基于STM32 的智能消毒機器人設計

秦艷

（江蘇聯合職業技術學院 淮安生物工程分院，江蘇淮安，223200）

0 引言

公共場所的消毒工作開展是否順利，關系到人們的身體健康，也是公共衛生安全的重要工作之一。因此，對公共場所的消毒設備進行研究具有良好的應用價值。

近年來，隨著人工智能技術的蓬勃發展，國內各大機構研發的消毒機器人，其智能化程度也日趨提升，機器人的各種功能也逐漸成熟。例如：2020 年，山東管理學院陳青華團隊以智能家居理念為基礎，開發了一款應用于酒店場景的多功能消毒機器人，實現了機器人在不同場景下的高效消毒動作[1]；2021 年，江蘇農林職業技術學院沈家禮團隊結合人工智能深度學習方法，實現物體的準確識別和定位，并針對性進行消毒，提升了公共場所消毒的準確性，節約了消毒成本[2]；2022 年，電子科技大學成都學院張偉團隊，采用形態分析法提出了消毒機器人的結構設計方案，縮短了設計周期，提升了設計的效率[3]；2023 年，中國石油大學王若暄團隊通過設定風險區域，消毒機器人根據不同風險區域采用不同強度的噴灑措施，進一步提升了消毒的精確性[4]；上述研究表明，消毒機器人的設計，主要根據應用場所的實際條件，包括：公共場所的面積、地面情況、擬消毒對象的布局等來進行針對性的功能和結構設計。鑒于此，本文以酒店為應用場景，以STM32 為主控芯片設計智能消毒機器人，以期達到高效、精準消毒的效果。

1 智能消毒機器人系統布局

智能消毒機器人設計的首要步驟，是結合其主要的功能，完成系統的布局。該部分中，主要采用的設計原理為功能與結構相統一的設計理念。即先通過確定機器人的基本功能，再選擇能夠實現該功能的對應結構、技術手段等，確定二者的對應關系，從而完成基本方案的布局?？紤]到機器人消毒的場景為酒店，且主要在大廳、樓梯、過道以及電梯等場所進行消毒工作。在機器人的整個工作流程中，需要噴灑消毒液進行消毒，還需要通過移動前往不同的消毒場所以及對所在場所進行識別以確定具體位置等。因此，可以確定機器人的基本功能以及對應模塊，具體情況如表1 所示。

表1 消毒機器人功能

確定上述模塊之后，便完成了消毒機器人的基本結構布局。而要確保系統能夠高效地按照指令進行動作，需要選擇合理的主控制芯片?？紤]到控制精度、指令傳輸的穩定性、系統運行的穩定性等因素，本文選擇STM32 作為主控制芯片[5]。系統的整體布局，如圖1 所示。

圖1 系統整體布局

2 消毒機器人系統硬件設計

■2.1 主控制芯片的確定

主控芯片是整個消毒機器人系統的控制樞紐，也是實現對系統的各個設備進行狀態監測和控制的核心部件。因此，其類型的選擇是否與系統的特點適配，是決定系統運行效果的關鍵。就本文而言，消毒機器人的選擇因素為：（1）主控芯片所占空間大小。作為噴灑霧化酒精的消毒機器人，內部具有裝載酒精的容器、霧化器、各傳感器、電機以及末端執行器等設備，再考慮到機器人本身的經濟成本，故整個機器人內部應該具有緊湊型的特點。因此，在滿足控制精度的前提下，應當盡可能選擇體積和質量較小的主控芯片；（2）具有良好的信號處理能力。消毒機器人的系統復雜性程度較高，決定了其運行時必然需要計算、分析以及處理龐大的數據量，因此主控芯片對數據的處理能力也是選擇因素之一；（3）系統性能是否復雜，搭載的傳感器較多。對于消毒機器人而言，其傳感器較多，故STM32 的選擇中，是否具有DSP 指令集也是確保系統穩定運行的關鍵。結合上述因素，本文選擇主控芯片類型為STM32F407，該芯片具有較高的計算速度、存儲種類豐富以及系統穩定性高等特點[6]。

■2.2 紅外及超聲波模塊

消毒機器人在酒店場景工作時，首先實現的基本功能是準確按照既定的路線行進。從而實現既定位置的消毒工作。因此，該功能的實現主要通過循跡系統來完成。消毒機器人在酒店運動時，由于酒店內通常光線比較充足，所以傳感器需要選擇受光線影響較小的類型。而紅外傳感器對可見光的適應性較高[7]，故本文在設計循跡系統時，選擇紅外傳感器，其傳感電路如圖2 所示。

圖2 紅外模塊的設計

消毒機器人在酒店行走時，經常在行進的前方會出現移動的以及隨機的障礙物。因此，在距離障礙物較遠的地方進行識別，并及時停止或改變行動方向非常重要。故機器人在運行中，除正常的循跡之外，遠程避障功能也需要實現。鑒于此，本文采用超聲波避障傳感器進行識別[8]，其電路如圖3 所示。

■2.3 霧化及消毒模塊

霧化及消毒模塊是機器人進行消毒工作的末端執行器，消毒的形式為酒精噴霧式。該模塊的工作流程為：（1）消毒指令動作。當機器人到達指定地點，控制系統對其位置進行確認后，指示消毒模塊開始動作，即發出對指定區域進行酒精噴霧的指令；（2）霧化設備動作，將機器人內部存儲的液體酒精轉化為氣體，然后末端執行器對消毒對象進行噴霧，該環節需要由實現霧化的驅動電路來實現，霧化模塊驅動電路如圖4 所示；（3）末端執行器對準消毒區域進行噴霧操作；（4）消毒模塊停止動作。當噴霧量達到了預設的閾值后，反饋系統將檢測數據傳輸至主控系統，系統通過分析、判斷，發出停止動作的指令，指示消毒模塊停止動作。

圖4 霧化驅動電路

■2.4 驅動模塊

對于機器人的行走機構而言，常用的結構包括輪式和足式。而足式的結構通常比較復雜，且關節部分的驅動設備較多，經濟成本較高。另一方面，考慮到酒店的地面比較平坦，且進行消毒的頻率較高。因此，設計成輪式結構能夠使機器人比較快速地行走[9]。而對于驅動機構而言，輪式結構通常采取電機驅動方式[10]。機器人在運行過程中，存在轉向、緊急制動以及速度控制等情況，故需要驅動電機具有較大的電磁轉矩。所以，驅動電機的類型確定為控制直流電機，其調速系統的硬件電路設計，如圖5 所示。

圖5 驅動模塊電路設計

■2.5 藍牙模塊

對于酒店而言，機器人的消毒場所通常是固定的。即機器人是在指定時間內，按照既定路線進行消毒工作。在無線通信模塊的選擇中，由于藍牙模塊具有作用范圍較廣、智能化程度高、經濟性較好等特點，故可以選擇藍牙模塊作為無線通信方式。且酒店內部通常WiFi 覆蓋較廣，與藍牙模塊進行配合使用，可以將藍牙模塊的作用距離大幅提升，還能增加該模塊抗干擾的性能。因此，本文選擇藍牙HC-05 作為通信模塊，硬件電路設計如圖6 所示。

圖6 藍牙模塊電路設計

■2.6 人機交互模塊

智能消毒機器人的人機交互模塊，是實現人工與機器人之間進行消毒狀態、消毒位置以及消毒時間等情況交流的媒介，也是實現人工調整參數和發送指令的重要模塊。該模塊主要通過液晶顯示來實現。在該模塊的類型確定中，結合人機工程學原理，即人在操作設備時，液晶顯示屏能否根據外界光線，自主調整顯示亮度，以人眼最舒適的亮度進行呈現。因此，本文選擇OLED液晶顯示屏作為人機交互的媒介[11～12]，其電路設計如圖7 所示。

圖7 液晶顯示模塊

3 消毒機器人系統軟件設計

智能消毒機器人的軟件設計，主要是圍繞消毒功能的具體執行流程來開展。機器人在消毒過程中，需要通過視覺模塊，對過道、電梯以及樓梯等對象進行識別，以此作為判斷是否到達消毒地點的依據，并實施消毒動作。在算法的選擇中，考慮到機器人需要準確定位和具有較快的響應速度，故本文選擇Yolov5s 算法，其損失函數表達式為[13]：

式中，IOU為交并比損失，2ρ為歐式距離，b為預測邊框中心點，bgt為真實邊框中心點，C為對角線長度，α為平衡參數，gtω為真實邊框的寬度，h gt為真實邊框的高度，ω為預測邊框的寬度，h為預測邊框的高度。

實驗對象包括樓梯、過道以及電梯，共1248 幅圖片。訓練集分布情況如表2 所示。

表2 訓練集分布

目標測試的效果指標為平均精度以及平均精度均值。其中，平均精度的計算表達式為[14～15]：

式中，P為精確率，R為召回率。

平均精度均值的計算表達式為[14～15]：

式中，c為預測類別，n為預測類別數量。

目標測試的結果如表3 所示。

表3 目標測試的精度

從表3 所示的目標測試精度來看，樓梯和過道的識別精度較高，都超過了90%。主要原因在于樓梯和過道是靜態對象，且體積較大，特征明顯，只要通過充分的訓練，則便于識別。而電梯的體積較小，且通常存在行人等電梯的情況，致使電梯口容易被阻擋，故識別精度稍低，但整體而言，目標的識別率達到了89.4%，基本滿足要求。

4 結論

在消毒機器人的設計中，結合其應用的場景擬定基本的功能。完成了系統的基本布局、硬件設計以及軟件設計等操作。從機器視覺的識別效果來看，其精度也基本滿足要求，故機器人能夠根據識別的結果對既定場所進行消毒操作，符合預期的設計構思。下一步工作，將在該結構的基礎上，在消毒、循跡、避障、視覺等模塊基礎上，優化改進算法，進一步提升其智能化的能力。