一种适用于人群的快速智能雾化消毒装置的设计

雷涛，李钊，朱明明，路国华

空军军医大学 军事生物医学工程学系，陕西 西安 710032

引言

2019年12月开始，在我国及全球爆发了新型冠状病毒引起的肺炎[1]。疫情不仅对人民群众身体健康和生命安全构成严重威胁，也给我国经济和社会发展带来严重冲击[2-4]。消毒是切断病毒传播途径的重要措施[5-7]。常见消毒方式主要是使用75%的医用酒精或速干手消毒剂对手进行局部消毒，以及使用抗污染个人防护装备如手套、医用防护口罩、防护面屏或护目镜、医用一次性防护服进行防护[8-10]。若未来发生更大规模的爆发性传染病疫情时，上述针对个人的消毒方式及装备存在低效、消毒部位不全面、一次性物资消耗较大、防疫层次低、易漏检等缺点。因而，需要专门针对人群的高效、自动化的消毒装置作为应急消毒装备来应对未来随时可能发生的大规模、高传染性的重大疫情。为达到高效、自动化的消毒这一实际问题，本文基于传感器及单片机技术，设计了一种快速智能雾化消毒装置。

1 系统设计

1.1 机械组件设计

本装置机械组件包括：消毒通道、储液罐、水泵、PVC管路以及四向雾化喷头。消毒通道由不锈方钢制成，带4组万向带刹车脚轮，方便移动位置，适应各种路面使用，根据需求可随时更换使用地点，短距离无需运输。储液罐为200 L塑料箱体，水泵功率为1马力，PVC管路构成消毒液通行管路，四向雾化喷头是生成雾化薄雾的主要器件，安放于消毒通道的顶端与两侧，实现对通过行人从头到脚消毒（图1）。

图1 机械组件设计方法

1.2 电路设计

系统电路设计如图2所示，当人体靠近被动式红外人体运动（Passive Infrared Detectors，PIR）感应器（HC-SR501）时，由于人体反射红外线，运动传感器就会检测到这些红外线，并通过输出引脚输出一个高电平信号（High）。这个High信号会被Arduino开发板读取。因此，如果Arduino读到一个High信号，它将给继电器模块一个High信号，这意味着继电器将打开，结果电源继电器将打开，它将打开水泵15 s（可以改变）。同样的，如果Arduino读到一个低电平信号（Low），它将使继电器引脚为Low，结果水泵将保持关闭。

图2 系统电路设计

电路设计中使用了2个PIR传感器，使其更加精确，如果其中任何一个传感器感应到运动，那么继电器将打开15 s。同时，我们不能直接使用5 V继电器与水泵，因为在此设计中使用的水泵的额定电流为16 Ampere，而5 V继电器的最大负载为10 Ampere，所以为了控制水泵，多用了一个继电器与5 V继电器模块相连。

1.3 软件设计

针对消毒功能，利用Keil C语言编程，程序流程图如图3所示。读取PIR感应器输出电平，判断是否为高电平，若为高电平，打开继电器工作15 s后关闭继电器。若为低电平，关闭继电器。

图3 消毒功能软件设计

针对手机、PC终端实时查看拍摄照片和人员数据统计功能，需借助树莓派3（Raspberry Pi 3 Model B）硬件平台，将可以直连树莓派的摄像头模块置于通道入口顶部，摄像头可对进入行人进行拍照，在树莓派操作系统中利用Python编程，使用OpenCV跨平台计算机视觉库处理拍摄照片，架设本地PHP Server服务，借助树莓派无线功能，可实现手机、PC终端实时查看拍摄照片和人员数据统计（图4）。

图4 手机、PC终端实时查看拍摄照片和人员数据统计功能软件设计

2 消毒剂的选择

由于本装置主要针对人群进行消毒，故对消毒剂的安全性要求较高。我国2019年颁布了GB/T 36758-2018含氯消毒剂卫生标准，明确了次氯酸能直接作用于人体黏膜[11]。次氯酸水相比乙醇、PVP-I、过氧化氢、次氯酸钠具有杀菌速度快、杀菌种类多，特别是其对皮肤无刺激、可吸入、对人体安全无毒副作用等优点。因而符合本装置消毒需求，故选择食品级消毒的次氯酸水作为雾化来源的消毒剂。

3 系统效果

如图5所示，位于消毒通道入口顶端的PIR感应器识别是否有人进入消毒通道，当有人进入，发出识别信号（图5a），传输至单片机主控系统经继电器控制水泵运行15 s，泵出的储液罐中的次氯酸水经四向雾化喷头可生成雾化薄雾，实现对行人从头到脚消毒15 s，保护行人较长时间内不沾染病菌（图5c）。同时，该装置可利用摄像头对进入行人进行拍照，上传至后台由PC、手机终端设备进行实时查看和人员数据统计。

图5 系统效果

4 讨论

有效应对重大公共卫生事件、地震灾害救援防疫是我国新时代面临的重要任务[12]。消毒是切断病毒传播途径的重要措施。因而，对消毒装备的研究可为有效应对重大公共卫生事件提供有力支撑。

目前，常用的消毒装备包括单人专业洗消器、防疫车以及智能消毒机器人等。单人专业洗消器是一种肩背手提式的人工操作装备，在2019-nCoV、SARS、汶川防疫中都有使用。实现对疫区污染环境或普通环境的消毒清洗。缺点是消毒范围小、效率低。携带大型喷雾器的防疫车可使药水大面积在空气中停留,每小时可对0.5 km2范围进行消毒杀菌[13-14]，实现对空气、地面进行立体消毒，效率比人工消毒提高40倍。实现了防疫喷洒从肩背手提的人工操作到利用防疫车按动操控面板自动化工作的转变。进驻火神山医院的智能消毒机器人集合了清扫、喷洒消毒药水、自主避障、搜集垃圾等功能，降低了医护人员的感染风险[15]。然而，上述装备均是针对普通环境和污染环境的消毒[13-14,16-17]。针对疫区人群应急的快速自动化的消毒装备尚未见到。本研究设计的专门针对人群的高效、自动化消毒的装置可作为应急消毒技术储备来应对未来随时可能发生的大规模、高传染性的重大疫情。

5 结论

该装置设计具有如下特点：食品级消毒，设备采用的消毒剂为食品级消毒剂，对人体安全；自动感应式喷雾消毒；可移动，防疫环境适应性强，适应各种路面，短距离无需运输；消毒人群数据可记录统计，管控方便；快速布置开展。该设计可实现产品化、标准化，可服务于消毒保障能力提升，可为我国有效应对重大公共卫生事件及灾害救援防疫提供有力支撑。