基于單片機(jī)與手機(jī)控制的公共交通工具內(nèi)部空間的復(fù)合式消殺裝置研究

聶文鵬 朱寶全 張問龍 郭炬?zhèn)?趙 陽 黃 洋

（東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 研究背景

隨著社會(huì)的發(fā)展以及人們環(huán)保意識(shí)的提高，越來越多的人選擇乘坐公共交通出行。因此，應(yīng)該對(duì)由汽車車內(nèi)污染所引起的健康問題進(jìn)行深入研究，尤其是在疫情狀況下，公共汽車因其人員聚集的特點(diǎn)而帶來的車內(nèi)感染問題備受關(guān)注。目前國內(nèi)外部分公交車輛已經(jīng)安裝了空氣消毒裝置，以達(dá)到保障車內(nèi)衛(wèi)生安全的目的。例如方佳欣研制的基于 TRIZ 的車內(nèi)霧化消毒機(jī)置[1]以及王繼鑫研究的一種二氧化氯擴(kuò)散器[2]等。

除此以外，還有紫外線消毒、光等離子消毒以及光觸媒消毒等方式。但是這些消毒裝置的消毒效率和消毒方式存在一些缺陷，例如光催化消毒存在車窗阻隔紫外線的問題，會(huì)影響光催化劑消毒的效果；負(fù)離子消毒存在空氣凈化過程緩慢、殺菌不徹底等問題[2]，因此研制一款高效、便捷且安全的車內(nèi)消毒裝置尤為重要。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 設(shè)計(jì)思路

通過對(duì)現(xiàn)有公交車消毒系統(tǒng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有產(chǎn)品存在以下2 個(gè)缺點(diǎn)：1）消毒系統(tǒng)需要人工啟停。在該過程中，會(huì)對(duì)操作人員的健康造成一定的影響，且無法實(shí)現(xiàn)智能控制。2）當(dāng)有人員在消毒過程中進(jìn)入車內(nèi)時(shí)，消毒系統(tǒng)無應(yīng)急反應(yīng)。

因此，公交車消毒系統(tǒng)應(yīng)滿足以下3 個(gè)要求：1）消毒系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)公交車的運(yùn)營周期選擇相對(duì)固定的空余時(shí)間進(jìn)行消毒，并能在周期變動(dòng)時(shí)，智能地調(diào)整工作時(shí)間或根據(jù)駕駛?cè)藛T的主觀要求人為地改變系統(tǒng)的工作時(shí)間（其工作時(shí)間包括裝置啟動(dòng)時(shí)間和裝置工作時(shí)長）。2）考慮到在工作過程中，由于消毒液體或氣體超過一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，會(huì)對(duì)人產(chǎn)生傷害以及對(duì)物件產(chǎn)生侵蝕，因此需要對(duì)消毒裝置所放出的氣體或液體進(jìn)行檢測。同時(shí)，當(dāng)消毒過程中出現(xiàn)人員誤闖時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)立即停止工作，并給予提示，待人員離開后繼續(xù)工作。3）消毒系統(tǒng)應(yīng)該為一個(gè)整體，使安裝和檢修更加方便，且使公交車原有線路與管路不會(huì)出現(xiàn)較大的改變。

1.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)李萍對(duì)城市公交運(yùn)行過程中清洗消毒對(duì)傳染病預(yù)防的研究[3]及陳玉娟等人對(duì)蕪湖市公交車內(nèi)微生物污染情況的調(diào)查結(jié)果分析[4]得出以下結(jié)論。

對(duì)蕪湖市公交車內(nèi)非空氣微生物的檢測結(jié)果顯示，在檢測的 188 個(gè)樣品中，超出標(biāo)準(zhǔn)的有 14 個(gè)，超標(biāo)率為 7.4%。對(duì)車內(nèi)空氣微生物檢測結(jié)果顯示，在檢測的78 個(gè)樣品中，超出標(biāo)準(zhǔn)的有 4 個(gè)，超標(biāo)率為 5.6%。

城市公交的手扶部位主要是吊環(huán)拉手、橫（豎）扶手桿和座椅靠背扶手。數(shù)據(jù)檢測結(jié)果顯示，橫（豎）扶手桿檢測合格率最低，其次是吊環(huán)拉手，座椅靠背扶手的檢測合格率相對(duì)較高，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 公交車內(nèi)不同手扶部位污染狀況比較[例（%）]

數(shù)據(jù)表明，該設(shè)備的主要消毒對(duì)象應(yīng)該為橫（豎）扶手桿，其次為吊環(huán)拉手，最后為座椅靠背扶手。因?yàn)橹饕南緦?duì)象集中在車廂的上部，所以該設(shè)備可以采用頂部布置的結(jié)構(gòu)。

在全天的運(yùn)營過程中，中班車輛車內(nèi)扶手細(xì)菌總數(shù)和大腸菌群的合格率最低，其次為晚班車輛，早班車輛的對(duì)應(yīng)參數(shù)檢測合格率均最高，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同運(yùn)行時(shí)段車內(nèi)手扶部位微生物污染狀況比較 [例（%）]

經(jīng)過分析可以發(fā)現(xiàn)，可以將對(duì)車內(nèi)進(jìn)行消毒的時(shí)間確定在中班車和晚班車運(yùn)行結(jié)束后。但是根據(jù)實(shí)際情況來看，對(duì)城市公交的消毒無法做到一客一消毒，也不可能一日多次完全消毒。因此，公交車車內(nèi)消毒的時(shí)間可以定為每次運(yùn)行結(jié)束后對(duì)主要污染區(qū)進(jìn)行快速消毒以及每天晚上運(yùn)行結(jié)束后進(jìn)行 1 次全面消毒。

乘客上車前后，手部微生物污染情況也存在明顯的差異，見表3。

表3 乘客乘車前后手部微生物污染狀況比較 [例（%）]

分析表明，上車前后手部微生物污染情況有顯著差異，說明乘車后確實(shí)受到了污染。手部檢出致病菌，一方面說明確實(shí)有部分乘客上車前手部就攜帶有致病菌；另一方面表明，這些乘客有可能通過車內(nèi)的扶手間接地將病菌傳染給他人。這也說明，對(duì)車內(nèi)進(jìn)行消毒是十分有必要的。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

該文設(shè)計(jì)了一種主要應(yīng)用于城市公共汽車的基于單片機(jī)與手機(jī)控制的車內(nèi)復(fù)合式消殺系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括消毒液存儲(chǔ)與泵給模塊、系統(tǒng)運(yùn)行判斷模塊、消毒模塊、應(yīng)急處理模塊以及人體紅外感測探頭（以下簡稱感測探頭）等。

在消毒方面，選用噴灑消毒液[5]與臭氧消毒相結(jié)合的方式。消毒液噴灑裝置完成對(duì)車廂內(nèi)主要污染區(qū)表面進(jìn)行快速消毒；臭氧消毒裝置主要在運(yùn)行結(jié)束后對(duì)車內(nèi)進(jìn)行全面消毒。為了實(shí)現(xiàn)噴灑面積的最大化，采用噴頭擺動(dòng)和沿一定軌道移動(dòng)的方式進(jìn)行消毒，同時(shí)為了加快消毒液的蒸發(fā)，在噴頭處采用霧化裝置。由于上述所有設(shè)備均需要12 V 的電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而單片機(jī)自身的輸出電壓最高只有5 V，因此采用繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)噴灑裝置的硬件控制。

2.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)在相應(yīng)的控制方式下，符合預(yù)定工作條件后，開始消毒工作。在工作時(shí)間內(nèi)，消毒模塊正常運(yùn)行。單次運(yùn)行結(jié)束后，噴灑模塊進(jìn)行消毒液的噴灑；單日運(yùn)行結(jié)束后，臭氧模塊生成臭氧并保持濃度穩(wěn)定在適合的范圍。在消毒過程中，感應(yīng)探頭檢測是否有人員存在，并在達(dá)到應(yīng)急條件時(shí)做出規(guī)定的應(yīng)急反應(yīng)，保護(hù)人員。主要的工作流程如圖1 所示。

圖1 消殺系統(tǒng)工作流程圖

2.2.1 系統(tǒng)控制方式

該系統(tǒng)主要有2 種控制方式：1）通過手機(jī)App 經(jīng)Wi-Fi或藍(lán)牙模塊連接設(shè)備（以下主要介紹藍(lán)牙連接），人員可以在車外通過手機(jī)對(duì)消毒工作的啟停進(jìn)行控制。2）通過單片機(jī)的內(nèi)置程序，依據(jù)車輛運(yùn)行時(shí)間提前設(shè)定的準(zhǔn)許消毒時(shí)間對(duì)消毒工作的啟停進(jìn)行控制。

在2 種控制方式中，手機(jī)控制的優(yōu)先級(jí)高于單片機(jī)內(nèi)置程序控制。

2.2.2 系統(tǒng)預(yù)定工作條件

系統(tǒng)的運(yùn)行主要依靠3個(gè)因素：1）單片機(jī)通過引線連接的時(shí)鐘模塊實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)的功能，當(dāng)?shù)竭_(dá)內(nèi)置程序規(guī)定的準(zhǔn)許消毒時(shí)間時(shí)，第一個(gè)條件達(dá)成。2）如果手機(jī)沒有對(duì)設(shè)備的工作進(jìn)行干預(yù)，那么第二個(gè)條件達(dá)成（如果在單片機(jī)未到達(dá)內(nèi)置程序規(guī)定的準(zhǔn)許消毒時(shí)間時(shí)，手機(jī)操控設(shè)備開始工作，那么第、二個(gè)條件達(dá)成）。3）如果感應(yīng)探頭監(jiān)測到車內(nèi)沒有人員存在時(shí)，那么第三個(gè)條件達(dá)成，消殺系統(tǒng)開始工作。

2.2.3 噴灑模塊的工作流程

在消殺系統(tǒng)開始工作后，主單片機(jī)通過內(nèi)置程序控制噴灑模塊開始工作。

綜上所述，噴灑模塊由步進(jìn)電機(jī)、固定在步進(jìn)電機(jī)輸出軸端的霧化噴頭和移動(dòng)滑軌組成，其工作過程主要表現(xiàn)如下：1）霧化噴頭通過聲波霧化的方式持續(xù)地將消毒液轉(zhuǎn)化為消毒噴霧噴出，進(jìn)行液體消毒工作。2）步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)霧化噴頭在規(guī)定的角度內(nèi)往復(fù)擺動(dòng)，增大消毒噴霧覆蓋面積。3）移動(dòng)滑軌通過X軸、Y軸方向上步進(jìn)電機(jī)的順次工作，帶動(dòng)霧化噴頭在限定的工作軌跡內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步增大消毒的覆蓋范圍（移動(dòng)滑軌的長度可以根據(jù)具體車內(nèi)空間的大小進(jìn)行定制）。

2.2.4 臭氧模塊的工作流程

臭氧模塊主要由臭氧發(fā)生器、LCD 顯示屏和臭氧濃度傳感器組成。

在主單片機(jī)控制繼電器給臭氧模塊接通電源之后，臭氧發(fā)生器開始產(chǎn)生臭氧，在臭氧濃度達(dá)到規(guī)定的閾值之前持續(xù)工作。當(dāng)臭氧濃度超過規(guī)定的閾值時(shí)，臭氧濃度傳感器會(huì)向主單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，使臭氧發(fā)生器停止工作，從而保證臭氧濃度在規(guī)定的消毒工作時(shí)間內(nèi)保持在有效消毒的濃度范圍內(nèi)（整個(gè)消毒過程中，LCD 顯示屏持續(xù)顯示臭氧的濃度，方便人員對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測）。為了精確控制臭氧濃度，該裝置采用模糊PID 控制，單片機(jī)將臭氧濃度傳感器的電信號(hào)處理為閾值為40 的臭氧濃度信號(hào)[6]，將每個(gè)時(shí)刻的臭氧濃度E和每個(gè)時(shí)刻與前一時(shí)刻的臭氧濃度差EC作為模糊PID 的輸入量，并將P、I以及D作為輸出變量，具體如圖2 所示。

圖2 臭氧濃度的PID 模型

為找出P、I以及D3 個(gè)參數(shù)與E、EC之間的關(guān)系，在該裝置工作的過程中，根據(jù)模糊控制原理，單片機(jī)不斷對(duì)P、I以及D3 個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改以滿足E在30 mg/L～50 mg/L、EC在-10 mg/L～10 mg/L 的要求，從而使臭氧濃度的檢測與控制具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。

2.2.5 應(yīng)急處理模塊

應(yīng)急處理模塊主要由感測探頭、語音提示模塊構(gòu)成。在消毒工作時(shí)間內(nèi)，感測探頭會(huì)持續(xù)檢測消毒范圍內(nèi)是否有人員進(jìn)入，當(dāng)有人員進(jìn)入時(shí)，感測探頭會(huì)向單片機(jī)發(fā)送指令，使其停止消毒模塊的工作，并同時(shí)發(fā)出語音提示，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員的保護(hù)功能。

2.3 過程編程控制

該系統(tǒng)采用工控系統(tǒng)和藍(lán)牙模塊進(jìn)行控制，工控系統(tǒng)設(shè)主、副2 個(gè)單片機(jī)。

2.3.1 工控系統(tǒng)

2.3.1.1 主單片機(jī)編程內(nèi)容

主單片的編程內(nèi)容主要涉及6 個(gè)方面，具體如下：1）連接時(shí)鐘模塊。通過對(duì)時(shí)鐘模塊的初始化，實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能，從而可以通過程序編程完成對(duì)工作開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間的定時(shí)設(shè)置。2）連接藍(lán)牙模塊。通過內(nèi)部程序的編寫，實(shí)現(xiàn)與手機(jī)藍(lán)牙的連接。3）連接副單片機(jī)、臭氧發(fā)生器電源控制器。分別控制副單片機(jī)和臭氧發(fā)生器工作的啟停。4）連接感測探頭。通過讀取感測探頭輸出的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)消毒開始時(shí)刻車內(nèi)人員有無的監(jiān)測、消毒過程中是否有人員誤入的監(jiān)測以及相應(yīng)的應(yīng)急反應(yīng)操作。5）連接臭氧濃度傳感器和LCD 顯示屏。實(shí)現(xiàn)對(duì)車內(nèi)臭氧濃度的反饋調(diào)節(jié)和實(shí)時(shí)顯示。6）連接語音提示模塊。實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置所處狀態(tài)的播報(bào)以及在消毒過程中有人員誤入時(shí)進(jìn)行語音提示。

2.3.1.2 副單片機(jī)編程內(nèi)容

副單片機(jī)連接步進(jìn)電機(jī)和限位開關(guān)，控制步進(jìn)電機(jī)按照規(guī)定的次序和限位開關(guān)限定的行程進(jìn)行順次工作，保證噴灑模塊可以按照既定的工作軌跡運(yùn)行，避免出現(xiàn)相互干涉以及超出滑軌行程的問題。

2.3.2 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊通過手機(jī)藍(lán)牙與手機(jī)App 配對(duì)連接，實(shí)現(xiàn)手機(jī)對(duì)系統(tǒng)工作啟停的控制（主要通過控制工作電源的通斷來控制消毒工作的啟停）。

3 創(chuàng)新特色

與以往的車內(nèi)人工噴灑消毒液消毒相比，該裝置主要有以下3 個(gè)特色：1）與現(xiàn)有汽車車內(nèi)普遍采用人工消毒的方式不同，該項(xiàng)目運(yùn)用單片機(jī)內(nèi)置程序通過手機(jī)藍(lán)牙與手機(jī)App 連接的方式對(duì)裝置進(jìn)行聯(lián)合控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的智能化操控。同時(shí)通過各傳感器反饋的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在消毒過程中對(duì)裝置的閉環(huán)控制。2）臭氧和消毒液的復(fù)合消毒，提高了消毒效率，同時(shí)在消毒時(shí)避免了人與車內(nèi)環(huán)境的直接接觸，對(duì)防疫有積極的意義。3）裝置采用吊裝的方式安裝在公交車頂，減少了占用的空間。安置在導(dǎo)軌上的噴頭在消毒過程中會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)角度，增大了噴灑范圍，提高了消毒效率。

4 結(jié)語

現(xiàn)有的公交車人工消毒方式及已研制的車內(nèi)消毒存在一些缺陷，無法有效滿足在疫情下的大眾需求。針對(duì)這一問題開展的車內(nèi)智能復(fù)合消毒裝置的設(shè)計(jì)研發(fā)，全面考慮了裝置的落地性，最終產(chǎn)品的可實(shí)用性強(qiáng)。不僅對(duì)消毒方式進(jìn)行了復(fù)合，而且在控制方式上也有所創(chuàng)新，同時(shí)也提高了對(duì)人員的保護(hù)力度。該裝置主要應(yīng)用在城市公交車上，因其對(duì)疫情之下的公共衛(wèi)生安全有很大的現(xiàn)實(shí)意義，所以前景廣闊，同時(shí)可進(jìn)一步推廣至出租車及城市軌道交通領(lǐng)域。在未來的共享交通方面，該消毒系統(tǒng)也可以發(fā)揮十分重要的作用。