Умное устройство для дезинфекции масок UV-C и теплом: Управление Arduino

Компоненты и расходные материалы

Seeed Grove — ИК-датчик температуры	×	1
Arduino UNO	×	1
Seeed Base Shield V2	×	1
Seeed Grove — Датчик освещённости (P) v1.1	×	1
Adafruit Quad Alphanumeric Display — Белый 0.54" с I2C Backpack	×	1
Seeed 12мм куполообразная кнопка	×	1
Пьезо-излучатель (buzzer)	×	1
Seeed Блок питания 12В 1.2А	×	1

О проекте

Устройство для дезинфекции масок

UV-C / тепло, управление Arduino, дезинфекция масок от коронавируса (SARS-CoV-2)

Open Source проект под лицензией Creative Commons BY-NC-SA.

Дисклеймер: Документ подпадает под «Закон о добром самаритянине».

Оригинал: needlab.org/face-masks-disinfection-device

Введение

FFP1 и FFP2 маски — незаменимая защита во время эпидемий. Одноразовые, но в кризис повторное использование неизбежно, нужны методы дезинфекции (1). Больницы используют UVGI (ультрафиолетовое облучение) и/или тепло. Но эти методы недоступны уязвимым группам, где из-за дефицита повторное ношение — единственный вариант. Необходимость усиливается данными: SARS-CoV-2 сохраняет живучесть на поверхности хирургических масок 7 дней (2).

Цель: дешёвое переносимое устройство для эффективной дезинфекции UVGI и сухим теплом, воспроизводимое людьми, которым это нужно.

Инструкция DIY

Схема устройства

• Температура: 65 ± 5 °C
• Лампа: UV-C диапазон
• Цикл дезинфекции: минимум 30 минут (рекомендация: не более 30 мин для избежания деградации маски)

Габариты устройства

Первые тепловые тесты

Изготовление нагревательной системы

• Сковорода 22 см диаметром (для индукции), ручка снята.
• Обклеить фольгой для отражения UV-C.
• В корпусе/днище — отверстие 20 см в центре.
• 4 металлических держателя для фиксации сковороды (см. фото).

Важно: Сковорода не должна касаться дерева корпуса — падает эффективность. Подберите диаметр отверстия и согните держатели по схеме:

Изготовление верхней крышки

UV-C система

Источник UV-C: 11 Вт лампа из набора «Стерилизатор для аквариума». Лампа извлечена и закреплена на крышке по концам. 4 отверстия в крышке, хомуты/вязки с мягкой прокладкой. Верхняя поверхность оклеена фольгой для отражения.

Можно использовать другую UV-C лампу. Не используйте стекло вместо кварцевой колбы — стекло блокирует UV-C.

⚠ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ

UV-C излучение ОЧЕНЬ ОПАСНО для глаз и кожи. Лампа должна быть ВКЛЮЧЕНА ТОЛЬКО ПРИ ЗАКРЫТОЙ КРЫШКЕ и ВЫКЛЮЧЕНА при открытом устройстве.

Важное дополнение от Horror Coder (комментарии):

«Невидимая опасность UVC: коробка должна быть СВЕТОНЕПРОНИЦАЕМОЙ. Видимое свечение — лишь 3–4% от излучения, не доверяйте глазам. Проверьте герметичность: положите внутрь мощный фонарик (10× мощность лампы) и в полной темноте ищите утечки света. Загерметизируйте все отверстия, используйте пенопласт/прокладки, проверяйте описанным методом.»

Оклеивание поверхностей фольгой

Перед установкой UV-C трубки и решётки оклейте боковины и крышку фольгой (двусторонний скотч, края — скотч). Цель — отражение UV-C на боковые грани для большей эффективности.

Изготовление проволочной решётки для масок

Маски ложатся на решётку. Сделал из медной проволоки (30 мм шаг). Высота 120 мм от дна. Проволока проходит через отверстия в передней и задней стенках.

Настройка Arduino и датчиков

Обзор Arduino

Список материалов (BOM)

• Arduino UNO Rev3 — Seeed
• Grove Base Shield V2 — Seeed
• Grove ИК-датчик температуры — Seeed
• Grove Датчик света (P) — Seeed
• Кнопка 12мм — Seeed
• Пьезо-излучатель — Gotronic
• 4-разрядный дисплей I2C (Adafruit 0.54") — Adafruit
• Блок питания 12В 1.2А — Seeed

Датчики температуры и света

См. также: Benchmarking of temperature sensors for Arduino

Логика управления Arduino

INIT: На дисплее температура. Ожидание достижения порога (70 °C) для перехода в COUNT.

COUNT: Обратный отсчёт минут (30→0) рядом с температурой. Если температура падает или UV гаснет — переход в ERR.

END: Нормальное завершение. Звуковой сигнал. Кнопка → INIT.

ERR: Ошибка (низкая температура или нет UV). Звуковой сигнал. Кнопка → INIT.

Аварии (звук + сообщения на дисплее):

1. Состояние ERR (UV погасло или температура низкая)
2. Перегрев > 75 °C

Исходный код для Arduino

pastebin.com/zgK7zfMh

Внешние библиотеки:

• Adafruit_LEDBackpack.h — Adafruit
• Metro.h — GitHub

Руководство пользователя

1. Поставьте коробку на индукционную (или ТЭНовую) плиту.
2. Включите питание Arduino.
3. Закройте крышку, нагрев 70–80% мощности.
4. Дождитесь 60 °C, снизьте мощность до 30%.
5. Откройте, положите маски, закройте.
6. Нажмите кнопку → старт (дисплей: 30 минут).
7. Ждите обнуления таймера → звуковой сигнал.
8. Для нового цикла нажмите кнопку снова.

Примечание: В режиме COUNT точка между таймером и температурой мигает 1 раз в секунду.

Температурные циклы

Тепловая инактивация вирусов

Свойство влажного тепла (<100 °C) убивать микробы известно со времён Пастера. Здесь — сухое тепло, эффективно против SARS-CoV. Исследования: значительная инактивация при 56 °C за 30–90 мин, почти полная при 65 °C за 20–60 мин, полная при 75 °C за 30–45 мин (7, 8). Недавнее исследование: SARS-CoV-2 теряет инфекционность после 56 °C / 30 мин или 70 °C / 5 мин (2).

Исходя из данных и влияния на фильтрующие свойства масок, протокол: 65 °C в течение 30 мин.

Протоколы дезинфекции масок

Данные по дезинфекции именно масок: грипп (ssRNA, как коронавирусы) — UVGI ~1 Дж/см² (10), UVGI ~18 Дж/см² или влажное тепло 65±5 °C / 3 ч (11). По коронавирусам на масках исследований нет, но эффект ожидается схожий.

Рекомендуемый метод дезинфекции

Важно: персонализация масок, учёт циклов, упаковка. Вдохновляйтесь протоколом Nebraska Medicine: «N95 Filtering Facepiece Respirator UVGI Process for Decontamination and Reuse».

n-95-decon-process.pdf

Заключение

Установлен протокол: 30 мин UV-C + сухое тепло 65±5 °C. Время считается от достижения температуры и интенсивности света. Каждый фактор сам по себе достаточно, вместе — ещё безопаснее.

Меры безопасности

• UV-C вреден для кожи и глаз. Лампа ВКЛЮЧЕНА только при ЗАКРЫТОЙ коробке.
• Осторожно с горячими металлическими частями после цикла.

Дисклеймер

На основе доступных данных протокол, вероятно, устранит почти всю инфекционность SARS-CoV-2 и сделает маски намного безопаснее для повторного использования, чем без дезинфекции. Однако Needlab и команда не несут ответственности за использование устройства. Проектировалось с доброй волей и по лучшим знаниям, но:

Лабораторных тестов по инактивации SARS-CoV-2 этим устройством не проводилось, реальное влияние на фильтрующую способность масок не может быть уверенно оценено заранее. Использование — свободное решение пользователя.

Дальнейшие шаги (V2)

• Увеличение размеров для большего числа масок
• Файлы для ЧПУ и лазерной резки
• 3 варианта нагрева: индукция, электроплита, ИК-излучатель (с PID)
• 2×16 LCD дисплей
• Режимы: Тепло+UV-C, только Тепло, только UV-C
• Выбор датчиков температуры (обзор датчиков)

ИК-излучение и UV-C для уничтожения вируса

Ищем лаборатории для валидации процесса.

Обновление 11 июня: V2 для 12 масок FFP2/N95

Получили приз OPT 1-го места, работаем с университетом в Марокко над локальным производством.

Обновление 2 сентября: V2 на Hackaday:

hackaday.io/project/172189

Команда: Jean Noel Lefebvre, Daniel Moreno, Dr Alejandra Duque, Dr Felipe Gutiérrez Arango, Jason Knight, Maria Isabel Velez Isaza, Sameera Chukkapalli.

#COVID19DetectProtect

Оригинал: needlab.org/face-masks-disinfection-device

Библиография

1. CDC. Recommended Guidance for Extended Use and Limited Reuse of N95... (2019)
2. Chin A et al. Stability of SARS-CoV-2 in different environmental conditions. medRxiv (2020)
3. Tseng C-C, Li C-S. Inactivation of Viruses on Surfaces by UVGI. J Occup Environ Hyg (2007)
4. Hackerfarm. HOWTO: NUKEMETER – Measuring UV-C Light Intensity (2020)
5. van Doremalen N et al. Aerosol and Surface Stability of SARS-CoV-2. NEJM (2020)
6. Kariwa H et al. Inactivation of SARS coronavirus... Jpn J Vet Res (2004)
7. Duan SM et al. Stability of SARS Coronavirus... Biomed Environ Sci (2003)
8. Darnell MER et al. Inactivation of the coronavirus... J Virol Methods (2004)
9. Ansaldi F et al. SARS-CoV, influenza A... resistance against disinfectants and UV (2004)
10. Mills D et al. UVGI of influenza-contaminated N95... Am J Infect Control (2018)
11. Lore MB et al. Effectiveness of Three Decontamination Treatments... Ann Occup Hyg (2012)
12. Lindsley WG et al. Effects of UVGI on N95 Respirator Filtration... J Occup Environ Hyg (2015)
13. Viscusi DJ et al. Evaluation of Five Decontamination Methods... Ann Occup Hyg (2009)
14. Bergman MS et al. Evaluation of Multiple (3-Cycle) Decontamination... J Eng Fiber Fabr (2010)
15. Kampf G et al. Persistence of coronaviruses on inanimate surfaces... J Hosp Infect (2020)

Код

TheBox V1 (C/C++)

/* Author: Jean Noel Lefebvre - www.ootsidebox.fr - march 31th 2020 */
#include <Wire.h>
#include "Adafruit_LEDBackpack.h"
#include <math.h>
#include <Metro.h>

#define LIGHT_SENSOR A2
#define SUR_TEMP_PIN A0
#define OBJ_TEMP_PIN A1
#define BUZZER 3
#define BP 2
#define SEUIL_TEMP 59
#define HIGH_TEMP 75
#define SEUIL_LIGHT 60
#define TIMER 30

float temp_calibration=0;
float objt_calibration=0.000;
float temperature_range=10;
float offset_vol=0.014;
float tempValue = 0;
float objtValue= 0;
float current_temp=0;
float temp=0;
float temp1=0;
float temp2=0;
unsigned int temp3=0;
const float reference_vol=0.500;
unsigned char clear_num=0;
float R=0;
float voltage=0;
long res[100]={ 318300,302903,288329,274533,261471,249100,237381,226276,215750,205768,
 196300,187316,178788,170691,163002,155700,148766,142183,135936,130012,
 124400,119038,113928,109059,104420,100000,95788,91775,87950,84305,
 80830,77517,74357,71342,68466,65720,63098,60595,58202,55916,
 53730,51645,49652,47746,45924,44180,42511,40912,39380,37910,
 36500,35155,33866,32631,31446,30311,29222,28177,27175,26213,
 25290,24403,23554,22738,21955,21202,20479,19783,19115,18472,
 17260,16688,16138,15608,15098,14608,14135,13680,13242,12819,
 12412,12020,11642,11278,10926,10587,10260,9945,9641,9347,
 9063,8789,8525,8270,8023,7785,7555,7333,7118,6911 };
float obj[13][12]={ /* таблица калибровки ИК-датчика */ };

int Light; float Heat; int Timer=0; int Minute=59;
Adafruit_AlphaNum4 alpha4 = Adafruit_AlphaNum4();
Metro ledMetro = Metro(1000);
enum States{INIT, COUNT, END, ERR};
int Automate=INIT;
bool TemperatureOK=false; bool LightOK=false;

void setup() {
  pinMode(BP, INPUT_PULLUP);
  Serial.begin(9600);
  analogReference(INTERNAL);
  alpha4.begin(0x70);
  alpha4.clear(); alpha4.writeDisplay();
  PrintLed(alpha4,"TboX");
  tone(3, 3000, 500); delay(1000);
  Automate=INIT;
}

void loop() {
  static int Point=1;
  float T1=measureSurTemp();
  float T2=measureObjectTemp();
  Heat=T1+0;
  if (ledMetro.check() == 1) {
    #ifndef TEST
    if (Automate==COUNT)
    #endif
    {
      if(Point) Point=0; else Point=1;
      Minute--;
      if(Minute==0) { Minute=59; if(Timer) Timer--; PrintSensors(); }
    }
    if(Automate==END) tone(3, 3000, 100);
    if(Automate==ERR) tone(3, 300, 200);
  }
  #ifdef TEST TemperatureOK=true;
  #else if (Heat >= SEUIL_TEMP) TemperatureOK=true; else TemperatureOK=false; #endif
  Light=analogRead(LIGHT_SENSOR)/10;
  if(Light >= SEUIL_LIGHT) LightOK=true; else LightOK=false;
  if(Heat>=HIGH_TEMP) { tone(3, 300, 200); delay(500); }
  switch(Automate) {
    case INIT:
      Timer=0;
      if((!digitalRead(BP)) && TemperatureOK) { Automate=COUNT; Timer=TIMER; tone(3, 3000, 500); }
      if((!digitalRead(BP)) && !TemperatureOK) { PrintLed(alpha4,"lowT"); tone(3, 300, 200); }
      else PrintLedVal(alpha4,Timer,(int)Heat,Point);
      break;
    case COUNT:
      if(Timer==0) Automate=END;
      if(!LightOK || !TemperatureOK) Automate=ERR;
      PrintLedVal(alpha4,Timer,(int)Heat,Point);
      break;
    case END:
      if(!digitalRead(BP)) Automate=INIT;
      PrintLed(alpha4,"END.");
      break;
    case ERR:
      if(!digitalRead(BP)) Automate=INIT;
      PrintLed(alpha4,"Err.");
      break;
  }
}

void PrintSensors() {
  Serial.print(Timer); Serial.print(", "); Serial.print((int)Heat); Serial.print(", "); Serial.print(100); Serial.println();
}

float binSearch(long x) { int low=0, mid, high=100;
  while (low<=high) { mid=(low+high)/2; if(xobj[temp3][i])&&(voltage

GitHub библиотеки

• Metro-Arduino-Wiring

Схемы

Bluetooth-машинка на Arduino: DIY радиоуправляемый автомобиль Создание четырехногого паука на Arduino: пошаговое руководство