41、基于Arduino的COVID - 19净化机器人及相关抗疫发明介绍

基于Arduino的COVID - 19净化机器人及相关抗疫发明介绍

1. Arduino编程基础与电源供应

Arduino板可以通过多种电源供电，如移动电源、电源插孔，或者向Vin引脚提供电压。代码编写者能够利用串口监视器来检查代码的运行情况。在Arduino IDE中编写和上传代码的步骤如下：
1. 编写代码
2. 保存文件
3. 编译代码以查找错误
4. 将代码上传到开发板
5. 在串口监视器中检查数值

在编写代码时，会使用读写语句，使Arduino板获取输入值并根据代码给出输出。DigitalRead命令用于扫描引脚的值，DigitalWrite命令用于输出值。在 void setup() 函数中，需要声明引脚的用途。Arduino程序有三个阶段：变量声明、 Void setup() 和 Void loop() 。当Arduino接收值时设置为Sinking - 0，输出电流值时设置为Sourcing - 1。这里使用Arduino UNO板来完成微控制器的任务。

2. Far - UVC灯的介绍

新冠疫情突然爆发，人们渴望通过定期清洁来保持环境的干净和无菌。很多地方使用化学消毒剂来清洁环境，但它们对人体有负面影响，且对病毒效果不佳。目前，没有合适的消毒设备，也没有安全的方法能完全消除病毒。像医院这样的公共场所必须进行完美消毒，以阻止病毒传播。

通常，人们使用杀菌UVC（GUVC）灯（254nm）来消除病毒，它由磷涂层和熔融石英制成，而非硼硅酸盐玻璃灯泡。但由于其波长较长，UVC灯会对眼睛和皮肤造成伤害。因此，需要一种对人体无害的消毒灯。Far - UVC灯就是这样一种消毒设备，它对人体安全，可用于消毒。其波长太短，无法穿透人体皮肤，但仍能使病毒失活。Far - UVC灯的消毒效率达99.9%，对非目标生物安全。它的波长为222nm，频率为1.4E9 MHz，能量为539 kJ/mole。

GUVC灯和Far - UVC灯都能穿透细胞并破坏它们，可能会对DNA造成损伤，所以它们的辐射可作为消毒剂或用于消毒过程。Far - UVC灯是GUVC灯的安全替代品。有两项研究证明了Far - UVC灯与GUVC灯具有相同的效率：
- 哥伦比亚医学研究中心首次研究了Far - UVC灯的有效性。他们用感染病毒的人类肺细胞测试了Far - UVC灯对两种冠状病毒株（HCoV - 229E和HCoV - OC43）的影响。实验结果表明，HCoV - OC43和HCoV - 229E在11分钟内消除95%，16分钟内消除99%，25分钟内消除99.9%。他们得出结论，病毒对Far - UVC灯高度敏感，它也能消除SARS - CoV - 2病毒。
- 广岛大学的研究涉及含SARS - CoV - 2的溶液。他们将100mL含病毒的溶液铺在9cm的无菌聚苯乙烯板上，将Far - UVC灯靠近该板。暴露在Far - UVC辐射下30秒后，99.7%的SARS - CoV - 2被消除。

主要使用的是222nm准分子灯，电源为120V，功率150W，价格为1000美元。它是高效杀菌灯，能防止细菌再生。设计机器人并将其安装在室内，可以观察其工作性能。设计机器人并将其放置在房屋或大厅的主要目的有：
- 及时对周围环境和物体进行消毒，保持干净整洁。
- 减少人力，让生活更轻松。
- 保护人类免受可怕病毒和疾病的侵害。

3. 抗疫相关发明综述

在新冠疫情期间，出现了许多相关的发明，以下是一些具有代表性的发明：
|发明名称|主要功能|关键技术/组件|
| ---- | ---- | ---- |
|基于物联网的室内安全解决方案|测量体温、检查口罩佩戴情况和社交距离|热成像相机、Python版OpenCV、MQTT、Arduino Uno、红外温度计、Haar级联分类器|
|医疗诊断人形机器人（MDH）|诊断是否感染COVID - 19，引导人员在医院活动|人工智能、IR传感器、相机模块、自动导航、E - Health套件、CT扫描、血液样本采集|
|低成本水龙头|自动感应出水，方便洗手|太阳能、微控制器、红外传感器、Arduino Uno、ULN2803晶体管、水族泵|
|提高意识和监测的原型小工具|防止触摸脸部|超声波传感器、伺服电机、Arduino板、蜂鸣器|
|温度检测和自动消毒隧道|检查体温并对人员进行消毒|温度传感器、PIR传感器、空气吹风机、喷雾枪、蜂鸣器|
|匿名保护的基于物联网的COVID - 19和其他传染病接触追踪模型|追踪接触者，控制疫情传播|RFID、区块链、Remix IDE|
|AI/ML技术在COVID - 19疫情中的应用|检测和提取数据|CNN、RF、ResNet、SVM|
|基于远程医疗的无线体域网（WBAN）患者监测框架|监测患者健康参数|WBAN基础设施、各种传感器、可扩展架构|
|使用流行病学数据测试的监督机器学习模型预测COVID - 19感染|预测COVID - 19感染|监督学习技术、流行病学标记数据集、决策树、逻辑回归、人工神经网络（ANN）、胸部X射线图像|
|用于消毒过程的机器人|使用UVC灯和臭氧灯进行双重消毒|MATLAB、Arduino IDE、ANN、Proteus 8软件、三个Arduino微控制器|
|用户控制的消毒机器人|通过喷雾器进行消毒|LoRa发送/接收器、Arduino Mega 2560、GPS、相机单元、非接触式温度传感器、加速度计、湿度温度传感器、UI集成|
|低成本脉搏血氧仪|测量血氧饱和度|Arduino Nano微处理器、MAX3010x脉搏血氧仪扩展板、SSD1306显示屏、3D打印指夹|
|智能帽|帮助保持适当的社交距离|PIR传感器、SIM 808（GPS - GSM模块）、蜂鸣器、Arduino Uno|
|便携式COVID - 19检测设备|检测社交距离违规并发出警报|Arduino、传感器、蜂鸣器|
|Suraksha设备|帮助保持社交距离|PIR传感器、NodeMCU ESP32、蜂鸣器|
|基于X光片的深度网络模型检测Covid - 19|使用胸部X光片检测感染者|CNN模型（ResNet50、ResNetV2、InceptionV3）|
|自动门把手或旋钮消毒剂|自动对公共场合的门把手进行消毒|Arduino Nano、红外传感器、伺服电机|
|智能健康系统监测COVID - 19隔离人员|监测隔离患者的健康参数|Arduino Pro mini、HC - 06蓝牙模块、脉搏传感器、呼吸传感器|
|入口安全规定检查设备|检查人员体温、血氧水平并控制进入|IR传感器、温度传感器、脉搏血氧仪、Arduino Uno|
|低成本呼吸机|为患者提供呼吸支持|学生发明、低成本、可进一步开发为简单电源驱动|
|Far - UVC在医疗保健中的应用|消毒物体和小型物品|Far - UVC箱式消毒器、Far - UVC消毒棒|
|Far UV - C光和光纤诱导的选择性Far - UVC治疗COVID - 19|使用Far - UVC光治疗患者|Far - UVC光、光纤|

以下是低成本水龙头的工作流程mermaid图：

graph TD;
    A[手靠近水龙头] --> B[红外传感器检测到信号];
    B --> C[信号发送到Arduino];
    C --> D[ULN2803晶体管放大信号];
    D --> E[信号足够驱动水族泵];
    E --> F[水族泵出水];

这些发明从不同角度应对了新冠疫情带来的挑战，为人们的健康和生活提供了多方面的保障。有的侧重于环境消毒，有的专注于人员健康监测，还有的致力于提高公共卫生安全和便捷性。随着科技的不断发展，相信会有更多有效的抗疫发明出现。

基于Arduino的COVID - 19净化机器人及相关抗疫发明介绍

4. 抗疫发明的技术特点与优势分析

这些抗疫发明各自具有独特的技术特点和显著优势，以下进行详细分析：

4.1 传感器与自动化技术的应用

许多发明都广泛运用了传感器技术，实现了自动化操作。例如，低成本水龙头利用红外传感器感应手部的靠近，自动控制水族泵出水，极大地方便了人们洗手，减少了手动接触带来的交叉感染风险。智能帽和Suraksha设备则使用PIR传感器检测人体的存在，当违反社交距离规定时及时发出警报，有助于人们自觉遵守社交距离要求。

4.2 人工智能与数据分析

医疗诊断人形机器人（MDH）和使用流行病学数据测试的监督机器学习模型预测COVID - 19感染等发明，引入了人工智能和机器学习技术。MDH通过人工智能处理数据，结合多种检测手段，能够准确诊断是否感染COVID - 19，还能引导人员在医院活动。而监督机器学习模型利用流行病学标记数据集和多种算法，对胸部X射线图像进行分析，可在早期检测出疾病，为疫情防控提供了有力支持。

4.3 物联网与远程控制

基于物联网的室内安全解决方案和“UV blaster”等发明，借助物联网技术实现了远程控制和数据传输。室内安全解决方案通过MQTT将传感器数据发送到服务器，实现对人员体温、口罩佩戴和社交距离的实时监测。“UV blaster”可通过Wi - Fi链接，使用手机或笔记本电脑进行远程操作，方便对大面积区域进行消毒。

4.4 低功耗与环保设计

低成本水龙头采用太阳能供电，既环保又降低了使用成本。低成本脉搏血氧仪使用9V电池，可长时间工作，方便携带和使用。这些设计在疫情期间，对于资源有限的地区尤为重要。

5. 不同发明的应用场景与局限性

不同的抗疫发明适用于不同的应用场景，同时也存在一定的局限性，具体如下：

发明名称	应用场景	局限性
基于物联网的室内安全解决方案	办公楼、商场、学校等人员密集场所的入口	依赖网络连接，可能存在数据传输延迟问题
医疗诊断人形机器人（MDH）	医院、检测中心	成本较高，技术复杂，维护难度大
低成本水龙头	公共场所卫生间、洗手区域	受限于太阳能供电，在光照不足时可能无法正常工作
提高意识和监测的原型小工具	个人日常使用	功能相对单一，仅能防止触摸脸部
温度检测和自动消毒隧道	机场、火车站、工厂等人员流动大的场所	体积较大，安装和维护成本较高
匿名保护的基于物联网的COVID - 19和其他传染病接触追踪模型	社区、公共场所	可能存在隐私泄露风险，尽管采用了区块链技术，但仍需进一步完善
AI/ML技术在COVID - 19疫情中的应用	医疗研究机构、检测实验室	对数据质量和数量要求较高，模型训练和优化需要专业技术人员
基于远程医疗的无线体域网（WBAN）患者监测框架	居家隔离患者、养老院	传感器精度和稳定性可能影响监测结果
使用流行病学数据测试的监督机器学习模型预测COVID - 19感染	医院、诊所	需要大量的临床数据进行训练，且对胸部X射线图像的质量要求较高
用于消毒过程的机器人	大型商场、酒店、医院等大面积场所	机器人的导航和避障能力有待提高，消毒范围可能存在死角
用户控制的消毒机器人	小型场所、家庭	需要人工操作，效率相对较低
低成本脉搏血氧仪	家庭、个人使用	测量精度可能不如专业医疗设备
智能帽	户外活动场所	电池续航时间有限，需要定期充电
便携式COVID - 19检测设备	个人出行、公共场所	检测结果可能存在一定误差，需要进一步验证
Suraksha设备	个人日常活动	检测范围有限，可能无法全面监测周围人员情况
基于X光片的深度网络模型检测Covid - 19	医院放射科	需要专业的X光设备和操作人员，且对图像质量要求较高
自动门把手或旋钮消毒剂	公共建筑的门	消毒剂的补充和更换需要人工操作
智能健康系统监测COVID - 19隔离人员	居家隔离患者	蓝牙连接可能不稳定，影响数据传输
入口安全规定检查设备	商场、超市等场所入口	对环境光线和人员姿态有一定要求，可能影响检测准确性
低成本呼吸机	医院、急救场所	功能相对简单，可能无法满足重症患者的需求
Far - UVC在医疗保健中的应用	物体表面消毒、小型物品消毒	需要人工操作，消毒范围有限
Far UV - C光和光纤诱导的选择性Far - UVC治疗COVID - 19	医疗治疗场所	技术尚处于研究阶段，应用范围有限

6. 抗疫发明的发展趋势与展望

随着疫情的持续和科技的不断进步，抗疫发明呈现出以下发展趋势：

6.1 集成化与多功能化

未来的抗疫发明将朝着集成化和多功能化方向发展。例如，可能会出现一种设备，同时具备体温检测、口罩佩戴检查、社交距离监测和消毒功能，为人们提供更加全面的防护。

6.2 智能化与自动化程度提高

人工智能和机器学习技术将进一步融入抗疫发明中，使设备能够自主学习和优化。机器人的导航和避障能力将不断提升，实现更加高效的消毒和服务。

6.3 远程医疗与大数据应用

远程医疗和大数据技术将得到更广泛的应用。通过远程医疗，医生可以实时监测患者的健康状况，及时提供诊断和治疗建议。大数据分析可以帮助政府和医疗机构更好地了解疫情传播趋势，制定科学的防控策略。

6.4 环保与可持续发展

在设计抗疫发明时，将更加注重环保和可持续发展。例如，采用可再生能源供电，减少对环境的影响；使用可降解材料，降低废弃物对环境的污染。

以下是抗疫发明发展趋势的mermaid流程图：

graph LR;
    A[当前抗疫发明] --> B[集成化与多功能化];
    A --> C[智能化与自动化程度提高];
    A --> D[远程医疗与大数据应用];
    A --> E[环保与可持续发展];
    B --> F[未来综合防护设备];
    C --> G[智能高效机器人];
    D --> H[精准疫情防控];
    E --> I[绿色环保抗疫产品];

总之，这些抗疫发明在疫情防控中发挥了重要作用，为人们的健康和生活提供了有力保障。随着科技的不断创新和发展，相信未来会有更多先进、实用的抗疫发明涌现，帮助我们更好地应对疫情挑战，恢复正常的生活和社会秩序。