УФ-панель, микроконтроллеры и датчики времени пролета частиц STMicroelectronics – залог чистоты и безопасности больничных лифтов

1 февраля

медицинаавтоматизацияинтернет вещейSTMicroelectronicsстатьяинтегральные микросхемыдатчикисредства разработки и материалыSTM32IoTУмный домToF

Микроконтроллеры STM32H7 и STM32L5, трехосевой акселерометр высокой точности LIS2DH12, а также всего три датчика пролета частиц VL53L5CX производства STMicroelectronics обеспечивают надежную работу системы UVPANEL для санитарной обработки больничных лифтов с помощью УФ-С-излучения.

В 2014 году ученые из Торонто (Канада) опубликовали исследование, посвященное санитарной обстановке в лифтах больниц. В ходе исследования было выявлено, что в смывах с кнопок лифтов в больницах колонии стафилококков, стрептококков и кишечной палочки обнаруживаются чаще, чем в туалетах этих же больниц. Здесь следует сохранять спокойствие, поскольку большинство обнаруженных бактерий имеет низкую патогенность. Однако эта информация заставит задуматься, когда в следующий раз вы будете нажимать кнопку нужного этажа.

Результаты исследования канадских ученых подтверждают важность разработки лифтов с возможностью автоматической дезинфекции. Рассмотрим такую возможность на примере панелей UVPANEL производства компании UVENTIONS. Система предназначенная для установки на потолке больничного лифта, является первой панелью для автоматической дезинфекции с использованием ультрафиолета диапазона УФ-С. 

VL53L5CX

В UVPANEL размещены три датчика времени пролета частиц VL53L5CX (рисунок 1) и два микроконтроллера STM32 производства компании STMicroelectronics. Их совместная работа обеспечивает автоматическое определение количества и длительности излучения УФ-С для кабины лифта. Датчики времени пролета частиц посылают лазерные лучи и ждут их возврата. Если поблизости находится объект или человек, луч отразится быстрее. Затем датчики вычисляют время возврата фотонов и определяют, присутствуют ли люди или какие-либо объекты в самом лифте. Для дальнейшей обработки данных, полученных от датчиков, картирования пространства лифта и определения, насколько безопасно в данный момент включение ультрафиолетовых ламп используется процессор STM32H733ZG.

Рис. 1. Внешний вид датчика VL53L5CX

Рис. 1. Внешний вид датчика VL53L5CX

Идея облучения поверхностей излучением диапазона УФ-С для дезинфекции не нова. Глобальная пандемия привела к популяризации бытовых УФ-С-ламп. Потребители кладут свои телефоны, зубные щетки и другие вещи в коробку с подобной лампой и нажатием кнопки запускают цикл дезинфекции. Эффективность бактерицидного излучения обусловлена длиной волны. Лучи диапазона С отличаются короткой длиной волн в пределах 100…280 нм, благодаря чему они способны повредить ДНК бактерий, в результате чего микроорганизмы не могут размножаться и заражать человека.

Сложности использования бактерицидного излучения 

Проблемой традиционного обеззараживания с помощью ультрафиолета диапазона УФ-С является необходимость очень точного расчета количества и продолжительности излучения. Если эти показатели не будут соблюдены, излучение не повредит бактериям, и надлежащая дезинфекция всех поверхностей в больничном лифте не будет обеспечена. Инженеры должны определить размеры кабины лифта и затем рассчитать количество и продолжительность УФ-С-излучения, согласно необходимым значениям.

Еще одной задачей, требующей от производителя серьезных расчетов, является надежное обеспечение безопасности пассажиров лифта, которых нужно защитить от вредного воздействия УФ-С-лучей. Например, УФ-С-лампы большинства бытовых стерилизаторов отключаются при их открытии. Специалисты UVENTIONS создали систему, которая останавливает процесс облучения, как только двери лифта открываются. Панель в такой системе отключается мгновенно. Сама система также защищена от ненадлежащего обращения. Чтобы избежать увеличения цены или усложнения процесса установки, размеры подобной системы должны быть подходящими для интеграции в данный прибор. 

УФ-панель – решение для автоматической дезинфекции с помощью УФ-С-диапазона

Картирование лифта

Для определения размеров кабины лифта инженеры выбрали датчики времени пролета частиц STMicroelectronics. Изначально для своего прототипа компания использовала 10 датчиков VL53L1S, поскольку такое количество обеспечивало более детальное изображение и дублирование. Использование большого числа датчиков для измерения одной и той же поверхности обеспечивает точность данных. Семейство устройств VL53 гораздо экономичнее в использовании, чем большинство аналогов.

Однако, несмотря на все преимущества VL53L1S, UVENTIONS все равно столкнулся с препятствиями на пути производства. Обстоятельства сложились так, что работы по созданию устройства были приостановлены из-за пандемии. В это время компания STMicroelectronics выпустила датчик VL53L5CX, который был представлен на конференции IEEE Sensors 2021. Благодаря расширенному полю обзора данных датчиков (63̊ вместо 27˚) для окончательного варианта своей разработки (рисунок 2) компания могла использовать три датчика времени пролета частиц вместо десяти.

Рис. 2. Внешний вид UVPANEL

Рис. 2. Внешний вид UVPANEL

Дэниел Эхлерс, генеральный директор UVENTIONS и соучредитель, а также Алекс Гроссклаус, технический директор и соучредитель дают высокую оценку новым датчикам STMicroelectronics:

«VL53L5CX был подходящим решением для UVENTIONS. Наш продукт выиграл от увеличенного поля зрения и более гибкой частоты обновления. Теперь мы контролируем 64 независимые зоны при частоте 15 Гц, увеличивая точность данных и пользуясь преимуществом дублирования. Один датчик сканирует центральную часть кабины, в то время как два других расположены по углам. В результате он может определить присутствие одного или более человек либо наличие объектов в лифте, а также длительность их пребывания. Система также дублирует инструмент мониторинга. Если кто-то упадет в обморок или оставит подозрительный пакет, UVPANEL сможет оповестить об этом сотрудников службы безопасности».

Защита пассажиров

Как уже было сказано, безопасность является одним из важных аспектов автоматической дезинфекции поверхностей с помощью лучей спектра УФ-С. Датчики времени пролета частиц помогают с распознаванием людей и объектов. В UVENTIONS используется трехосевой акселерометр высокой точности LIS2DH12 производства STMicroelectronics для определения положения кабины лифта или его дверей, благодаря чему система может остановить облучение лифта, как только откроются двери. Система также может определить, входят ли пассажиры в кабину или покидают ее. Акселерометр достаточно точен и быстр, поэтому облучение прекращается сразу и пассажиры лифта остаются в безопасности.

Таким образом, данная система – отличный пример упрощения конструкции. Технически возможно  использовать датчики времени пролета частиц для определения положения дверей кабины, но это требует создания другой конструкции и решения проблем при ее внедрении. Процесс определения присутствия людей или наличия объектов отличается от процесса определения положения дверей. Часто инженер-проектировщик упускает из виду, что в данном случае проще использовать датчики другого типа. Компания-производитель учла, что использование датчика движения упрощает процесс разработки и сокращает время выхода продукта на рынок. 

Защита данных УФ-панели лифта

Поскольку данные, передаваемые на устройство, также нуждаются в защите, компания сосредоточила свое внимание на используемом коде. Для этого на печатной плате используются два микроконтроллера STM32. Микроконтроллер STM32H7 (рисунок 3) использует приложение, которое управляет светом и датчиками. Он отделен от остальной системы и доступ к нему обеспечен только через USB или SWD-порт. STM32L5 надежно подключается к облаку при помощи Bluetooth- или Ethernet-шлюзов. Чтобы ускорить загрузку пакетов обновлений, компания UVENTIONS также включила в разработку механизм беспроводной передачи данных. Код, который управляет процессом на STM32L5, может обеспечить оповещение службы безопасности, обновление статусов и более свободный доступ к устройству без угрозы для контроллера УФ-ламп.

Рис. 3. Внешний вид STM32H7

Рис. 3. Внешний вид STM32H7

Продвижение на рынке

Компания продолжает работу над UVPANEL и совершенствованием процесса дезинфекции с помощью лучей диапазона УФ-С, наращивая объемы производства. Больницам требуется очень высокий уровень гигиены со степенью уничтожения бактерий 1/104, поэтому компания, совместно с аккредитованной немецкой микробиологической лабораторией, работает над проведением экспериментов в разных условиях. UVENTIONS скоро получит результаты этих экспериментов и сможет внести вклад в изучение дезинфекции ультрафиолетом спектра УФ-С. Дезинфекция с помощью ультрафиолетовых ламп спектра С получает все более широкое распространение, поэтому большое количество исследований будет посвящено определению количества излучения и времени облучения для каждого конкретного случая.

Производитель также сотрудничает с местными больницами, чтобы получить более глубокое понимание их потребностей в отношении санитарных условий. Поскольку такая дезинфекция лифта является новшеством, текущая версия устройства поможет разработать следующее поколение компонентов для подобных устройств, чтобы лучше удовлетворять потребности организаций здравоохранения.

Впрочем, создание панели дезинфекции является ярким, но не единичным примером успешной разработки и использования датчиков времени пролета частиц производства STMicroelectronics.

Компоненты STMicroelectronics незаменимы для промышленных роботов, выполняющих сложнейшие операции, число которых растет. Времяпролетные датчики необходимы для точной работы конвейеров, определения расстояния до деталей при окрашивании, организации перемещения продукции или деталей по предприятию, организации работы на складах и во многом другом. В сфере сельского хозяйства такие устройства активно используются для систем идентификации оператора, транспортных средств, определения количества зерна в бункере, а также остановки техники перед препятствиями в поле.

Любопытно использование датчиков времени пролета частиц в робототехнике. Например, они позволяют ориентироваться в пространстве и выполнять свои функции не только роботам-помощникам, таким как пылесосы, колонки и системы экологии помещения, но и роботам-питомцам и интерактивным игрушкам.

Без этих устройств не представляется возможным и создание умного дома. Например, они помогают управлять запуском и выключением бытовой техники, регулировать интенсивность ее работы при приближении человека, контролировать уровень воды или наличие и количество другого содержимого, например, сахара в емкостях кофемашин. Немаловажно, что датчики также обеспечивают защиту детей от получения травм, отключая приборы при их приближении.

Области использования датчиков времени пролета частиц безграничны: это могут быть бесконтактные кнопки в местах общего пользования или устройства по подсчету количества людей в помещениях, о чем подробно рассказывается в публикации «PEOPLE COUNTING SW code example for VL53L1X».

Наши устройства стали еще более востребованы в условиях пандемии, на этом мы подробнее останавливались в публикации «Датчики дальности ST обеспечивают безопасность в период COVID-19″.

Благодаря датчикам можно усовершенствовать оборудование для удаленной активизации системы или создания безопасного рабочего места с помощью контроля яркости экрана монитора и даже осанки пользователя. О том, как с помощью датчика STMicroelectronics VL53L0x можно обезопасить членов своей семьи при просмотре телевизора, вы прочтете в статье «Хорошее зрение с детства: датчик защитит глаза ребенка от последствий близкого нахождения перед телевизором».

Оригинал статьи

Перевела Анна Конева по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании STMicroelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее

Товары
Наименование
LIS2DH12TR (ST)
VL53L5CXV0GC/1 (ST)
VL53L5CX-SATEL (ST)
NUCLEO-H723ZG (ST)
STM32H735G-DK (ST)
STM32H7B3ZIT6Q (ST)
LIS2DH12 (ST)
LIS2DW12TR (ST)
LIS2DW12 (ST)
VL53L0CXV0DH/1 (ST)
VL53L1CBV0FY/1 (ST)
VL53L1CXV0FY/1 (ST)
VL53L1-SATEL (ST)
VL53L1X-SATEL (ST)
X-NUCLEO-53L3A2 (ST)
X-NUCLEO-53L1A2 (ST)
STM32L562E-DK (ST)
NUCLEO-L552ZE-Q (ST)
STM32L552CCT6 (ST)
STM32L552RET6P (ST)