识别、测温、消杀于一体。同时，设计该系统的外观结构，并进行材料选择与测试。通过多次仿真实验，该机器人基本可以实现消杀作用，且效果良好。

关键词：防疫机器人;智能消杀;树莓派;系统仿真

中图分类号：TP242;TP391.4                文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）16-0067-03

Design of an Intelligent Security Inspection and Epidemic Prevention Robot

Control System

ZHANG Yuxin， CHEN Wenzhe， CHENG Yonghua， ZENG Yan， WANG Zhensheng

（Tangshan Polytechnic College， Tangshan  063299， China）

Abstract： In order to help the prevention and control of the COVID-19 epidemic， reduce the probability of cross-infection in public places such as railway stations and passenger stations， and reduce the work intensity of epidemic prevention personnel， an epidemic prevention and killing robot has been developed. The robot system uses the Raspberry Pi as the core controller， adds a face recognition module， an intelligent temperature measurement module， and an intelligent killing module. Through the hardware design of the system， the robot system integrates recognition， temperature measurement and killing in one function. At the same time， design the appearance and structure of the system， and conduct material selection and testing. Through many simulation experiments， the robot can basically achieve the killing effect， and the effect is good.

Keywords： epidemic prevention robot; intelligent killing; raspberry pi; system simulation

0  引  言

自2020年初新冠肺炎疫情暴發以来，全国人民投身于抗击疫情的“战役”中，机器人代替人工完成疫情防控的相关工作的需求被激发，防疫机器人的应用研究也逐渐成为热点。

目前，所研究的防疫机器人主要具有智能测温、消毒、自主返回充电、语音播报等功能，一般采用轮式和履带式的运动方式[1]。张雄，刘浩等人提出了一种消毒防疫智能巡检机器人，以STM32单片机作为控制器，配置多种传感器实现数据的采集，通过摄像头和无线模块实现图像信息的采集与传输，同时机器人身上安放自动喷洒消毒装置，实现巡检、消毒及防疫功能[2];李志鹏提出了一款基于Arduino的WIFI智能遥控防疫机器人设计与制作，机器人主要由车体、Arduino控制板、电源模块、电机驱动模块、物联网模块等构成。通过蓝牙模块实现手机APP与Arduino控制板之间信号和数据的传输，能实现在小车遥控模式、循迹模式、避障模式、路径规划模式下的考勤、测温、防疫药水喷洒等功能[3]。新冠肺炎疫情防控常态化背景下，为了减少人与人直接接触而造成交叉感染，降低工作人员工作强度，设计开发了一款智能安检防疫机器人。

1  系统功能描述

本设计的智能安检防疫机器人是应用在火车站、客车站和机场等人流密集、流动量较大的场合，主要包括三个功能：身份识别、智能测温和智能消杀。设备外形如图1所示。

1.1  人脸识别

本设计采用检测门式，当人员通过检测门时，站到检测台上，能够通过人脸识别识别出个人信息并记录到数据库中，收集流动人员大数据的信息，便于日后流调。人脸识别装置安装结构如图2所示。

1.2  智能测温

通过检测门时，进行体温检测，采用光电传感器检测人员到位信号、用树莓派做人脸识别、使用非接触式红外测温传感器检测人体温度，当检测的温度异常时，系统会发出报警，被检测人将进入人工检测区域进行后续处理;当检测的温度正常时，启动智能消杀功能。

1.3  智能消杀

本系统可以实现对人体和双手进行自动消杀功能。一般人体高度为1.6～1.8米（身高低于1.2米的儿童不能使用），根据身高检测信号确定喷头喷杀状态，在距离地面0.5米、1米和1.5米分别安装消杀喷头，消杀时，用光电开关对人体高度进行检测，如果检测到人体高度1.2米，只有0.5米处喷头喷杀，检测到人体高度1.6米，0.5米和1米处喷头喷杀，检测到人体高度1.8米，三个喷头同时喷杀，以确保对人体外衣进行消杀的同时不喷洒到头部、面部等部位。采用“一进液”变“六出液”，实现了供液和喷洒的支路配合，以及对手部的消毒，手部消毒喷淋机构结构示意图如图3所示。

设备具有安全可靠的防水、防潮、防触电措施，防止在消毒和检测过程中出现漏电，营造安全的检测和消毒环境。所用消毒液使用水和盐电解生成的次氯酸，对人体无危害，对环境无污染，且成本低，消毒效果好。以上功能全部由机器人自动完成，降低防疫一线工作人员的劳动强度，同时降低人与人接触造成交叉感染的概率。同时本系统可用在学校、商场等人流密集的场合。

2  系统硬件设计

2.1  外观结构

为了保证所设计设备有足够的强度和刚度且具有抗腐蚀性，并考虑成本的因素，选择铝合金结构作为框架材料，规格为欧标3030及其配件[4]，连接处使用角件进行加固，结构如图4所示。此外，根据系统应用需求确定整个系统高2.5米，宽1.2米，底端旋转盘直径0.8米。

2.2  主要元件选择

2.2.1  控制器的选择

本系统采用树莓派4B+作为控制器。树莓派4B+树是一款基于ARM的微型电脑主板，搭载运行频率1.5 GHz的64位四核处理器;设有千兆以太网和双频无线网络，可实现智能防疫消杀机器人系统与监控中心的远程通信;设有40个端口，用于外接温度传感器等各种硬件;设有USB接口，可以连接鼠标、键盘，使得使用者可以更加方便地操作设备。相对于单片机，树莓派4B+能运行Linux等操作系统，且运算能力更强，可以完成复杂多重的任务监控管理与调度，更适合本设计需求[5]。

2.2.2  图像采集模块

在本设计中，用于采集人脸信息的图像采集模块选用的是树莓派摄像头模块RPi Camera V2。它是专为树莓派定制的，具有高质量800万像素，使用索尼IMX219感光芯片和定焦镜头，可通过软排线和树莓派主板的CSI接口进行连接。

2.2.3  测温装置选择

本设计选用红外温度传感器MLX90615测量人体体温。该温度传感器的测温范围为-40 ℃～115 ℃，在0～50 ℃的范围内可获得0.5 ℃的测温精度，分辨率为0.02 ℃，工作电压3 V，工作电流5 mA，具有SMBus兼容的数字接口，可实现PWM输出，满足本设计的需求。

2.2.4  电机选择

在电机选型中，我们选择5882-50ZY涡轮蜗杆直流减速电机。根据系统需求，对于电机的最基本的要求为电机扭矩大，可承受100公斤以上的重物，节省空间，可靠耐用，能耗低，振动小，可正反转且效率高，因此我们选用最常用、最稳定的24 V直流减速机，经过不同类型对比，最终从承重能力及成本上考虑，选择了5882-50ZY涡轮蜗杆直流减速电机。

2.3  系统硬件结构图

本系统硬件结构图如图5所示[6]。

本系统硬件结构主要包括以下七大模块：

（1）人脸识别模块，用于识别被检测人的身份信息，记录人员流动情况，用于日后流调。

（2）温度检测模块，用于被检测人的温度检测。

（3）报警模块，当被检测人的体温≥37.3 ℃时，发出报警，提醒工作人员进行重复测温并处理。

（4）显示模块，用于实时显示温度检测结果。

（5）供液模块，用于为消毒模块提供消毒液。

（6）消毒模块，用于对人体进行喷杀消毒。

（7）手部消毒模块，用于对被检测人的手部进行消毒。

3  系统软件设计

本设计可选用全自动智能消杀，具体流程为：

（1）消杀机器人首先对被测人员进行身份识别。

（2）身份识别后，身份信息为云端数据库内信息，显示屏显示身份信息正常，则进行下一步;身份信息不为云端数据库内信息，语显示屏显示身份信息异常并发出报警，则终止服务。

（3）身份信息检测通过后，红外测温传感器C1启动测温，≥37.3 ℃，系统启动报警，并显示在显示屏上，服务终止;<37.3 ℃，系统提示正常显示在显示屏上，并进行下一步。

（4）人站到消毒轉盘上，对射式光电传感器C2接收到信号启动并发送信号给直流电机K1，直流电机带动的消毒转盘启动，由动力泵F和电磁阀E1、E2控制的消毒机构启动消毒，15 s后停止。

（5）人将手伸入手部消毒机构，反射式光电传感器C3接收到信号启动并发送信号给有动力泵F和电磁阀E3、E4控制的手部消毒，5 S后结束。

（6）手部消毒结束后5 S，回到初始状态。工作流程示意图如图6所示。

4  结  论

本文设计了一款智能安检防疫机器人，采用树莓派4B+为控制器、采用树莓派摄像头模块RPi Camera V2进行人脸信息的图像采集、使用红外温度传感器进行温度采集，设计了外形尺寸为2.5 m×1.2 m×1.2 m的防疫机器人原型系统，自动完成温度检测、人脸识别和防疫消杀，大大降低接触式传播的风险，减少工作人员的工作强度，适用在火车站、商场等人员流动密集的场合。

参考文献：

[1] 前瞻产业研究院.2020年中国防疫机器人发展报告：防疫前线的钢铁战士[R/OL].[2021-04-18].http：//www.d-long.cn/eWebEditor/uploadfile/2020092419341439680177.pdf.

[2] 张雄，刘浩，钟宙明，等.消毒防疫智能巡检机器人的设计 [J].电子制作，2021（1）：23-24+42.

[3] 李志鹏.基于Arduino的WIFI智能遥控防疫机器人设计 [J].电子世界，2020（12）：181-182.

[4] 崔丹丹，曾艳，王海龙.基于PLC控制的智能洗浴设备研制 [J].工业技术与职业教育，2021，19（2）：8-10.

[5]潘志倩，基于树莓派的智能“魔镜”设计 [J].电子技术应用，2021（2）：45-48.

[6] 曾艳，王震生，王康，等.一种新型的移动机器人主控板设计 [J].数码设计，2020（15）：54-55.

作者简介：张雨新（1983—），女，汉族，吉林榆树人，副教授，硕士研究生，研究方向：机电一体化技术。