梁永文，陈晓涛
(1.兰州石化职业技术大学 印刷出版工程学院，甘肃 兰州 730060；
2.中国人民解放军93856部队，甘肃 兰州 730060)
核酸检测是当前新冠病毒筛查的重要手段，国内外展开了大量的研究并取得了一系列的成果[1-5]，但至今仍缺少安全、高效的核酸采集方法。在大规模疫情爆发时核酸检测不但要耗费大量人力、物力资源，而且一线采集医务人员时刻面临着被感染的风险，医护人员、采样人员之间也存在一定交叉感染隐患[6-10]。为此，本文针对移动式无人值守核酸采集站设计展开研究，该设备可大规模机动部署，操作简单方便，采样人员能在直观的视觉引导下按照既定步骤自助采样，整个过程安全高效，能够有效避免人员相互交叉感染，提升疫情防控成效。
系统主要由采集终端设备和云服务系统构成，如图1所示。其中，采集终端设备主要实现人员在视觉引导系统指导下的自助咽拭子核酸采样以及核酸样本的低温环境保存，云服务系统主要实现咽拭子人员的在线登记与信息查询、核酸样本信息的管理与统计汇总以及采集终端设备的运行监控，采集终端设备与云服务系统通过互联网通信。
图1 系统架构
1.1 采集终端设备
采集终端设备主要实现人员身份识别、采样管(存储咽拭子)发放、视觉引导下的自助咽拭子核酸采样、采样管存储恒温等功能[11,12]，见图2。该设备配备行走机构，可高速机动多点临时部署，采用无线通信快速入网，由220 V交流市电供电，平均功耗不大于0.75 kW，总质量不超过50 kg。
图2 移动终端
1.1.1 控制中心
控制中心由1台工业控制计算机、1台加固液晶显示器及配套触摸设备以及若干拓展接口设备以及软件系统构成，主要负责程序控制各子系统和附属设备按照既定时序工作，采集工作完成后，将样本信息上传云端数据库。软件系统采用C/S架构，适用于Windows7及以上系统，采用C#基于Winform构建，主要由客户端和服务器构成。客户端运行于采集终端设备工业计算机上，服务器为云服务系统的云计算中心。客户端软件主要由视觉引导子模块、身份识别与登记模块、采样管发放控制模块、核酸样本存储控制模块、定位模块、红外测温模块、故障自检模块、通信模块构成。各模块之间高内聚低耦合，相互独立工作，根据核酸自助采集流程向各子系统发送相应的控制命令，汇总人员身份、体温、核酸样本条码等信息并打包处理发往服务器端进行云计算；
故障自检模块实时接收各子系统控制反馈信息，在工作休止期，定时向各子系统发送询问信息，进行故障自检，故障发生后，将故障信息上传云端运行监控系统报修。此外，客户端软件还负责接受服务器端控制，进行本地的程序自动升级。系统具备脱机工作能力，控制中心工控机内置MySql数据库系统，在网络不通时自动将本地产生的各类信息存入本地数据库，待网络恢复后及时报送云计算中心，增强工作可靠性。
1.1.2 视觉引导子系统
视觉引导子系统是运行在控制中心计算机上的三维动画系统，通过实体或虚拟按键控制核酸采样各阶段动画在液晶显示器上播放，通过详细生动准确的图像、语音演示，指导人员按照操作流程完成身份识别与登记、采样管领取、条码粘贴、咽拭子核酸采样、采样管投放等动作。三维动画系统采用三维软件建模，多角度、全方位演示自助核酸采样各阶段的动作要领，辅助文字、语音提示，使采样动作更为准确有效。
1.1.3 身份识别与登记子系统
身份识别系统主要由人脸识别、身份证识别、二维码扫描设备和条码打印机构成，在控制中心协调下工作。成人和拥有二代居民身份证的未成年人可进行人脸识别、身份证识别，也可在手机App上注册信息通过扫描二维码完成身份识别；
未办理二代身份证的未成年人可在手机APP上注册信息后通过扫描二维码完成身份识别。该系统主要由RFID射频识别身份证阅读器、网络摄像头、二维码扫描和条码打印机等设备构成，直接与控制中心计算机通过USB接口连接，并接受控制。工作过程中，系统自动将身份证阅读器采集到的身份证信息和网络摄像头采集到的人脸特征信息与公安系统数据库进行比对，确认人员身份并下载详细信息至本地控制中心计算机，完成核酸采集信息登记[13]。当采用扫描App二维码进行身份识别时，系统自动调用云服务信息进行身份识别与登记。身份识别与登记完成后，信息上报云端数据库，控制中心计算机发送命令控制条码打印机输出识别条码。
1.1.4 采样管发放系统
目前核酸检测采样的主要方式是口腔咽拭子采样，本系统专门设计了采样管用于存放咽拭子。采样管发放系统主要由采样管存储箱、一次性医用手套存储箱、机械手等设备构成，在控制中心协调下开启手套箱，人员自助取出并戴好手套后执行下一步操作，完成采样管投放。系统应至少容纳500支采样管，满足一栋居民楼采集需求。采样管存储箱采用5层立体式结构，每层容纳100支采样管，机械手采用功能强大的AT89C52 单片机控制步进电动机实现XYZ三维动作[14]，完成采样管的发放。具体实现过程为，采集终端控制中心通过RS232串口输出采样管发放命令，AT89C52接收到指令之后进行计算，驱动XYZ三轴向的步进电机执行相应动作，通过P0.0、P0.1、P0.2口输出Z轴步进电机A、B、C相信号，经过功率放大，驱动机械手的上下移动，到达指定的采样管存储箱层位；
通过P0.3、P0.4、P0.5口输出X轴步进电机A、B、C相信号，经过功率放大，驱动机械手的左右移动，到达指定层位的列位；
通过P1.0、P1.1、P1.2口输出Y轴步进电机A、B、C相信号，经过功率放大，驱动机械手的前后移动，在指定的层位和列位推出一个采样管。AT89C52单片机IO与功率放大器之间加装光电耦合元件，将IO口输出+5V信号将光耦合后送往功率放大器驱动步进电机，防止信号串扰，增强信号传输稳定性。为提高机械手动作执行精度，采样管存储箱每个层位和列位设置红外线感应装置，并将信号接入AT89C52单片机P2、P3口，精确检测机械手动作执行情况，形成自动控制的闭环回路。机械手动作完成后，AT89C52单片机通过RS232串口向控制中心报告指令执行情况，控制中心计算机实时显示采样管剩余数量，并将该信息发送至云端。存储箱中采样管数目为零后，机械手自动回到起始位置。
1.1.5 核酸样本存储系统
核酸样本存储系统主要由控制器、采样管存储箱、空调设备、酒精喷淋消杀设备构成，在控制中心协调下，采样管存储箱在接收到核酸样本后维持2～8℃低温环境，并按照1小时时间间隔进行75%酒精喷淋消毒，满足最长48小时存储条件。控制器主要由STC89C52RC单片机和DS18B20 温度采集模块[15]、继电器开关控制模块组成；
酒精喷淋消杀设备主要由酒精容器、继电器、微型水泵组成；
采样管存储箱为具有保温措施和液体泄漏装置的半密封箱体；
空调设备为微小型单制冷空调。具体工作过程为，当开始第一例采样时，控制中心计算机通过RS232串口向控制器STC89C52RC发送制冷命令，STC89C52RC收到指令后，通过IO口驱动放大电路工作，分别控制电源和制冷继电器吸合，空调开启。在空调工作过程中，DS18B20 温度采集模块实时监测采样管存储箱的温度，并反馈给STC89C52RC，由STC89C52RC通过控制制冷继电器的断开和吸合使存储箱保持在特定温度范围，并将温度值通过RS232定时送往控制中心计算机。同时，STC89C52RC内部进行计时，每间隔1小时，通过IO口驱动继电器吸合，控制酒精喷淋消杀设备的微型水泵对采样管存储箱内部进行喷淋消菌杀毒。
1.1.6 附属设备
附属设备主要由通信设备、定位设备、红外感应体温检测设备、免洗手消毒液设备、轮式行走系统等构成，完成系统相应的辅助功能。通信设备为可插入4G/5G物联卡的usb上网卡托，在程序驱动下，可通过移动运营商快速接入互联网。定位设备为usb接口GPS/北斗定位设备，可根据控制中心调度，向云服务中心报送采集终端设备的位置信息。红外感应体温检测设备为USB接口全自动红外线测温仪，可根据控制中心调度测量显示并语音播报人员体温信息，测量结果回传至控制中心，打包上报。轮式行走机构由无动力驱动的4和万向轮及刹车构成，可实现采集终端设备快速运动和定位部署。
1.2 云服务系统
云服务系统主要由云计算中心、个人终端设备、卫生服务终端和运行监控终端设备组成，系统采用B/S结构，见图3。软件主要由数据库、在线登记与查询、样本汇总统计和运行监控等子系统构成，运行于云计算中心，用户根据不同角色权限远程访问。硬件上开发上，以数据库为中心，以虚拟化为手段，依托现有的国内云体系构建安全性能高、扩展性能强、经济适用的云服务平台[16]。软件开发上，运用成熟可靠的ASP.NET、HTML、云数据库技术开发软件系统，采用MVC(模型、视图、控制器)三层架构，同时匹配手机、平板、PC等多种类型设备，提高开发效率和可维护性。
图3 云服务系统
1.2.1 云计算子系统
云计算技术是信息系统运维模式优化的支撑,云计算子系统核心是数据库，运行于云计算中心，主要用于存储采集终端设备信息和与其相关联的采集核酸样本信息，供其它各子系统的访问查询。采集终端设备信息应包含设备ID、IP地址、部署位置、采样管数量、核酸样本数量、故障信息、排队人数等；
核酸样本信息应包含样本ID、姓名、身份证号、性别、年龄、居住地址、体温、采集时间、核酸检测进度、检测结果等，其中核酸检测进度与核酸检测结果信息是与卫生服务部门同步的结果。数据库表如表1、表2所示。
表1 采集终端设备信息表
表2 核酸样本信息表
1.2.2 在线登记与查询子系统
在线登记与查询子系统适用于普通用户。该类用户可在手机App、公众号、小程序或个人计算机上登录访问，实现附近采集终端设备位置查询、个人信息注册、预约排队、核酸检测进度与结果查询等功能。配置用于各地二次开发的接口程序，能按照需要自动同步国家政务平台、各地方健康平台的个人信息，通过手机号或身份信息关联，实现一码通用；
具有外部系统服务接口，各健康应用经过许可后能提取核酸检测结果信息，满足社会的多元化需求。
1.2.3 样本汇总统计子系统
样本登记与查询子系统适用于卫生服务部门用户。该类用户可在接入互联网的计算机上浏览查看核酸样本采集信息汇总统计情况，根据需要及时转运核酸样本送检，补充投放采样管、一次性医用手套、医用酒精、洗手液等物资；
及时录入更新核酸检测进度和结果，供普通用户查询。具备风险预警功能，当核酸检测结果中发现阳性样本时，可迅速定位至采集终端设备，进行位置和时间关联，筛选出在核酸采集过程中的密接人群，并将信息及时推送当地卫生服务部门。该系统可按照采集终端设备位置信息进行区分，实现卫生服务部门的分区域划片管理保障要求。运用Ajax支持下的Echars动态数据图表技术，根据后台数据实时对核酸检测结果进行态势分析，为疫情防控指挥决策提供数据支持。
1.2.4 运行监控子系统
运行监控子系统适用于设备维护用户。该类用户可在手机APP或计算机上实时接收云服务中心推送的采集终端设备故障情况，及时维护修理，也可以远程控制采集终端设备在空闲时段进行软件升级。运用核酸检测汇总信息和GPS/北斗定位信息，判断采集终端设备忙闲程度，根据需求合理调整部署，实现有限资源的高效使用。
用户在手机App、公众号、小程序或个人计算机上访问在线登记与查询子系统，完成个人信息的登记与预约排队，根据系统指引前往最近的空闲采集终端，也可持二代居民身份证直接进行核酸采样。未办理二代居民身份证的未成年人，必须在监护人的协助下注册信息，持生成的二维码前往采样。完成数据同步的地区，用户也可在当地健康平台上扫码登记。
在核酸采集终端设备前，按照视觉引导系统动画指引，刷身份证、人脸识别或扫描App生成的二维码，完成身份识别与认证，打印机输出条码，开始采样流程。
按照视觉引导系统动画指引，完成手部消毒、一次性医用手套领取、戴手套、采样管领取、条码粘贴、咽拭子采样、样本投放、摘手套、手部消毒等动作。
在手机App、公众号、小程序或个人计算机上访问在线登记与查询子系统，查询核酸检测进度与结果。
未成年人和老人必要情况下可在家属或志愿者协助下自助完成核酸采样工作。
移动式无人值守核酸采集站设备体积小、重量轻，配有行走机构，机动性能好，非常适合批量运输投放和定点支援，在大规模疫情爆发时能快速部署，为抗疫工作争取大量时间资源。
该设备内置无线网卡，可随时随地快速入网，并且可通过网络实时掌握采集状态和工作状况，大规模运用和维护非常便捷；
具备脱机工作能力，无网络环境也可临时工作，适应能力强。
运用形象生动准确的三维动画视觉引导技术，能够指引普通用户轻松完成咽拭子核酸检测操作，成功率较高；
采取多重安全措施，有效防止人员采样时的交叉感染。
采集工作全程无需医护人员参与，在大量节约有限人力资源同时有效保护一线医护人员自身安全。
该设备除消耗性物资外，可在室温下免维护长期存放，非常适合国家作为抗疫战略物资储备。
移动式无人值守核酸采集站能够方便实现自助咽拭子核酸采样、样本的低温存储及核酸检测信息查询、汇总统计等信息，有效避免一线医护人员与人群密切接触，降低感染风险，节约医疗资源，显著减轻医疗卫生系统工作压力。系统功能齐全，操作使用简单快捷，工作稳定性较高，可在疫情大规模爆发时在医院、社区、学校等居住密集区快速密集部署，持续工作，提高核酸检测筛查速度，提升疫情防控效率，具有广阔的应用前景。
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