CN113478475A - 一种基于zigbee的无线滑环装置及其核酸检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于zigbee的无线滑环装置及其核酸检测方法，包括动态发送平台、动力驱动机构、静态接收平台，在静态接收平台安置纵横向伺服电机和系统接收板，其底部连接主动升降组件和从动伸缩臂；在主动升降组件底部设有三角支撑架，三角支撑架下方连接动态发送平台，动态发送平台设有锂电池和系统发送板，其动态平台底面安装荧光定量PCR扩增仪，包括外露的探针、内置的荧光灯、光电转换模块和热电冷却器。本发明的有益效果为：本发明把动态平台的数字和模拟信号传输到静态平台的过程，电机驱动主从臂，联动抱夹装置保持伸缩的范围，解决了冷链食品自动化智能滑环设备不可布线和有些距离的信号互联问题，起到信号无延时，数据传输快的作用。
Description
技术领域
本发明涉及智能设备无线系统技术领域，尤其涉及一种基于zigbee的无线滑环装置及其核酸检测方法。
背景技术
目前针对疫情防控中进口冷链食品的核酸检测现状，频频被发现携带新冠病毒，在装载运输过程中，操作人员虽然对产品内外包装做全面消毒，但在一定程度上还是存在新冠病毒输入的风险，目前从货车至冷库的搬运一般采用叉车和输送带，其中叉车和输送带中存在人为的操作搬运，为减少人与冷链食品的直接接触，在这一环节中采用自动抓取食品并对每种食品进行核酸检测。
由于很多机械手只做搬运，且绕线比较多不符合当前疫情需求。
如何解决上述技术问题为本发明面临的课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于zigbee的无线滑环装置及其核酸检测方法，能够获取前端各种数字模拟接口信息，尤其是核酸检测数据能实时远距离传输，且具有采样速率快和电机控制处理强反应灵敏高的效果。
本发明的思想为：本发明提出的一种基于ZigBee的无线滑环装置，其抓取动作和核酸检测步骤同时进行，在输入端提供各种模拟和数字接口，用无线的方式传输至输出端，仍就还原各种模拟和数字信号，为新冠病毒检测提供无接触的一线保护。
本发明是通过如下措施实现的：一种基于zigbee的无线滑环装置，包括由纵向伺服电机和横向伺服电机构成的动力驱动机构，还包括固定安装所述动力驱动机构的静态接收平台，在所述静态接收平台底部设有主动升降组件，所述静态接收平台一侧面转动连接从动伸缩臂顶端，所述从动伸缩臂底端通过抱夹部件与所述主动升降组件连接。
在所述主动升降组件底部设有三角支撑架，所述三角支撑架下方连接动态发送平台，位于所述动态发送平台底面安置荧光定量PCR扩增仪；所述荧光定量PCR扩增仪的电控端与MSP430低功耗单片机无线发送板电联接；所述荧光定量PCR扩增仪分别电连接有荧光灯、光电转换模块和热电冷却器；所述热电冷却器上设置用于容纳所述荧光灯的铝合金盒，所述探针设置在所述荧光定量PCR扩增仪底部。
所述控制单元包括STM32单片机系统板和MSP430低功耗单片机系统板组成。
所述静态接收平台3是固定在冷链食品自动化设备龙门吊上，专门接收ZigBee无线信号，连接到STM32单片机驱动伺服电机。
作为本发明提供的一种基于zigbee的无线滑环装置进一步优化方案，所述主动升降组件为上下两部分构成的主动升降臂，其上部分由顶部设有球形接头的升降杆、设置在所述升降杆顶部的球形接头下段的连接套、在所述连接套外侧面圆周设置若干个花键、与所述升降杆顶部球形接头相互扣合的中空内螺纹筒、在所述中空内螺纹筒内置伸缩弹簧圈构成，所述升降杆顶部球形接头扣合在中空内螺纹筒内部，伸缩弹簧圈的弹性力用于控制升降杆相对中空内螺纹筒之间距离。
其下部分通过钢珠与所述三角支撑架上方卡套内的弹簧圈卡扣连接。
所述抱夹部件卡位住三角支撑架，所述动态发送平台将前端模拟信号、数字信号通过MSP430单片机处理发送无线ZigBee信号。
作为本发明提供的一种基于zigbee的无线滑环装置进一步优化方案，所述静态接收平台上安装所述动力驱动机构、STM32单片机系统板，所述STM32单片机无线接收板与直流的纵向伺服电机和横向伺服电机电联接；
所述STM32单片机无线接收板包括四路DA数模电路、一路RS232、一路RS422、两路RS485和一路ZigBee接收模块、直流伺服电机驱动电路和AC转DC电源管理电路；所述STM32单片机输出接口连接于上位机数据管理中心模块。
作为本发明提供的一种基于ZigBee的无线滑环装置进一步优化方案，所述主动升降臂的驱动端与纵向伺服电机的减速器传动轴连接，用于驱动主动升降臂上下升降30厘米；主动升降臂是无线滑环装置的摆臂运动的上臂，直接连接于静态接收平台3的伺服电机轴上，材质为钛合金，其强度高、韧性大、机械性能和抗蚀性能好，长度30cm，宽度5cm。
所述从动伸缩臂与横向伺服电机的减速器转轴连接，用于驱动其伸缩20厘米，左右摆幅度。从动伸缩臂是无线滑环装置的摆臂运动的下臂，与动态发送平台的螺丝轴联接，材质为钛合金，其强度高、韧性大、机械性能和抗蚀性能好，长度有50cm，宽度有8cm。
所述主动升降臂受伺服电机控制，按一定转速转角运动，所述从动伸缩臂受主动臂升降而联动，控制静态接收平台、动态发送平台之间的距离。
所述从动伸缩臂和主动升降组件通过抱夹部件连接为一个整体，长度范围是50～80cm，上下连接静态接收平台、动态发送平台，在同侧的支链臂上用环扣相连，起到巩固、稳定伸缩距离和间距的作用。
作为本发明提供的一种基于zigbee的无线滑环装置进一步优化方案，所述动态发送平台上锂电池和MSP430低功耗单片机系统板电联接。
所述MSP430低功耗单片机无线发送板包括四路AD模数转换电路、一路RS232、一路RS422、两路RS485和一路ZigBee发送模块；所述MSP430单片机的模拟信号输入为核酸检测信号；ZigBee发送模块用插针连在动态发送平台和静态接收平台上，提供一个完整的基于IEEE802.15.4标准ISM频段，将极复杂的通讯协议集成到内置的微控器MCU中。
所述四路AD模数转换电路是核酸传感器信号调理电路的一部分，探针为核酸探针，其采用磁珠法提取冷链食品的DNA，在电加热冷却器14中经过聚合酶反应(PCR)，再通过光学荧光手段检测，“荧光”信号增加输入至四路AD模数转换电路中。
作为本发明提供的一种基于ZigBee的无线滑环装置进一步优化方案，所述无线滑环装置用于冷链食品的传送流水线的核酸检测输入端，传送流水线包括输送带、龙门吊、旋转挡臂和滚筒传送。
为了更好地实现上述发明目的，本发明还提供一种基于zigbee的无线滑环装置的核酸检测方法，所述冷链食品利用聚合酶链反应(PCR)技术扩增目标DNA才能通过光学荧光手段检测并分析出样本的阴性或阳性。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明中ZigBee发送接收模块具有采样速率快、误码少，核酸检测在常规实验室都可具备条件，诊断率达到99.9％，滑环伺服电机转速平滑，尤其在本系统中取得了人体无接触检测、高灵敏度反应、无线无延时传输、诊断时敏感性和特异性强的效果。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明zigbee无线滑环装置的机械整体示意图。
图2为本发明zigbee无线滑环装置的荧光定量PCR扩增仪结构图。
图3为本发明zigbee无线滑环装置的电控气压吸合抱夹部件图。
图4为本发明zigbee无线滑环装置的冷链食品分拣传送流水线图。
图5为本发明zigbee无线滑环装置的弹簧圈嵌套球形接头部件图。
图6为本发明zigbee无线滑环装置的系统原理结构框图。
图7为本发明zigbee无线滑环装置的冷链食品核酸内部检测原理示意图。
图8为本发明zigbee无线滑环装置的各模块电路图；其中，
(a)为本发明zigbee无线滑环装置中RS485模块电路图；
(b)为本发明zigbee无线滑环装置中RS232模块电路图及RS422模块电路图；
(c)为本发明zigbee无线滑环装置中四路模拟量AD转换输入电路图；
(d)为本发明zigbee无线滑环装置中四路模拟量DA转换输出电路图；
(e)为本发明zigbee无线滑环装置中zigbee无线发送和无线接收电路图。
图9为本发明zigbee无线滑环装置的MSP430F5438低功耗单片机原理图。
图10为本发明zigbee无线滑环装置的STM32F103VCT6单片机原理图。
其中，附图标记为：1、纵向伺服电机；2、横向伺服电机；3、静态接收平台；4、主动升降组件；40、升降杆；400、球形接头；41、连接套；410、花键；42、中空内螺纹筒；43、伸缩弹簧；5、从动伸缩臂；6、抱夹部件；7、三角支撑架；8、动态发送平台；9、探针；10、锂电池；11、荧光灯；12、光电转换模块；14、热电冷却器；15、STM32单片机系统板；16、MSP430低功耗单片机系统板；17、输送带；18、龙门吊；19、旋转挡臂；20、滚筒传送。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
参见图1至图10所示，本发明提供其技术方案为，一种基于zigbee的无线滑环装置，包括由纵向伺服电机1和横向伺服电机2构成的动力驱动机构，还包括固定安装动力驱动机构的静态接收平台3，在静态接收平台3底部设有主动升降组件4，静态接收平台3一侧面转动连接从动伸缩臂5顶端，从动伸缩臂5底端通过抱夹部件6与主动升降组件4连接；
在主动升降组件4底部设有三角支撑架7，三角支撑架7下方连接动态发送平台8，位于动态发送平台8底面设置用于核酸检测的探针9；探针9的电控端与控制单元电连接，控制单元的控制端分别电连接有锂电池10、荧光灯11、光电转换模块12和热电冷却器14；热电冷却器14上设置用于容纳荧光灯11的铝合金盒，探针10设置在铝合金盒上；
如图2所示，探针10、荧光灯11、光电转换模块12、热电冷却器14安装在动态发送平台8下面的铝合金盒13内，构成核酸检测部分。
控制单元包括STM32单片机系统板15和MSP430低功耗单片机系统板16组成。
静态接收平台3是固定在冷链食品自动化设备龙门吊上，专门接收ZigBee无线信号，连接到STM32单片机驱动伺服电机。
作为本发明提供的一种基于zigbee的无线滑环装置进一步优化方案，主动升降组件4为上下两部分构成的主动升降臂，其上部分由顶部设有球形接头的升降杆40、设置在升降杆40顶部的球形接头400下段的连接套41、在连接套41外侧面圆周设置若干个花键410、与升降杆40顶部球形接头相互扣合的中空内螺纹筒42、在中空内螺纹筒42内置有伸缩弹簧43构成，升降杆40顶部球形接头扣合在中空内螺纹筒42内部，伸缩弹簧43的弹性力用于控制升降杆40相对中空内螺纹筒42之间距离；
其下部分通过钢珠与三角支撑架7上方卡套内的弹簧卡扣连接。
抱夹部件6卡位住三角支撑架7，动态发送平台8将前端模拟信号、数字信号通过MSP430单片机处理发送无线ZigBee信号。
作为本发明提供的一种基于zigbee的无线滑环装置进一步优化方案，静态接收平台3上安装动力驱动机构、STM32单片机系统板15，STM32单片机无线接收板与直流的纵向伺服电机1和横向伺服电机2电联接；
STM32单片机无线接收板包括四路DA数模电路、一路RS232、一路RS422、两路RS485和一路ZigBee接收模块、直流伺服电机驱动电路和AC转DC电源管理电路；STM32单片机输出接口连接于上位机数据管理中心模块。
ZigBee接收模块采用型号AW5161P2EF的低功耗透传模块，其发送功率为20dBm，接收灵敏度为-100dBm，休眠功耗低至100nA，尺寸13.5*19mm。通过采用多型态快速组网协议FastZigBee全透明传输方式：即发送方发送的数据和接收方接收的数据内容和长度完全一致，相当于一段无形的传输线，可构建多种网络拓扑结构，其特点是实用性强、传输效率高、性能可靠稳定、启动响应速度快、数据传输准。既能够支持多级中继功能、短地址功能，又能远程读取和设置多路远程IO。
作为本发明提供的一种基于zigbee的无线滑环装置进一步优化方案，主动升降臂的驱动端与纵向伺服电机2的减速器传动轴连接，用于驱动主动升降臂上下升降30厘米；主动升降臂是无线滑环装置的摆臂运动的上臂，直接连接于静态接收平台3的伺服电机轴上，材质为钛合金，其强度高、韧性大、机械性能和抗蚀性能好，长度30cm，宽度5cm。
从动伸缩臂5与横向伺服电机2的减速器转轴连接，用于驱动其伸缩20厘米，左右摆幅45度。从动伸缩臂5是无线滑环装置的摆臂运动的下臂，与动态发送平台8的螺丝轴联接，材质为钛合金，其强度高、韧性大、机械性能和抗蚀性能好，长度有50cm，宽度有8cm。
主动升降臂受伺服电机控制，按一定转速转角运动，从动伸缩臂5受主动臂升降而联动，控制静态接收平台3、动态发送平台8之间的距离。
从动伸缩臂5和主动升降组件4通过抱夹部件6连接为一个整体，长度范围是50～80cm，上下连接静态接收平台3、动态发送平台8，在同侧的支链臂上用环扣相连，起到巩固、稳定伸缩距离和间距的作用。
直流伺服电机采用型号57AIM30的力矩伺服，且带有15位绝对值编码器，支持位置/速度闭环。其工作原理是编码器产生单圈脉冲，反馈信号最高可达32768，转速从额定到最高为1000-1500RPM，在磁场中定向矢量控制，零滞后给定脉冲状态，跟随零滞后，允许接收长线驱动器、集电器开路的信号。其特点是体积小、低噪音、低振动、高速定位、高可靠性，具有堵转、过热保护。编码一体化伺服电机采用RS485差分接口，内置高速光电耦合器，通过modbus RTU通信协议，波特率为119200，产生位置模式下的脉冲和方向信号，也产生速度模式下的PWM占空比信号，输出大扭力。
作为本发明提供的一种基于zigbee的无线滑环装置进一步优化方案，动态发送平台8上锂电池10和MSP430低功耗单片机系统板16电连接。
MSP430低功耗单片机无线发送板16包括四路AD模数转换电路、一路RS232、一路RS422、两路RS485和一路ZigBee发送模块；MSP430单片机的模拟信号输入为核酸检测信号；ZigBee发送模块用插针连在动态发送平台8和静态接收平台3上，提供一个完整的基于IEEE802.15.4标准ISM频段，将极复杂的通讯协议集成到内置的微控器MCU中。
四路AD模数转换电路是核酸传感器信号调理电路的一部分，探针为核酸探针，其采用磁珠法提取冷链食品的DNA，在电加热冷却器14中经过聚合酶反应PCR，再通过光学荧光手段检测，“荧光”信号增加输入至四路AD模数转换电路中。
其中，AD模数转换电路包括DDC112和MAX4051A两个IC，DA数模转换电路包括LM258、S9013和1N4148元器件，RS485接口电路是MAX485将TTL电平转成485半双工信号，RS422接口电路是MAX488E将TTL电平转成422全双工信号。
作为本发明提供的一种基于zigbee的无线滑环装置进一步优化方案，无线滑环装置安装在冷链食品的传送流水线上的核酸检测传送分拣器上，传送流水线包括输送带17、龙门吊18、旋转挡臂19和滚筒传送20。
核酸检测的过程其实是医疗分子诊断，本次检测的生物样本是进口冷链食品，且不具有足够的目标DNA，为了使获知检测结果的等待时间提速，采用先进的聚合酶链反应(PCR)扩增技术。首先需要使用热电冷却器(TEC)，其主要包括TMP117数字温度传感器、TPS54201闪光灯LED驱动器和DRV8873集成H桥驱动器等电路IC。TEC通过三个独立的温度条件变化进行热循环，包括将冷链食品加热至95℃，冷却至50℃，以及保持在72℃恒定温度下。重复此循环过程可以产生多个DNA，热电冷却器正常运行需要具备高水平的温度精度，以确保核酸扩增过程所需的加热和冷却温度。然后当扩增发生时，针对病原体标签序列的荧光标签会被光源激发，四路光电二极管能够检测到“荧光”信号。最后对四路“荧光”信号水平通过DDC112集成块进行非常低的输入参考噪声采样、低输入偏置电流放大和具有高达24位分辨率的高线性度ADC转换，从而得出冷链食品中特定病原体的初始浓度。在扩增过程的早期阶段，仅用进口冷链食品中的四个目标DNA片段就可以检测出这种信号水平，进一步缩短获得阳性结果(鉴定出目标基因组物质)所需的时间。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于zigbee的无线滑环装置，包括由纵向伺服电机(1)和横向伺服电机(2)构成的动力驱动机构，其特征在于，还包括固定安装所述动力驱动机构的静态接收平台(3)，在所述静态接收平台(3)底部设有主动升降组件(4)，所述静态接收平台(3)一侧面转动连接从动伸缩臂(5)顶端，所述从动伸缩臂(5)底端通过抱夹部件(6)与所述主动升降组件(4)连接；
在所述主动升降组件(4)底部设有三角支撑架(7)，所述三角支撑架(7)下方连接动态发送平台(8)，所述动态发送平台(8)上安置于锂电池(10)和MSP430低功耗单片机无线发送板(16)；位于所述动态发送平台(8)底面安装荧光定量PCR扩增仪(9)；所述荧光定量PCR扩增仪(9)的电控端与MSP430低功耗单片机无线发送板(16)电联接，所述荧光定量PCR扩增仪(9)分别电连接有、荧光灯(11)、光电转换模块(12)和热电冷却器(14)；所述探针(10)设置在所述荧光定量PCR扩增仪(9)底部；
所述控制单元包括STM32单片机系统板(15)和MSP430低功耗单片机系统板(16)组成。
2.根据权利要求1所述的基于zigbee的无线滑环装置，其特征在于，所述主动升降组件(4)为上下两部分构成的主动升降臂，其上部分由顶部设有球形接头的升降杆(40)、设置在所述升降杆(40)顶部的球形接头(400)下段的连接套(41)、在所述连接套(41)外侧面圆周设置若干个花键(410)、与所述升降杆(40)顶部球形接头相互扣合的中空内螺纹筒(42)、在所述中空内螺纹筒(42)内置有伸缩弹簧(43)构成，所述升降杆(40)顶部球形接头扣合在中空内螺纹筒(42)内部，伸缩弹簧(43)的弹性力用于控制升降杆(40)相对中空内螺纹筒(42)之间距离；
其下部分通过钢珠与所述三角支撑架(7)上方卡套内的弹簧卡扣连接。
3.根据权利要求1或2所述的基于zigbee的无线滑环装置，其特征在于，所述静态接收平台(3)上安装所述动力驱动机构、STM32单片机系统板(15)，所述STM32单片机无线接收板与直流的纵向伺服电机(1)和横向伺服电机(2)电联接；
所述STM32单片机无线接收板包括四路DA模拟电路、一路RS232、一路RS422、两路RS485和一路ZigBee接收模块、直流伺服电机驱动电路和AC转DC电源管理电路，所述STM32单片机输出接口连接于上位机数据管理中心模块。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于zigbee的无线滑环装置，其特征在于，所述主动升降臂的驱动端与纵向伺服电机(2)的减速器传动轴连接，用于驱动主动升降臂上下升降30厘米；
所述从动伸缩臂(5)与横向伺服电机(2)的减速器转轴连接，用于驱动其伸缩20厘米，左右摆幅45度。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于zigbee的无线滑环装置，其特征在于，所述动态发送平台(8)上锂电池(10)和MSP430低功耗单片机系统板(16)电连接；
所述MSP430低功耗单片机无线发送板(16)包括四路AD模数转换电路、一路RS232、一路RS422、两路RS485和一路ZigBee发送模块；所述MSP430单片机的模拟信号输入为核酸检测信号。
6.根据权利要求1-5任一项所述的基于ZigBee的无线滑环装置，其特征在于，所述无线滑环装置用于冷链食品的传送流水线的核酸检测输入端，传送流水线包括输送带(17)、龙门吊(18)、旋转挡臂(19)和滚筒传送(20)。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述的基于zigbee的无线滑环装置的核酸检测方法，其特征在于，所述冷链食品利用聚合酶链反应扩增目标DNA，通过光学荧光检测并分析出样本的阴性或阳性。
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