Robot Pembersih UV Berbasis Arduino Mega: Sistem Germisidal Kendali Jarak Jauh

Komponen dan Perlengkapan

• Arduino Mega 2560 × 1
• Kamera FPV × 1
• Pemancar Video FPV × 1
• Penerima Video FPV × 1
• Monitor TFT Warna × 1
• Pengontrol Radio RC 4CH × 1
• Motor Gear DC 30W × 2
• Driver Motor Ganda VNH5019 × 1

Alat dan Mesin yang Diperlukan

• Bor, Obeng

Tentang Proyek

Robot Germisidal Ultraviolet (Robot UV) adalah robot teleoperasi yang dilengkapi dengan sistem cahaya UV. Sistem berisi kendaraan robot yang bergerak dan pengontrol stasiun bumi (GCS). Operator dapat mengontrol robot menggunakan joystick pengontrol stasiun bumi (GCS) sambil mengamati umpan kamera dari robot.

Robot dapat membersihkan dan membunuh penyakit, virus, bakteri, dan jenis mikroorganisme organik berbahaya lainnya di lingkungan, dengan cahaya ultraviolet, dengan merusak struktur DNA-nya. Saat ini, beberapa negara telah menguji robot ini dengan sukses untuk membersihkan rumah sakit, transportasi publik, ruang kantor, dan tempat umum lainnya. Kami telah mengimplementasikan robot UV ini dengan cara yang hemat biaya untuk memperluas proses pembersihan ke tempat umum.

Mengapa tidak menggunakan cairan pembersih?

Metode paling umum dan populer untuk membersihkan tempat umum adalah dengan menyemburkan cairan pembersih yang merupakan cairan berbasis alkohol 70%. Baru-baru ini, Organisasi Kesehatan Dunia (WHO) telah mengumumkan bahwa sangat berbahaya untuk menggunakan cairan pembersih secara teratur di tempat umum. Ini dapat menyebabkan masalah pada sistem pernapasan karena aroma yang kuat, menyebabkan iritasi kulit, dan mungkin menyebabkan ketidakseimbangan lingkungan.

Selain itu, metode ini terkait dengan biaya material dan tenaga kerja yang besar setiap hari.

Keuntungan Robot UV

• Biaya sekali kali (Tidak perlu mengisi ulang cairan alkohol atau klorin).
• Dapat digunakan untuk membersihkan permukaan, baju medis, masker medis, dan peralatan medis lainnya.
• Mengurangi waktu pembersihan sebesar 60% dibandingkan metode pembersihan berbasis cairan. (Waktu kering cukup tinggi ketika digunakan di lingkungan di mana bahan kain tersedia).
• Kemampuan digunakan untuk lingkungan dengan peralatan elektronik.
• Satu operator dapat mencakup area yang luas. (Tidak perlu banyak orang seperti dalam penyemprotan cairan)
• Kami telah menguji dan membuktikan tingkat pembersihan 99,997% untuk robot ini dalam kolaborasi dengan laboratorium mikrobiologi di universitas lokal. (Dijelaskan di bagian terakhir)

Sinaran Germisidal Ultraviolet (UVGI)

Sinaran germisidal ultraviolet (UVGI) adalah metode pembersihan yang menggunakan cahaya ultraviolet gelombang pendek (ultraviolet C atau UVC) untuk membunuh atau menonaktifkan mikroorganisme dengan merusak asam nukleik dan mengganggu DNA mereka, sehingga mereka tidak dapat melakukan fungsi sel penting. UVC diserap oleh basa RNA dan DNA dan dapat menyebabkan fusi fotokimia dari dua pirimidin yang berdekatan menjadi dimer yang terhubung kovalen, yang kemudian menjadi basa yang tidak berpasangan.

UVGI digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti pemurnian makanan, udara, dan air. UVGI dapat digunakan untuk mencegah penyebaran beberapa penyakit infeksif. Lampu serut merkuri tekanan rendah (Hg) dan LED biasanya digunakan dalam aplikasi UVGI dan memancarkan radiasi ultraviolet-C gelombang pendek (100–280 nanometer), terutama pada 254 nm.

Setiap jenis mikroorganisme memerlukan dosis cahaya UV yang berbeda untuk menonaktifkan fungsionalitasnya. Mempertimbangkan situasi Covid-19, nonaktifisasi virus yang sama menggunakan cahaya UV dipertimbangkan di sini. Dalam sebagian besar makalah dan artikel penelitian, kelompok penelitian telah menyebutkan cahaya UV yang diperlukan untuk proses sterilisasi dalam bentuk “Joule per meter persegi” atau “Joule per sentimeter persegi”. Namun ketika mempertimbangkan parameter dan spesifikasi cahaya UV, pabrikan telah memberikan intensitas cahaya UV dalam bentuk “Microwatt (µW) per sentimeter persegi” pada jarak 1 meter.

Satuan “Watt (W)” mewakili energi yang dipancarkan dalam periode satu detik. Microwatt per sentimeter persegi berarti energi yang melewati area satu sentimeter persegi dalam satu detik.

Persamaan 1 menunjukkan hubungan antara dosis dan intensitas. Imply bahwa dosis berbeda dapat dicapai dengan mengubah waktu paparan pada sumber cahaya UV yang sama.

Hubungan antara intensitas UV dan jarak ditunjukkan oleh Persamaan 2. Menurut itu, dapat disimpulkan bahwa intensitas UV menurun seiring jarak dari sumber cahaya.

Menurut Wikipedia, dosis 8mJ dapat menonaktifkan sebagian besar virus.

Memahami Fungsi Robot

Sistem secara keseluruhan agak kompleks karena kami telah menambahkan beberapa fungsi dan fitur keamanan untuk memenuhi standar industri. Sebelum menjelaskan prosedur implementasi, baik untuk memahami cara kerja sistem.

Robot memiliki 3 komponen utama.

1. Kendaraan tanah

Bagian ini digerakkan oleh dua roda yang diberdayakan oleh motor gear DC (robot diferensial drive). Ada dua roda pelindung di depan dan belakang untuk menjaga keseimbangan. Kami telah menempatkan sistem kontrol elektronik dan baterai, yaitu baterai Asam Timbal 12V 35Ah di dalam kendaraan tanah.

Arduino Mega diberdayakan dengan baterai utama melalui modul regulator tegangan untuk menurunkan tegangan dari 12V ke 5V. Penerima radio RC empat saluran dengan keluaran PWM terhubung ke papan Mega. Motor digerakkan melalui driver motor H bridge dual channel yang terhubung ke papan Arduino. Inverter terhubung antara lampu UV dan baterai dan dikontrol menggunakan saklar relay yang terhubung ke papan Arduino.

2. Menara cahaya UV

Kami telah menggunakan lampu UV Fluoresent yang memerlukan unit balast elektronik terpisah untuk menyala lampu. Menara cahaya berisi 6 lampu UV yang ditempatkan di sekitar silinder aluminium yang terbuat dari lembaran aluminium dengan menggulungnya. Silinder aluminium ini bertindak sebagai reflektor untuk sinar UV.

Semua balast elektronik ditempatkan di dalam silinder aluminium. Di puncak menara, ada kamera FPV dan pemancar FPV untuk mentransmisikan umpan video ke GCS. Menara UV dipasang di atas kendaraan tanah.

3. Pengontrol Stasiun Bumi

Ini adalah pengontrol jarak jauh dari robot. Layar menampilkan umpan kamera yang diterima dari robot. Joystick digunakan untuk menggerakkan robot. Lampu UV dapat dihidupkan dan dimatikan menggunakan saklar UV. Saklar pengamanan bertindak sebagai saklar keamanan. Ia memutuskan semua fungsi saat dihidupkan.

Menyala lampu UV

Untuk robot kami, kami telah memilih 6 lampu UV dengan spesifikasi berikut:

• Daya - 55w
• Panjang gelombang - 254nm
• panjang - 890mm
• diameter tabung - 15mm
• tipe - single end 4 pin

Ini bukan spesifikasi yang ketat kecuali panjang gelombang. Unit balast elektronik terhubung ke 4 pin lampu UV. Lampu UV akan menyala ketika daya di供给 ke unit balast elektronik.

***Cahaya UV berbahaya bagi kulit dan mata manusia. Jangan mengekspos mata dan kulit Anda untuk waktu yang lama. Mengamati cahaya melalui kaca adalah prosedur terbaik karena cahaya UV tidak dapat menembus kaca transparan.***

Sistem Video FPV

Sistem video FPV terutama digunakan dalam drone untuk mendapatkan pandangan burung. Dalam kasus kami, menggunakan sistem FPV membuat mudah untuk mendapatkan umpan video dari robot tanpa pemrograman atau menyolder komponen. Robot memiliki kamera dan pemancar video. Kami hanya perlu menghubungkan daya ke sistem ini dan itu akan mulai mentransmisikan umpan video menggunakan 5.8GHz.

GCS memiliki layar LCD dengan penerima video 5.8GHz bawaan. Setelah Anda menyala layar, itu akan mulai menampilkan umpan kamera.

Membangun Kendaraan Tanah

Struktur utama terbuat dari batang box baja 0.75'. Berikut adalah desain yang digunakan untuk robot kami tetapi jangan terbatas padanya. Ubah desain sesuai kebutuhan Anda.

Rangka harus memiliki ruang dan mekanisme untuk memasang dua motor dan dua roda pelindung di bawah. Di dalam struktur, harus ada mekanisme untuk mengunci baterai asam timbal. Dalam robot kami, kami telah menggunakan papan cladding untuk menutupi rangka.

Kabel dari dua motor terhubung ke pin keluaran driver motor. Prosedur ini dapat dengan mudah ditemukan di internet, oleh karena itu tidak dimaksudkan untuk menjelaskan seluruh prosedur.

Skematis sistem kontrol elektronik dilampirkan di akhir. Pin sinyal PWM Channel 1 - channel 4 dari penerima RC terhubung ke papan Arduino dari pin 18 - 21. Setiap saluran dikonfigurasi dengan cara berikut dalam kode. Anda dapat mengubahnya sesuai keinginan Anda.

• Ch 1 - saklar UV
• Ch 2 - Saklar Pengamanan Robot
• Ch 3 - Perintah Gerak Maju/Mundur
• Ch 4 - Perintah Belok Kiri/Kanan

Ini juga dapat diubah saat membangun GCS.

Pin driver motor terhubung ke pin Arduino 3 - 11 seperti yang ditunjukkan dalam skematis.

Untuk mengonversi 12V ke AC 230V untuk menyala lampu UV, digunakan rangkaian inverter di sini. Kami telah membeli unit inverter yang tersedia secara komersial dengan charger bawaan. Ini membantu menghindari kompleksitas sistem elektronik dengan memungkinkan kami untuk mengisi baterai asam timbal menggunakan titik daya yang ada.

Dalam kasus kami, kami telah menggunakan inverter sinus modifikasi yang memiliki efisiensi sekitar 70%. Untuk menyala semua balast elektronik dengan efisiensi 70% daya inverter yang diperlukan adalah 470W. Dengan semua margin keamanan kami membeli inverter 1kW.

Klem baterai terhubung ke input 12V dan E. ballast terhubung ke port keluaran AC. Saklar on/off dihapus. Terdapat 3 kabel yang tersedia dalam saklar; kabel umum, kabel ground, dan kabel power on. 3 kabel ini terhubung ke saklar relay dengan cara berikut untuk mengontrol lampu UV dari papan Arduino.

• Kabel umum -> Umum
• Kabel ground -> NC
• Kabel power on -> NO

Kami telah menyertakan saklar power on sistem, saklar power on UV, dan saklar pemadam darurat untuk mematuhi robot dengan standar industri.

Membangun Menara Cahaya UV

Bagian tengah menara berisi lembaran Aluminium. Lembaran digulung untuk membuat silinder dengan diameter 15cm. Dua papan cladding berbentuk lingkaran dengan diameter 30cm ditempatkan di atas dan bawah silinder. Ini digunakan sebagai pemegang lampu UV. Kedua papan cladding dibor 19mm lubang untuk memasang lampu UV. E.ballast dipasang di dalam silinder Aluminium menggunakan lem double side.

Sistem kamera FPV dipasang di puncak menara dan dua kabel dibawa ke bawah melalui silinder.

Membangun Stasiun Kontrol Tanah

Berikut adalah komponen yang diperlukan untuk Stasiun Kontrol Tanah (GCS).

• Pemancar RC 2.4GHz 4Ch
• Layar FPV
• 2 X Saklar toggle
• 1 X Saklar daya
• Sel Baterai 18650
• Modul Sistem Manajemen Baterai 3 Sel untuk 18650
• Sumber Daya Mode Switching 12V, 5A

Pemancar RC berisi 2 joystick dan beberapa saklar. Di sini, kami hanya tertarik pada satu joystick, rangkaian, dan indikator LED. Hapus enclosure pemancar dan amati bagaimana joystick dirasakan oleh rangkaian. Setiap joystick berisi dua potensiometer yang terhubung ke papan sirkuit. Berdasarkan posisi joystick, potensiometer mengubah resistensinya sehingga rangkaian dapat membaca posisi joystick.

Hapus satu joystick dan dua potensiometer-nya. Solder ujung kabel yang sesuai ke dua saklar toggle. Sekarang kami memiliki satu joystick dan dua saklar toggle untuk mengontrol semua 4 saluran. Satu saklar bertindak sebagai saklar pengamanan robot dan yang lainnya bertindak sebagai saklar kontrol lampu UV. LED indikator dapat digunakan sebagai pengawas baterai GCS karena ia berubah menjadi merah saat baterai rendah.

Sekarang kami perlu membuat sumber daya untuk pemancar dan untuk layar FPV. Tegangan sel baterai 18650 adalah 3.7V. Saat terisi penuh menjadi 4.2V. Untuk ini kami menghubungkan 3 sel secara seri untuk mendapatkan sekitar 12V. Dalam kasus kami, kami menggunakan sel dengan kapasitas 1000mAh. Untuk meningkatkan waktu operasi GCS, kami menggunakan 9 baterai, 3 set sel seri yang dihubungkan paralel untuk mendapatkan kapasitas 3000mAh. Lalu hubungkan modul BMS untuk melindungi baterai.

P+ dan P- terhubung ke input daya Pemancar dan input daya layar FPV. Sumber daya mode switching (SMPS) 12V datang dengan potensiometer untuk menyesuaikan tegangan keluaran dalam rentang terbatas. Setel ke 12.8 dan hubungkan keluaran tegangan ke P+ dan P- dari BMS. Ini akan membantu mengisi paket baterai saat SMPS dihubungkan.

Anda dapat mendesain enclosure untuk ini sesuai preferensi Anda.

Koding

Tugas pertama dari kode adalah membaca input saluran RC. Karena kami menggunakan penerima PWM, saya telah menggunakan interrupt untuk membaca nilai PWM. Untuk memudahkan hal, saya telah menyertakan library PWM untuk menggunakan interrupt dengan menentukan pin yang terhubung dengan cara berikut.

PWM ch1(18); // Setup pin 18 untuk input
PWM ch2(19); // Setup pin 19 untuk input
PWM ch3(20); // Setup pin 20 untuk input
PWM ch4(21); // Setup pin 21 untuk input

Dalam urutan startup, kode memeriksa tegangan baterai dan apakah saklar UV dihidupkan. Jika ia mendeteksi salah satunya, prosedur startup akan menunggu di sana sampai semuanya diperbaiki.

//check battery voltage
battery_voltage_monitor();
while(batterylow == true){
 battery_voltage_monitor();
 low_battery_notification();
}

//verify the uv swtich is turned off
rc_read();
while(uv_pwm > switch_on_pwm){
rc_read();
uv_on_warning_at_startup(); //buzzer tone
}

Saat menjalankan motor, tegangan baterai menurun secara kritis hanya untuk saat itu. Untuk menghindari alarm tegangan rendah terpicu setiap kali kita menggerakkan robot, bagian pemantauan baterai hanya berjalan saat robot tidak bergerak.

if (robot_moving == false){
battery_voltage_monitor(); //monitor the battery when robot is not moving
}

Semua fungsi lainnya termasuk mengontrol driver motor, menghasilkan nada dengan buzzer dan mengontrol relay bekerja dengan cara biasa. Anda dapat mengikuti tutorial umum di atas topik-topik jika Anda tidak mengetahuinya.

Prosedur Operasi

Prosedur Menyala

Pengontrol GCS

1. Nyalakan saklar utama.
2. Pastikan baik Saklar Pengamanan Robot dan Saklar Lampu UV dalam posisi mati. (Pada posisi bawah).

Robot

1. Nyalakan saklar daya.
2. Tunggu nada start.
3. Tunggu nada sistem baik.

Mengontrol Robot

1. Nyalakan Saklar Pengamanan Robot.
2. Gerakkan joystick untuk menggerakkan robot.
3. Nyalakan Saklar UV untuk menyala lampu UV. Ketika Saklar Pengamanan Robot dalam posisi mati, saklar UV tidak berfungsi.

Indikator Tingkat Baterai

1. Pastikan baterai memiliki setidaknya 4 bar berkedip untuk mengoperasikan robot.
2. Ketika baterai rendah, bunyi beep buzzer dengan dua bar terakhir indikator tingkat baterai berkedip.

Prosedur Pengisian Daya

1. Matikan robot.
2. Matikan GCS.
3. Hubungkan inverter ke titik daya. (Biasanya inverter memiliki indikator tingkat pengisian bawaan)

Pertimbangan Umum

1. Penggunaan di area ramai

Cahaya ultraviolet berbahaya bagi mata dan kulit manusia. Paparan cahaya dalam jarak dekat (kurang dari 3m) selama lebih dari 60 detik dapat merusak mata dan dapat menyebabkan iritasi kulit. Namun sinar ultraviolet tidak dapat menembus medium padat apapun. Melihat cahaya UV melalui kaca transparan tidak mempengaruhi mata atau tubuh manusia.

2. Material dan perangkat sensitif

Plastik lunak sangat sensitif terhadap cahaya ultraviolet. Plastik lunak biasanya digunakan dalam mainan dan pembungkus makanan. Oleh karena itu perangkat tidak dapat digunakan di toko mainan, supermarket, dan di tempat di mana barang-barang di atas tersedia. Namun, lampu UV dapat digunakan untuk membersihkan lantai area-area tersebut.

3. Kemampuan digunakan di rumah sakit

Di lingkungan rumah sakit, cahaya UV membantu membersihkan permukaan sentuh tinggi dalam waktu sangat singkat. Namun efektivitas cahaya UV untuk peralatan medis dan obat harus dipertimbangkan dalam skenario ini.

Peralatan medis dengan enclosure plastik terbuat dari plastik keras karena mereka melalui perawatan radiasi selama proses manufaktur. Selain itu, tidak ada efek terbukti untuk efektivitas cahaya UV untuk obat yang disimpan di rumah sakit.

Selain itu, semua peralatan medis stainless steel dan masker N95 dapat diesterilkan menggunakan perangkat yang sama.

4. Efektivitas untuk area berlindung

Cahaya ultraviolet memantul dari permukaan sama seperti cahaya terlihat. Oleh karena itu, area yang tidak menerima cahaya UV langsung, menerima cahaya UV yang dipantulkan. Namun, area yang sangat tertutup atau berlindung tidak menerima cahaya UV yang efektif. Area ini juga tidak dibersihkan dengan metode pembersihan berbasis cairan.

5. Pertimbangan lainnya

Cahaya UV menghasilkan Ozon saat bekerja di lingkungan tertutup untuk waktu yang lama. Sebagai praktik umum, semua lingkungan tertutup diventilasi selama 20 menit setelah diesterilkan oleh lampu UV.

Kode

Kode untuk Arduino Mega

https://github.com/tharindusuraj/Ultraviolet-Germicidal-Robot

Skematis

uv-x_Q9R5T59Q32.fzz