摘要：本研究针对后疫情时代核酸检测中人力投入大、接触风险高等问题，设计了一款基于智能识别的咽拭子自动呈递一体机，该设备通过集成信息采集模块与物料发放系统，实现健康码识别、数据录入、咽拭子及采集管自动发放等功能，有效减少人力依赖，降低交叉感染风险，提升检测效率，项目结合机械设计与物联网技术，为常态化核酸检测及类似公共卫生场景提供了可行的自动化解决方案。关键词：智能识别；咽拭子；自动；呈递；一体机

引言：新冠疫情暴发以来，核酸检测成为防控的重要手段，但常态化检测过程中的人力密集操作存在效率低、接触风险高等问题。以杭州市 48 小时常态化检测为例，登记、扫码、发放咽拭子等环节需重复投入人力，易导致疲劳且增加病原接触概率。为此，本研究提出咽拭子自动呈递一体机，通过智能识别与自动化技术，优化检测流程，减少人为干预，为未来突发公共卫生事件中的检测工作提供技术储备与实践参考[1]。

一、基于智能识别的咽拭子自动呈递一体机设计目标与意义

本设备致力于解决当前核酸采样流程中的关键痛点，实现对个人健康码或身份信息的自动化识别，以及对相关数据的实时快速处理。设备将根据识别结果，准确、自动地发放对应的咽拭子采样管，确保每一位受检者都能及时获得匹配的采集工具。同时，为有效管理现场秩序并减少人员聚集接触的风险，设备特别设置了指引模块。清晰的LED显示屏将动态展示当前队列中的等待序号，便于受检者了解自身位置与进度，系统会在每组的起始环节智能识别首位人员抵达状态，并自动触发音响系统发出明确语音提示“请取管”，引导该组成员领取采样管，这种“按组提示”的方式极大简化了工作人员频繁呼叫的负担，有力促进了采样点的流程顺畅运转。从技术实现角度看，本项目成功地将精密可靠的机械结构设计与现代物联网技术紧密结合，机械执行机构确保了采样管发放的准确性与速度；物联网技术则实现了数据的云端交互、设备状态远程监控及关键节点的智能语音联动。项目的推广应用具有重要的现实价值，一方面，能够有效缓解核酸采样点普遍面临的人员紧缺压力，将工作人员从繁琐的扫码、分发、叫号等重复性任务中解放出来，使其专注于采样核心操作与现场疏导。另一方面，自动化操作最大限度减少了人员间的直接接触和共用物品的传递环节，降低了潜在的交叉感染风险，为公共卫生安全提供了更强有力的技术保障[2]。

二、基于智能识别的咽拭子自动呈递一体机系统结构与工作机制

本方案设计了一款高度集成化的咽拭子自动呈递一体机，该系统采用模块化设计理念，主要包含两大核心组成部分：信息采集模块和物料自动发放系统。

图1 基于智能识别咽拭子自动呈递一体机系统结构图

(-) 信息采集模块

作为自动化流程的启动端，该模块采用工业级高分辨率光学成像单元作为核心传感器。其具备动态焦距调整与低光照补偿能力，可稳定捕获移动状态下出示的健康码、学生证或身份证等凭证图像。成像单元与边缘计算设备直连，通过轻量化AI模型实现毫秒级识别——首先定位凭证边界并校正透视畸变，随后提取二维码/文字区域进行深度解析。识别成功后生成加密数据包传输至主控系统，同步触发三项关键操作： ① 在后台数据库创建包含时间戳、身份ID的检测记录； ② 向排队管理单元发送增量计数指令； ③ 预启动物料发放机构的待机程序。当发生凭证模糊、信息缺失等异常时，模块会通过红色指示灯与特定蜂鸣音提示重试，同时冻结排队计数直至获取有效数据，该模块通过双重防呆设计（物理遮光罩抗环境光干扰+软件校验位防误读）确保识别准确率[3]。

（二）物料自动发放系统

物料自动发放系统是咽拭子自动呈递一体机的关键执行单元与物理输出端口，负责接收来自主控系统的指令，通过与用户的实时交互提示以及高度可靠的物料输送与分发，实现咽拭子、采集管的精准、自助化发放。

1 用户提示单元：实时、清晰的人机交互枢纽

用户提示单元是设备与受检人员进行沟通的核心界面，其设计直接影响用户体验和流程顺畅度，该单元主要由LED数字显示屏和音响设备组成，LED显示屏通常采用高亮度、高对比度的面板，确保在各种光照环境下内容清晰可见。其主要功能是实时显示动态更新的队列信息，包括当前已核验身份并加入队列的总人数，以及该受检人员所在临时组（通常预设为每组20 人）的序号。这些信息由主控单片机系统根据信息采集模块的识别结果进行实时计算与推送。更为关键的是，当信息采集模块连续识别满足预设组人数（如 20 人）时，主控系统会立即触发音响设备。音响设备播放预先录制或合成的高清晰度语音提示（如：“第XX号组的人员请注意，请到XX号窗口或发放口领取核酸采集管”）。这种“屏幕显示+语音播报”的双重提示机制，显著增强了信息的到达率与确认度，有效避免了因环境嘈杂或人员走动导致的通知遗漏，确保组内首位人员能够及时知晓并开始领取关键物料（采集管），从而顺利启动采样流程[4]。

2 物料呈递机构基础与咽拭子精准发放机制

物料呈递机构是整个发放系统的核心物理执行部分，其设计和运作可靠性决定了设备的核心功能实现。针对两种截然不同的物料（细长的咽拭子和管状的采集管），系统采用了差异化的输送设计。首先聚焦于咽拭子发放：鉴于标准咽拭子个体长约 15cm、质地相对柔软且需保持无菌状态，设计选用了传动带式输送机构作为核心输送方案。该机构由特制的、表面防滑且易清洁的食品级皮带、高精度驱动滚轮、导向托辊及可调速步进电机组成。主控单片机系统精确控制步进电机的步进角度与运行速度，从而驱动精密滚轮带动传动带做间歇式运动。单支咽拭子被有序地从上游储备仓中提取并平放在传动带上。传动带按预定程序运行一个固定距离（通常稍长于单支咽拭子长度），将咽拭子准确定位到设备侧面的物料发放口。发放口的设计注重卫生与便捷，通常为带有防尘帘或单向门的开口。到达发放口的咽拭子会通过传感器确认位置，设备状态灯亮起提示可取。受检人员无需接触设备内部，只需在语音或屏幕提示下，自行从发放口抽出咽拭子即可。该过程最大程度地隔绝了操作人员与待使用耗材的直接接触，保障了卫生安全并提高了操作效率[5]。

3 采集管智能化输送、定位与身份绑定

针对采集管（规格约为：外径(14.8±0.2)mm×高(100.5±0.4)mm）的输送与发放，系统面临精准定位、连续供给与信息绑定的多重需求。为此，设计了环形传送装置（亦可理解为环形轨道输送系统）。该装置核心是一个带有特定凹槽（形状尺寸匹配采集管）的闭合环形轨道（可能采用同步带、导轨等）。驱动电机同样受主控单片机精确控制。系统的主要运行逻辑如下：(1)精准输送：采集管被逐一从储备区有序推入环形轨道上的工位（凹槽），环形轨道作间歇性旋转运动，每次移动一个工位的距离，确保每一支采集管都能被顺序、稳定地运送到精确设定的物料发放口。(2)自动循环与连续作业：环形轨道的闭合特性是其核心优势。当一个工位上的采集管被取走（由安装在发放口的传感器感知），该空位在环形轨道转动过程中，会自动回到靠近储备仓的填充位置，等待接收新的采集管，从而无缝实现循环补给与连续作业，大大提升了设备运行的连贯性与整体效率。(3)关键信息绑定（防混淆）：为确保检测样本的追溯性，尤其是在“混采”模式下避免样本混淆，系统在采集管离开储备仓进入环形轨道（或即将到达发放口）之前，设有条码扫描模块（通常为高灵敏度的固定式扫描器）。当采集管经过该扫描点时，其管身预贴的唯一识别条码（或二维码）被立即扫描。扫描成功的信息（即采集管唯一顺序编号）实时上传至主控系统，并与先前在信息采集模块完成身份核验的受检人员信息进行准确关联绑定。这一绑定操作是混采准确性的根本技术保障。

4 大容量储备与智能化物料供给关键技术

为满足大规模核酸检测现场高流量、长时间运行的需求，并有效减少人工干预和补给频次，物料自动发放系统配备了大容量储备仓。该储备仓分别用于存放咽拭子和采集管，容量设计远大于单次连续放行的物料数量（例如支持数百乃至上千份耗材）。然而，物料（特别是长条状、形状不规则的咽拭子）在大量无序堆叠状态下，极易在补给口或输送路径上产生缠绕、卡滞或供给中断问题，成为系统可靠性的重大挑战。为解决这一痛点，系统在物料储备环节进行了创新设计，引入了筛形整理装置（或称为物料姿态矫正/定向整列机构）。该装置通常位于储备仓的底部或出料口前端，其核心原理是：利用特定几何形状的筛网、倾斜排列的筛孔、振动器或柔性梳理构件等，对堆叠杂乱的咽拭子（或采集管）进行筛选、整理、定向处理。通过物理结构的约束与引导，该装置能够高效地将无序状态下的咽拭子“理顺”，使之逐一地、管柄方向一致地落入后续的传送带入口，或将采集管按预设方向整齐地排列供给到环形轨道的填充口。这一智能化整理过程是保障咽喉拭子和采集管在输送通道内顺畅流动、无卡滞的基础，是整个发放流程能够长时间稳定、可靠、连续进行的关键技术保障，避免了因物料混乱导致的设备停机，显著提升了整体的运行效率与用户体验。

5 系统协同与主控逻辑：数据驱动下的全流程自动化

整个物料自动发放系统的运行绝非独立行为，其核心在于与信息采集模块和主控单片机系统实现无缝协同、数据驱动。主控系统扮演着“大脑”的角色：(1)信息同步：一旦信息采集模块成功识别一个身份信息并验证通过，该身份信息立刻存入后台数据库的待处理队列，主控系统同时更新LED屏显示的队列人数和组信息。(2)逻辑判定与指令触发：核心触发点是预设分组人数的满足。此时，主控系统立刻同步进行两项关键操作：一方面，向音响设备发出指令播放特定组号的语音提示；另一方面，向环形传送装置的控制单元发出信号，启动该组第一人对应的采集管的输送及条码绑定流程。当首位人员取走该采集管后，系统通常会预设一个时间间隔，自动启动为下一位分发咽拭子，或根据绑定信息进行下一支采集管的准备。(3)状态监控与安全保障：主控系统通过遍布各关键节点的传感器实时监控设备运行状态，异常情况能立即通过LED屏显示错误代码、发出警告音或通过网络上传后台告警，以便维护人员及时处理。这种基于队列信息、身份信息、物料状态信息以及预设逻辑规则的高度协同，最终实现了从“身份验证通过”到“物料精准领取完成”这一端到端的全流程自动化闭环管理。

三、技术难点与创新

物料自动发放系统在实际落地应用中将不可避免地面对一系列技术挑战，首要难点在于高并发数据处理能力的构建。特别是在人员密集的高峰期，系统需要并行处理来自多个信息采集点的实时数据流，这要求系统不仅具备瞬时接收并初步核验大量人员信息的能力，更要与后台的分组计数、物料发放指令生成等核心逻辑紧密结合。单片机系统需要极高的处理效率或需辅以边缘计算节点的支持，以确保在瞬时人流量激增时信息不丢失、计数准确、显示更新及时，避免因处理延迟导致队列堵塞或发放指令错乱。第二个关键瓶颈是实现与第三方检测机构的无缝数据对接。检测完毕后，该组采集管上的唯一标识条码及关联的人员分组信息必须能高效、准确地传输至指定的检测实验室信息管理系统（LIMS）。需要系统内部具备完善的数据整合能力（将采集过程信息与物理试管绑定），克服不同机构间系统接口标准不一、数据格式差异等技术壁垒，设计健壮的自动化传输机制，减少人工手动二次录入带来的出错可能性和时耗。在硬件操作层面，保障物料连续稳定输送亦是核心挑战。系统需要24 小时不间断运行，咽拭子细长易缠绕，采集试管管帽精密（外径15.8±0.15mm）且需严格保持方向和条码可扫描姿态。如何在高速、长时间运转下，通过筛形进料装置与大容量储备仓保证物料有序进入传送系统，并通过滚轮传送带（咽拭子）和智能环形传送装置（试管）实现零卡顿、零方向偏移的精准投放，对机械设计的可靠性、材料耐磨性及传感器的精度提出了极高要求。这关乎系统运行的持续性和用户体验。与此高度相关的第四点难点是人流量智能调控。系统虽不能主动干预来人数量，但在功能设计上需要考虑如何适配不同流量压力下设备的稳定表现。例如，当检测人员密度骤然增大或锐减时，如何动态调节发放逻辑和传送机构的节奏，避免过载运行或能源浪费，同时维持操作流畅。

针对这些挑战，系统的创新亮点显著体现为深度集成与场景适配，其核心创新在于将传统上割裂的人员信息录入、核验分组、试管绑定、物料发放等环节整合进一套高效、自动化的一体化处理流程。用户信息一旦录入，后续的分组计数、满组提示、物资定点发放、数据绑定与传输等均通过系统内部逻辑自动完成闭环，提升了流程标准化与效率。为提升系统的环境适应性与能效比，设计融入了多工作模式智能切换机制（节电、均衡、狂热）。在无人状态或低流量阶段（如深夜），节电模式能显著降低设备待机功耗。均衡模式则适用于常规流量，维持各模块在最佳性能与能耗的平衡点运行。当检测点面临巨大压力、人流量骤增时，系统能自动优化资源调用，优先保障核心数据处理、发放速度与稳定性，例如短暂提升信息处理优先级、适度加快传送带速度以应对需求洪峰，在极端情况下确保流程不中断。这种弹性设计极大地提升了系统在不同规模检测任务中的实用价值。此外，系统的高度可扩展性是其重要的推广应用基石，在校园场景下开发并验证的设计理念，如模块化的硬件结构、可灵活配置的分组策略、适应不同电源环境等，使其能够相对便捷地调整部署模式，拓展应用于社区常态化核酸检测站、企业集中监测点乃至流动性极强的临时检测方舱或移动检测车，基于场景深刻理解的可扩展性和适应性，正是该自动化物料发放系统区别于零散方案的核心竞争力所在，拥有广阔的推广应用前景和降低社会整体检测成本的潜力。

结语：

咽拭子自动呈递一体机通过智能识别与自动化技术，有效解决了核酸检测中的人力依赖与接触风险问题，为常态化疫情防控提供了高效、安全的技术支持。未来，通过进一步优化数据协同与机械结构，该设备可在流感筛查或其他公共卫生场景中发挥更大作用，体现工程技术在社会应急响应中的实用价值。

参考文献：

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[3]郑伟.计算机人工智能识别技术及其应用[J].信息与电脑(理论版),2021,33(12):169-171.

[4]周卓立.智能AI高清车牌识别一体机.四川省,成都臻识科技发展有限公司,2020-09-1

[5]程健清.塑料包装瓶回收机构设计及智能识别系统研究[D].湖南大学,2国家级大学生创新创业训练计划资助项目，202410356039