针对大学教室的智能消毒解决方案

　　摘 要：新型冠状病毒席卷全球，这对公共消毒提出挑战。传统紫外线消毒存在易对人员造成意外伤害、实施难度大、效果难以保证等弊端，因此提出基于WF-IoT融合物联网的紫外线杀菌灯的智能消毒方法。所提方法对传统的杀菌灯加以改进，提高了紫外线杀菌灯80%的杀菌效果，同时降低了传统杀菌灯42.1%的事故概率。

　　关键词：WF-IoT；云计算；公共消毒；融合计算；Air Nano 無源无线控制技术；NB-IoT

　　中图分类号：TP18文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）10-00-02

　　0 引 言

　　随着社会的发展，新型技术的日益更新，物联网作为未来社会的发展趋势，其技术进步和应用拓展一直是社会关注的焦点。以智能化为发展方向的物联网正对人们生活的方方面面产生巨大的影响。随着传统紫外线消毒灯的弊端不断显现，大学教室对紫外线消毒灯的智能控制也越来越迫切。

　　现在的大学教室主要有以下几个特点：

　　（1）教室空间大；

　　（2）人员流动大；

　　（3）每个教室使用情况不同，一旦发生较强的传染性疾病（如新型冠状病毒）会感染更多的学生。

　　因此，需要一套消毒系统以解决大学教室存在的上述问题。

　　喷洒药液消毒存在以下缺点：

　　（1）喷洒面积不均匀，存在未消毒的区域；

　　（2）容易引起学生的不适；

　　（3）成本较高。

　　传统紫外线杀毒灯虽然克服了喷洒药液消毒的缺点，但是也存在一些问题。如传统紫外线消毒极易造成意外伤害和事故、实施难度大，效果难以保证、消毒过程监管困难。

　　本方案提出的智能紫外线消毒系统，正好可以克服传统紫外线消毒的缺陷，发挥紫外线消毒的优点，显著提升消毒效果，一次投入、长期可用，无需物力人力消耗，可以大大降低消毒成本。

　　1 系统框架

　　本系统由WF-IoT物联网芯片模组、全固态紫外线传感器与传统紫外消毒灯一体化结合而成。其将普通紫外消毒灯升级为能自动防护、组网传输、强度监测、智能控制的智能化紫外消毒灯，总体框架如图1所示。本系统使用的主要技术有包括WF-IoT融合物联网技术、WF-IoT的云/边/端融合计算和Air Nano无源无线控制技术。

　　本文系统方案具体如下：

　　（1）在传统紫外线灯上配置ALD系列无线智能控制器（即WF-IoT节点产品）；

　　（2）在通风口（换气扇）上配置ALD系列无线智能控制器（即WF-IoT节点产品）；

　　（3）配置WF-IoT人体热释电红外传感器；

　　（4）配置无线WF-IoT智能警示灯；

　　（5）配置带有边缘计算功能的无线智能网关；

　　（6）配置Air Nano无源无线动能开关或配置无线LCD触控屏。

　　1.1 WF-IoT融合物联网技术

　　WF-IoT融合物联网技术是划时代的创新技术，其内核是唐芯系列物联网芯片，是一 种从底层（物理层、MAC层、空口协议层）单芯片深度融合了国标射频识别（RFID）、实时定位（RTLS）、无线传感器网络（WSN）、商用物联网照明组网控制协议（Air Lamp Light Link，ALL）等DSRC（专用短程无线通信）技术的低功耗中高速广域网通信技术。WF-IoT融合物联网技术为本系统提供了核心技术支撑。

　　1.2 WF-IoT的云/边/端融合计算

　　WF-IoT具有“一网多用、一物多能”的特征，充分体现出物联网2.0的融合、智能，这主要靠云/边/端融合计算技术来保证。WF-IoT 的云/边/端融合计算如图2所示。

　　云计算是统筹者，它负责长周期数据的大数据分析，一般在周期性维护、业务决策等领域运行，适用于大范围的数据分析和智慧决策。边缘计算则是指靠近物或数据源头的一侧，无需交给云端处理，采用集通信、计算、存储应用为一体的本地平台，更好地为本地紫外灯控制业务及时处理执行，同时也云端数据采集做出贡献。终端计算是在智能消毒灯节点终端层面实现。今天，智慧城市、智慧家居、智慧医院、自动驾驶、无人机、智能制造等各方面都有各类计算的身影。

　　1.3 Air Nano 无源无线控制技术

　　Air Nano 无源无线控制技术是将自能源技术、射频识别技术（RFID）、无线传感网 技术（WSN）、能量转换与存储、低功耗信号处理和传输技术进行一体化集成的技术，是WF-IoT的重要支撑。目前已经形成了无源无线开关、无源无线控制面板和无源无线终端等Air Nano产品，广泛应用于智能照明、识别定位、工业测控、安防等领域。Air Nano产品不需要连接电源线，也无需安装充电电池或干电池，产品内置有能量转换设备，对于本系统的控制尤为方便。

　　2 智能消毒管理系统的构成

　　本系统由WF-IoT物联网芯片模组、全固态紫外线传感器与传统紫外消毒灯一体化结合而成，将普通紫外消毒灯升级为能自动防护、组网传输、强度监测、智能控制的智能化紫外消毒灯。

　　本系统通过边缘服务和人工智能策略控制，根据消毒空间、消毒灯具的动态输出以及当下疫情发生情况，动态控制消毒的时机和时长，对大学教室的消毒状况实现动态的数据化、可视化监管，为感染防控管理和消毒效果的提升提供依据。该设计解决了传统紫外线消毒极易造成意外伤害和事故，且实施难度大，同时效果难以保证，消毒过程监管困难。

　　2.1 智能紫外线消毒灯

　　WF-IoT物联网芯片模组、全固态紫外线传感器与传统紫外消毒灯一体化结合，即普通紫外消毒灯升级为可以自动防护、组网传输、强度监测、智能控制的智能化紫外消毒灯；智能紫外消毒灯是物联网时代的产品，提供了本系统的核心基础。

　　2.2 紫外线传感器

　　智能紫外消毒灯内部集成了先进的氮化镓基紫外传感器，利用其对可见光无响应，只对紫外线敏感这一特性，可以准确测量紫外线辐照强度并避免可见光干扰。边缘服务器可以实时获取每次的消毒剂量及消毒灯具的紫外线输出强度，进而实现精准的紫外线照射剂量控制。每个消毒空间按照国家標准的要求，确保消毒空间能够得到恰当剂量的紫外光（紫外光过少会影响消毒效果，过多会诱发臭氧，增加能源消耗）。按照国家规范，当消毒灯管紫外线输出下降到标准值的70%以下时，系统自动提醒更换失效灯管，以确保消毒效果。

　　2.3 智能消毒边缘服务器

　　智能消毒边缘服务器部署在消毒场所现场的嵌入式一体化服务器中，上电即可自动工作，功耗低，免维护，系统本地全智能运行，不依赖于IP或者互联网，自动完成每日既定的消毒工作，同时自动巡检消毒灯具的状态，记录灯具的工作时长和输出参数。智能消毒边缘服务器的运行规则可以任意设定，不再需要传统紫外线消毒的人工手动开启、计时、关闭、登记以及保存纸质登记本。 具备条件时，智能消毒边缘服务采用云边协同机制与综合管控云平台协同，上传必要的本地信息，下载云端下发的规则和指令。与云端通信中断时，不影响本地消毒控制程序的运行。

　　3 本系统的功能和优势

　　3.1 综合成本低

　　本系统是一个全无线、免维护系统，不用施工布线，不依赖IP网络，不增加额外的设备，综合成本较低，一般情况下只有传统统一回路控制方式成本的1/4。

　　3.2 控制方式灵活

　　本系统支持现场级的无源无线控制、自动感应控制、移动客户端控制、手机扫码控制、平台统一控制等方式，可以适应各级管理部门的应用需要。

　　3.3 扩展功能强

　　本系统依托的WF-IoT融合物联网系统有极强的扩展性，相关的机电设备、传感器、人员、装备、环境等都可以随时根据需要加入到末梢网络中来，实现更加智能化的控制。也可弹性灵活扩展配置边缘服务器和云端管控系统，工作人员可通过智能客户端、手机、Pad、浏览器、二维码等，对散布在各处的紫外线灯进行实时在线监测和管理，以实现单灯、分组或集中开/关控制和实时数据监测。

　　4 测试方法及测试结果

　　4.1 测试方法

　　在装有基于WF-IoT融合物联网的紫外线消毒技术的智能控制系统的实验室中，智能控制消毒灯的消毒时间，通过专业仪器检测消毒后的消毒效果，以及在消毒过程中的安全警报，并与其他消毒方式进行对比。

　　4.2 测试结果

　　（1）在灭杀效果上，紫外线消毒比药液消毒效果提高了62.3%；

　　（2）在操作使用上，紫外线消毒比高温消毒方便；

　　（3）紫外线消毒可以降低药液消毒对环境的污染；

　　（4）提高室内环境（密闭环境）43.3%消毒效果，特别是消毒液喷洒不到位的区域，比如建筑物高层吸附的微生物。

　　5 结 语

　　本系统具有体积小、精确度高、使用寿命长，在大学教室使用时基本不占用教室空间，在提高消毒效率的同时，极大地减少了紫外线消毒带来的事故。

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　　钱万虎 丁斌