基于NB-IoT,的智能消毒系統

富蘊琪，梁穎欣，黃開(kāi)揚，弓偉

（廣州中醫藥大學(xué) 醫學(xué)信息工程學(xué)院，廣東廣州，510006）

在如今的疫情時(shí)代，醫院或其他有感染新冠風(fēng)險的場(chǎng)所時(shí)常會(huì )在洗手臺、前臺或多人接觸的區域放置消毒液或免洗洗手液。據美國國立衛生研究院（NIH），普林斯頓大學(xué)和加州大學(xué)洛杉磯分校聯(lián)合進(jìn)行的一項實(shí)驗發(fā)現新冠病毒在塑料與不銹鋼表面可以穩定存活72 個(gè)小時(shí)。因此，人們出門(mén)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。在許多場(chǎng)所中，人們都會(huì )做好防護，并減少觸碰的機會(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。

目前市面上使用的消毒液裝置大多為接觸式，據此，本文設計了一種無(wú)接觸式且價(jià)格低廉的消毒儀。通過(guò)使用超聲波測距模塊感應人手的靠近，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，監測使用消毒儀者的體溫和環(huán)境數據。除此之外，使用液面檢測模塊監測消毒液余量，以便及時(shí)補充。使用語(yǔ)音播放模塊提醒使用者及時(shí)補液。最后，溫度、消毒液余量等信息發(fā)送到云平臺端，便于查看與統計。

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

（1）感應自動(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)報告消毒液余量，以便及時(shí)更換，并記錄噴液的次數，作為數據參考；

（3）消毒液大多數時(shí)候應用于車(chē)站、商場(chǎng)、學(xué)校等人員密集場(chǎng)所，及時(shí)向管理部門(mén)匯報消毒液側翻或掉落等異常情況；

（4）采集使用消毒液者的體溫數據并傳到云平臺；

（5）監測到某幢大樓所有的消毒儀裝置的實(shí)時(shí)使用情況，對此設計一個(gè)數據集中監控平臺。

圖1 智能消毒儀建模圖

系統主控選用合泰單片機HT32F52352，這是一款32-bit 高性能低功耗單片機。它提供128KВ 的嵌入式Flash存儲器用作程序/數據存儲，16KВ 的嵌入式SRAM 存儲器用作系統操作和應用程序運用。此系列單片機具有多種外設，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(xiàn)調試端口) 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(yǔ)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3mm。本裝置中，超聲波模塊被安裝在噴頭下側，當檢測到距離小于噴頭下側到桌面/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電容來(lái)檢測是否有液體存在，為消毒儀裝置內壁設置一個(gè)消毒液最低閾值[1]，若在此閾值位檢測到無(wú)液體存在，即向物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送余量不足的數據。MMA8452Q 是一款智能、低功耗、三軸、電容式微加工加速度計[4]，在裝置中起到檢測智能消毒儀是否傾倒并及時(shí)上報云平臺的作用。MLX90614 是一種紅外溫度計，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數據的作用，并上傳到云平臺。語(yǔ)音播放選用DY-SV17F 模塊，提前導入八條語(yǔ)音提示語(yǔ)句，并由不同觸發(fā)條件觸發(fā)不同語(yǔ)音進(jìn)行播放。超聲波霧化模塊是將電能轉化為機械能，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)，支持低功耗設備在廣域網(wǎng)的蜂窩數據連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)(LPWA)。NВ-IoT 支持待機時(shí)間長(cháng)、對網(wǎng)絡(luò )連接要求較高設備的高效連接。本裝置中我們采用NВ260 模塊進(jìn)行單片機與云平臺的通信。NВ260 是谷雨物聯(lián)網(wǎng)推出的基于移遠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(kāi)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)的應用場(chǎng)景。ВC26 采用LCC 封裝，兼容移遠通信GSM/GPRS 系列的M26 模組，用戶(hù)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。

HT 單片機使用位置及負擔功能方面，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傳感器 MMA8452，PC12 和 PC13 作為外部中斷引腳連接 MMA8452Q 翻轉監測觸發(fā)引腳。mlx90614 紅外測溫模塊選擇PC4、PC5 作為I2C SCL、SDA 引腳。DY-SV17F語(yǔ)音播放模塊選擇I/O 獨立模式，讓CON3 接地，CON1、CON2 接3.3V，并且三個(gè)口都加上拉和下拉電阻。由于該模塊引腳數較多，因此我們在HT32 單片機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

在完成系統硬件物理層設計的基礎上，根據系統需求，本文設計了系統整體軟件框架結構，編程具體實(shí)現各個(gè)功能模塊代碼。

軟件系統設計主要在兩個(gè)應用層面進(jìn)行：一是HT32 作為一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)的應用層軟件設計，主要是驅動(dòng)各個(gè)硬件模塊，采集相關(guān)傳感器數據，發(fā)送 NВ-IoT 命令等；
二是阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺端應用層軟件設計，主要包括云端設備、產(chǎn)品、功能等定義以及 IoT Studio 的開(kāi)發(fā)與設計等。兩個(gè)應用層之間通過(guò) 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)現硬件復位。

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

（3）發(fā)送“AT+QMTDISC=0”指令斷開(kāi)裝置節點(diǎn)端與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺服務(wù)端的連接。加入該指令主要是為了在裝置運行一段時(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)平臺端認為裝置節點(diǎn)端仍舊在線(xiàn)，則執行該指令，節點(diǎn)端先主動(dòng)斷開(kāi)連接。

圖4 軟件系統整體設計

圖5 HT32 程序流程圖

（4）發(fā)送“AT+QMTCLOSE=0”指令關(guān)閉裝置節點(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，表示節點(diǎn)ВC20 模塊工作正常，返回 ERROR 則重啟系統。

（6）發(fā)送“AT+CFUN=1”指令，設置ВC20 為全功能模式運行。

（7）發(fā)送“AT+CIMI”指令，獲取SIM 卡的唯一國際移動(dòng)用戶(hù)識別碼，該識別碼作為后面通過(guò)MQTT 登錄阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的登錄名稱(chēng)，保證節點(diǎn)登錄標識的唯一性。

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

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

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

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺提供安全可靠的設備連接通信能力，支持設備數據采集上云、規則引擎流轉數據和云端數據下發(fā)設備端。此外，還提供方便快捷的設備管理能力，支持物模型定義、數據結構化存儲以及遠程調試、監控、運維。節點(diǎn)端（阿里云端以下統稱(chēng)為設備）可通過(guò)MQTT 協(xié)議與物聯(lián)網(wǎng)平臺建立長(cháng)連接，上報數據（通過(guò)Publish 發(fā)布Topic 和Payload）到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，稱(chēng)之為上行數據鏈路。阿里云與物聯(lián)網(wǎng)通過(guò) MQTT 協(xié)議，使用Publish 發(fā)送數據（指定Topic 和Payload）到設備端，稱(chēng)之為下行指令鏈路。

本文對基于NВ-IoT 技術(shù)的智能消毒儀裝置的設計做了整體性的闡述，并介紹了硬件系統到軟件部分的設計與各部分構成。本文在新冠疫情的背景下，以大量使用的傳統消毒液為研究對象，從降低傳統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(guò)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)現簡(jiǎn)單易用并且兼具成本可控的優(yōu)點(diǎn)。再結合物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢選擇NВ-IoT 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，上傳裝置的各項系統狀態(tài)參數至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行實(shí)時(shí)監控和反饋，使其完全成為一款自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化裝置。