浅析基于物联网的空气消毒机全流程管理方案

唐健豪，何丽君，卓海，黄智，刘亮，林家荣

（佛山市第一人民医院设备科，广东 佛山 528200）

1 前言

空气飞沫可以传播很多传染病或感染性疾病并受到学界普遍关注,室内空气质量管理是做好空气飞沫传播性疾病防控的有效手段之一,因而很多用于室内空气净化和消毒的空气消毒机应运而生。疫情常态化防控下，医疗卫生和环境消毒倍受关注，我院根据通知（联防联控机制医疗发【2020】272 号）要求，做了一系列消毒机的管控措施，目前医院使用的消毒机大部分能自动记录消毒时间，但做不到实时监测。目前我院有近200 台空气消毒机，类别多，数量大，统一管理难度大，医护人员为操控空气消毒机，每天需要多次在各房间内来回奔波，登记运行时长和记录维护情况，消耗大量精力和时间，目前没有一种监控消毒机的装置可以取代人员手工检测，更没有一款管理系统可以实时自动监控消毒机，提醒消毒机维护的系统，技术缺陷和人为因素使医院消毒方式面临着挑战。目前的空气消毒管理只有事后监测，即单纯获取空气培养数据，而不能做到消毒全流程管控。随着物联网技术的发展，基于物联网的消毒机管理方案应运而生。本文旨在提出并探讨一种基于物联网的空气消毒机全流程管理方案，通过引入外置监测装置，实现对消毒机的实时监控和管理，解决消毒机使用中存在的问题，为医院规范化管理空气消毒机提供有力的抓手和依据。

2 方案设计

物联网作为智慧健康产业的核心驱动和关键基础，是一种由计算设备、机械、数字机器组成并且相互关联的系统，每个物联网设备都会具备通用唯一识别码，并具有传输数据至网络的能力，无须人与人或是人与设备的交互。本方案基于物联网技术实现针对空气消毒机全流程的智能化管理。设计一种外置监测盒，盒子应具备以下功能：消毒效能监测、状态监测、数据传输，硬件设计包括主控模块、电源模块、TTL 转485 模块、热敏型风力感应模块、紫外线传感器模块、电流传感器模块等功能，软件设计包括云服务器部署MQTT 服务器、云服务器发布主题、采集盒发布采集信息、云服务器进行数据网页展示、云服务器进行数据处理、云服务器以JSON 数据格式回传全生命周期管理软件等部分。对消毒机的消毒效能、紫外线强度、风量、电流、电量、温湿度等状态进行实时监测，使用UV 传感器用于监测消毒机的紫外线强度，使用电流和风量传感器监测等离子消毒机的实时电流和风量大小。能满足不同种类消毒机的监测需求，然后将监测的数据实时传输到云平台或手机APP 上，方便管理人员随时随地查询消毒机的运行情况及异常日志。方案不仅能够实现自动化监测，还能做数据管理及统计分析，大大提升了监测效率，降低了人工登记和管理的成本。更重要的是，监测数据的准确性高实时性强，有效地保障了消毒机的高效全流程管理服务。

2.1 外置监测装置设计

根据消毒机种类及功能，外置监测装置应具备以下功能：（1）消毒效能监测。利用传感器实现空气中微生物、PM2.5 等指标的监测，以保证消毒机消毒效果的准确性和可靠性。（2）状态监测。对消毒机的电量、故障、温度、湿度等状态进行实时监测。（3）数据传输。将监测的数据实时传输到云平台或手机APP 上，方便管理人员随时随地查询消毒机的运行情况。

2.1.1 硬件设计

在本文中，我们提出了一种基于物联网的空气消毒机全流程管理方案，其中硬件设计包括以下模块见图1硬件结构图。

图1 硬件结构图

（1） 主 控 模 块： 采 用ESP32 S3 芯 片， 具 有Xtensa® LX7 32 位处理器，主频高达240MHz，内置1MB 的SRAM 和2MB 的SPI Flash 存储器。它支持多种接口，如Wi-Fi、蓝牙、以太网、UART、SPI、I2C、PWM、ADC、DAC 和定时器等。系统主要使用UART、Wi-Fi 和ADC 接口。另外，使用双核心和大容量存储器来保证数据处理的深度。ESP32 S3 通过ADC 接口获取紫外线和电流的电压值，使用UART 接口获取风力的电压值。

（2）电源模块：系统中的主控模块、TTL 转485 模块和紫外线传感器模块的供电为5V，热敏型风力感应模块的供电为12V。电源模块使用12V 2A 的电源适配器进行供电，将12V 降压至5V，为5V 模块提供电源。

（3）TTL 转485 模块：TTL 转485 模块是一种用于串口通信的转换模块，将TTL 电平（逻辑电平）转换为485 电平（差分电平），以实现在长距离、高干扰环境下的稳定可靠数据传输。系统中的热敏型风力感应模块使用485 协议，主控模块通过连接TTL 转485 模块实现与热敏型风力感应模块之间的数据传输。

（4）热敏型风力感应模块：热敏型风力感应模块是一种用于测量风速的传感器，通过测量空气流动时产生的热量来计算风速。该模块通常由热敏电阻、温度传感器和放大电路等组成。当空气流动时，热敏电阻会受到空气流动产生的热量影响，其电阻值会发生变化。通过测量电阻值的变化，可以计算出空气流动的速度，从而得到风速值。

（5）紫外线传感器模块：当紫外线照射到传感器上时，其电阻值会发生变化。通过放大电路对电阻值进行放大，可以得到紫外线辐射强度的数值。

（6）电流传感器模块：电流传感器是一种用于检测电源电流的传感器，通过测量电流大小来判断电源的电压变化。电流传感器通常由霍尔传感器、信号处理电路等组成。当电源电流通过霍尔传感器时，磁场会产生磁通量。通过测量磁通量的变化，可以得到电源电流的大小。

2.1.2 软件系统设计（见图2）

图2 系统架构图

（1）云服务器部署MQTT 服务器。在本方案中，云服务器需要部署MQTT 服务器，用于接收和转发物联网设备发送的消息。MQTT 服务器可以支持多个设备的连接和通信，提供高效的数据传输服务。云服务器需要选择合适的MQTT 服务器软件，并进行部署和配置。

（2）云服务器发布主题。云服务器需要向MQTT 服务器发布主题，将采集盒发送的数据存储到相应的主题中。主题可以根据设备类型、设备编号、设备状态等信息进行分类，方便其他设备进行订阅和使用。云服务器需要实现主题的发布和管理功能，保证数据的可靠传输和存储。

（3）采集盒发布采集信息。采集盒需要采集空气消毒机的数据，并将数据通过MQTT 协议发送到云服务器中。采集盒需要实现MQTT 协议的通信功能，将采集到的数据封装成消息，并发送到相应的主题中。采集盒还需要实现数据的缓存和重传功能，保证数据的可靠传输和存储。

（4）云服务器进行数据网页展示。云服务器需要将采集的数据进行处理和展示，以便用户进行查看和分析。云服务器可以通过Web 页面展示数据，包括消毒机的状态、效能、维护等信息。用户可以通过Web 页面进行实时监控和管理，提高消毒机的使用效率和管理水平。

（5）云服务器进行数据处理。云服务器需要对采集到的数据进行处理和分析，以便用户进行决策和优化。云服务器可以使用数据分析和挖掘技术，对消毒机的使用情况进行分析和预测。云服务器还可以使用机器学习算法，对消毒机的效能进行优化和提升。

（6）云服务器以JSON 数据格式回传全流程管理软件。云服务器需要将处理后的数据以JSON 数据格式回传给全流程管理软件，以便用户进行更加细致和全面的管理。全流程管理软件可以通过JSON 数据格式进行数据的解析和展示，实现对消毒机的全流程管理。同时，全流程管理软件还可以将管理结果反馈给云服务器，实现对消毒机的远程控制和管理。

2.2 全流程管理方案

医疗设备全生命管理系统的设计具有非常广阔的应用价值和市场前景，其能够减轻工作人员的工作量以及工作强度。本方案的软件平台是把消毒管理模块嵌入了全流程管理系统，通过管理系统实现消毒机从购买到报废的全过程管理。具体包括以下几个方面。

（1）采购管理。将消毒机的基本信息、使用说明、保修期等信息录入物联网系统，方便管理人员对消毒机进行有效的采购管理。同时，系统可以记录消毒机的购买来源、价格、交付日期等信息，为管理人员提供参考意见。

（2）使用管理。在消毒机工作过程中，系统可以监测消毒机的工作状态，实时获取消毒机的运行数据，如风速、电流强度和紫外线强度等信息。当发现异常，系统可以自动向维修人员发送警报信息，提醒其进行维修。同时，系统还可以提供消毒机的使用记录。

（3）保养管理。消毒机是需定期保养，系统可以记录消毒机的保养计划，包括保养时间、保养内容等信息。在保养过程中，系统可以自动提醒维修人员进行保养，并记录保养结果。系统可以自动向维修人员发送警报信息，提醒其进行维修。

（4）报废管理。系统可以对消毒机进行全方位管理，监测其使用寿命和状态，提供相应的报废建议。系统可以根据消毒机的使用情况，自动计算其使用寿命，并提供相应的报废建议。

3 外置监测装置测试

为了验证本方案的可行性，我们进行了相关的测试。我们在消毒机的上部安装了外置监测装置，测试其效果见图3 外置监测装置测试。我们可以从云平台实时获取消毒机的状态，包括风速、电流强度和紫外线强度等。同时，在消毒机发生故障时，监测装置可以自动向管理人员发送警报信息，提醒管理人员及时维修。

图3 外置监测装置测试

系统测试由管理人员进行，主要测试以下方面。

（1）数据的准确性。通过对实时监控数据的比对和验证，证明监测装置可以准确地获取消毒机工作状态。

（2）警报机制。在测试中，我们进行了多次模拟故障实验，并检查警报系统是否能及时警告管理人员见图4 使用记录登记。

图4 使用记录登记

通过测试可知，本方案可行，提高了消毒机的使用效率和管理水平，为医院消毒工作提供了有效的支持。

4 结语

不同类型空气消毒机工作原理不同，适用条件也存在明显差异。特别是不同地区医院，在温度、湿度以及人员密度等方面存在较大差异，导致同一类型空气消毒机在不同医院具有不同的应用效果。而且消毒机类别多、数量大，统一管理难度大，医护人员为操控空气消毒机而每天需要多次在各房间内来回奔波，登记运行时长和记录维护情况，消耗大量精力和时间，本文提出的基于物联网的空气消毒机全流程管理方案可以通过引入外置监测装置，实现对空气消毒机的实时监控和管理，解决了传统管理方式存在的问题。在实际试验中，本方案证明可以实现对消毒机的全方位管理，提高了消毒机的使用效率和管理水平，具有一定的推广价值。