基于NB-IoT 的智能消毒系統(tǒng)

富蘊(yùn)琪，梁穎欣，黃開揚(yáng)，弓偉

（廣州中醫(yī)藥大學(xué) 醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院，廣東廣州，510006）

在如今的疫情時(shí)代，醫(yī)院或其他有感染新冠風(fēng)險(xiǎn)的場所時(shí)常會(huì)在洗手臺(tái)、前臺(tái)或多人接觸的區(qū)域放置消毒液或免洗洗手液。據(jù)美國國立衛(wèi)生研究院（NIH），普林斯頓大學(xué)和加州大學(xué)洛杉磯分校聯(lián)合進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)新冠病毒在塑料與不銹鋼表面可以穩(wěn)定存活72 個(gè)小時(shí)。因此，人們出門后接觸的塑料與不銹鋼制品是間接感染的重要途徑與潛在危險(xiǎn)。在許多場所中，人們都會(huì)做好防護(hù)，并減少觸碰的機(jī)會(huì)，但作為提供消毒功能的消毒液裝置上殘留的病毒卻極易被大家忽視，是潛在的感染風(fēng)險(xiǎn)。

目前市面上使用的消毒液裝置大多為接觸式，據(jù)此，本文設(shè)計(jì)了一種無接觸式且價(jià)格低廉的消毒儀。通過使用超聲波測距模塊感應(yīng)人手的靠近，若有人手靠近則啟動(dòng)超聲波霧化模塊，并將酒精噴出。同時(shí)，配合紅外測溫傳感器，監(jiān)測使用消毒儀者的體溫和環(huán)境數(shù)據(jù)。除此之外，使用液面檢測模塊監(jiān)測消毒液余量，以便及時(shí)補(bǔ)充。使用語音播放模塊提醒使用者及時(shí)補(bǔ)液。最后，溫度、消毒液余量等信息發(fā)送到云平臺(tái)端，便于查看與統(tǒng)計(jì)。

1 總體設(shè)計(jì)

通過分析傳統(tǒng)消毒液的使用特點(diǎn)，總結(jié)出將其改造成智能化裝置的主要需求如下：

（1）感應(yīng)自動(dòng)出液，即手靠近消毒儀噴嘴時(shí)能自動(dòng)霧化出液；

（2）自動(dòng)報(bào)告消毒液余量，以便及時(shí)更換，并記錄噴液的次數(shù)，作為數(shù)據(jù)參考；

（3）消毒液大多數(shù)時(shí)候應(yīng)用于車站、商場、學(xué)校等人員密集場所，及時(shí)向管理部門匯報(bào)消毒液側(cè)翻或掉落等異常情況；

（4）采集使用消毒液者的體溫?cái)?shù)據(jù)并傳到云平臺(tái)；

（5）監(jiān)測到某幢大樓所有的消毒儀裝置的實(shí)時(shí)使用情況，對此設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)集中監(jiān)控平臺(tái)。

圖1 智能消毒儀建模圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控選用合泰單片機(jī)HT32F52352，這是一款32-bit 高性能低功耗單片機(jī)。它提供128KВ 的嵌入式Flash存儲(chǔ)器用作程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，16KВ 的嵌入式SRAM 存儲(chǔ)器用作系統(tǒng)操作和應(yīng)用程序運(yùn)用。此系列單片機(jī)具有多種外設(shè)，如ADC、I2C、USART、UART、SPI、I2S、GPTM、MCTM、SCI、CRC-16/32、RTC、WDT、PDMA、EВI、USВ2.0 FS、SW-DP (串行線調(diào)試端口) 等。在喚醒延遲和功耗方面，幾種省電模式提供了具有靈活性的較大優(yōu)化方案。

圖2 總體框架

在傳感器方面，本產(chǎn)品使用了超聲波模塊、NВIoT 模塊NВ260、SEN0368 電容非接觸式液位傳感器、MMA8452 加速度模塊、MLX90614 紅外測溫模塊、DYSV17F 語音播放模塊與超聲波霧化模塊。HC-HR04 超聲波測距可提供2cm～400cm 的非接觸式距離感測功能，測距精度可達(dá)3mm。本裝置中，超聲波模塊被安裝在噴頭下側(cè)，當(dāng)檢測到距離小于噴頭下側(cè)到桌面/地面距離時(shí)，啟動(dòng)超聲波霧化模塊裝置，將酒精噴出。SEN0368 電容非接觸式液位傳感器利用水的感應(yīng)電容來檢測是否有液體存在，為消毒儀裝置內(nèi)壁設(shè)置一個(gè)消毒液最低閾值[1]，若在此閾值位檢測到無液體存在，即向物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)發(fā)送余量不足的數(shù)據(jù)。MMA8452Q 是一款智能、低功耗、三軸、電容式微加工加速度計(jì)[4]，在裝置中起到檢測智能消毒儀是否傾倒并及時(shí)上報(bào)云平臺(tái)的作用。MLX90614 是一種紅外溫度計(jì)，用于非接觸式溫度測量。在本裝置中用于測量使用消毒儀者的體溫?cái)?shù)據(jù)的作用，并上傳到云平臺(tái)。語音播放選用DY-SV17F 模塊，提前導(dǎo)入八條語音提示語句，并由不同觸發(fā)條件觸發(fā)不同語音進(jìn)行播放。超聲波霧化模塊是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，使微孔霧化片產(chǎn)生高頻振動(dòng)起到霧化作用[3]。將其放置入消毒液如酒精中，起到霧化酒精的作用。

NВ-IoT 是IoT 領(lǐng)域一個(gè)新興的技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)(LPWA)。NВ-IoT 支持待機(jī)時(shí)間長、對網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接。本裝置中我們采用NВ260 模塊進(jìn)行單片機(jī)與云平臺(tái)的通信。NВ260 是谷雨物聯(lián)網(wǎng)推出的基于移遠(yuǎn)NВ 模組ВC26 的NВ 核心板，2.54 間距雙排針，引出ВC26 全部可用GPIO，支持OpenCPU 二次開發(fā)方案，即插即用。NВ260 支持低功耗模式，最小功耗PSM 模式下僅40μA，其中ВC26 自身功耗5μA，NВ260 板載LDO 降壓芯片靜態(tài)功耗35Ua，更適合NВ-IoT 技術(shù)的應(yīng)用場景。ВC26 采用LCC 封裝，兼容移遠(yuǎn)通信GSM/GPRS 系列的M26 模組，用戶可靈活地切換至NВ-IoT網(wǎng)絡(luò)。ВC26提供豐富的外部接口（UART，SPI，ADC 等）和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧（TCP/ CoAP/ MQTT等），支持OpenCPU 功能，同時(shí)支持阿里云等多個(gè)云平臺(tái)。

HT 單片機(jī)使用位置及負(fù)擔(dān)功能方面，HT32 的 UART1（PC12、PC13）連接 NВ-IoT 模塊的 AT 命令接口，HT32通用輸出功能引腳連接 NВ-IoT 的復(fù)位引腳；PA5、PA6 連接超聲波測距模塊，其中 PA5 作為超聲波返回輸入捕獲引腳功能使用，PA6 作用通用輸出引腳功能使用。PВ0、PВ1 PВ3、PВ4 作為通用輸出輸入引腳連接SEN0368 電容液位傳感器。PA14、PA15 作為 I2C 功能引腳連接 APDS9930 接近傳感器，PВ2 作為外部中斷引腳功能連接。APDS9930的接近中斷觸發(fā)引腳。PВ0、PВ1 作為 I2C 引腳功能連接加速計(jì)傳感器 MMA8452，PC12 和 PC13 作為外部中斷引腳連接 MMA8452Q 翻轉(zhuǎn)監(jiān)測觸發(fā)引腳。mlx90614 紅外測溫模塊選擇PC4、PC5 作為I2C SCL、SDA 引腳。DY-SV17F語音播放模塊選擇I/O 獨(dú)立模式，讓CON3 接地，CON1、CON2 接3.3V，并且三個(gè)口都加上拉和下拉電阻。由于該模塊引腳數(shù)較多，因此我們在HT32 單片機(jī)接上除了此模塊外的所有模塊后再選擇剩余的六個(gè)引腳進(jìn)行連接。

圖3 NB260

3 軟件設(shè)計(jì)

在完成系統(tǒng)硬件物理層設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)需求，本文設(shè)計(jì)了系統(tǒng)整體軟件框架結(jié)構(gòu)，編程具體實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能模塊代碼。

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要在兩個(gè)應(yīng)用層面進(jìn)行：一是HT32 作為一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)，主要是驅(qū)動(dòng)各個(gè)硬件模塊，采集相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)，發(fā)送 NВ-IoT 命令等；二是阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)端應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)，主要包括云端設(shè)備、產(chǎn)品、功能等定義以及 IoT Studio 的開發(fā)與設(shè)計(jì)等。兩個(gè)應(yīng)用層之間通過 MQTT 協(xié)議通信。

NВ-IoT 程序流程如下[2]：

（1）NВ-IoT 模組的RST 腳置高后拉低實(shí)現(xiàn)硬件復(fù)位。

（2）發(fā)送“AT+QRST=1”指令實(shí)現(xiàn)NВ-IoT 模組軟件復(fù)位。

（3）發(fā)送“AT+QMTDISC=0”指令斷開裝置節(jié)點(diǎn)端與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)端的連接。加入該指令主要是為了在裝置運(yùn)行一段時(shí)間后，如果由于某些原因自己重啟，并且Keeplive 時(shí)間未到，阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)端認(rèn)為裝置節(jié)點(diǎn)端仍舊在線，則執(zhí)行該指令，節(jié)點(diǎn)端先主動(dòng)斷開連接。

圖4 軟件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

圖5 HT32 程序流程圖

（4）發(fā)送“AT+QMTCLOSE=0”指令關(guān)閉裝置節(jié)點(diǎn)端的MQTT 網(wǎng)絡(luò)。加入該指令的原因同第 3 步。

（5）發(fā)送“AT”指令，返回OK，表示節(jié)點(diǎn)ВC20 模塊工作正常，返回 ERROR 則重啟系統(tǒng)。

（6）發(fā)送“AT+CFUN=1”指令，設(shè)置ВC20 為全功能模式運(yùn)行。

（7）發(fā)送“AT+CIMI”指令，獲取SIM 卡的唯一國際移動(dòng)用戶識(shí)別碼，該識(shí)別碼作為后面通過MQTT 登錄阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的登錄名稱，保證節(jié)點(diǎn)登錄標(biāo)識(shí)的唯一性。

（8）發(fā)送“AT+CGATT=1”指令，附著 PS (Packet Switch) 域分組交換網(wǎng) 絡(luò)，激活所有PDP分組報(bào)文協(xié)議上下文。

（9）發(fā)送“AT+CGATT?”指令查詢當(dāng)前PS 域服務(wù)狀態(tài)，返“+CGATT：1”表示成功附著網(wǎng)絡(luò)。

（10）發(fā)送“AT+CESQ”指令查詢網(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量，信號質(zhì)量過低時(shí)輸出相關(guān)提示信息并重啟系統(tǒng)[5]。

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供安全可靠的設(shè)備連接通信能力，支持設(shè)備數(shù)據(jù)采集上云、規(guī)則引擎流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)和云端數(shù)據(jù)下發(fā)設(shè)備端。此外，還提供方便快捷的設(shè)備管理能力，支持物模型定義、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)以及遠(yuǎn)程調(diào)試、監(jiān)控、運(yùn)維。節(jié)點(diǎn)端（阿里云端以下統(tǒng)稱為設(shè)備）可通過MQTT 協(xié)議與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建立長連接，上報(bào)數(shù)據(jù)（通過Publish 發(fā)布Topic 和Payload）到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，稱之為上行數(shù)據(jù)鏈路。阿里云與物聯(lián)網(wǎng)通過 MQTT 協(xié)議，使用Publish 發(fā)送數(shù)據(jù)（指定Topic 和Payload）到設(shè)備端，稱之為下行指令鏈路。

4 討論

本文對基于NВ-IoT 技術(shù)的智能消毒儀裝置的設(shè)計(jì)做了整體性的闡述，并介紹了硬件系統(tǒng)到軟件部分的設(shè)計(jì)與各部分構(gòu)成。本文在新冠疫情的背景下，以大量使用的傳統(tǒng)消毒液為研究對象，從降低傳統(tǒng)消毒液使用方式下病毒傳播可能性的實(shí)際需求出發(fā)，對消毒液裝置進(jìn)行智能化改造。使用超聲波霧化模塊將酒精霧化，并通過超聲波距離傳感器獲得人手位置信息，從而控制酒精地噴出。本裝置不僅實(shí)現(xiàn)簡單易用并且兼具成本可控的優(yōu)點(diǎn)。再結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢選擇NВ-IoT 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，上傳裝置的各項(xiàng)系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和反饋，使其完全成為一款自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化裝置。