聶文鵬 朱寶全 張問龍 郭炬?zhèn)?趙 陽 黃 洋

（東北林業(yè)大學交通學院，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 研究背景

隨著社會的發(fā)展以及人們環(huán)保意識的提高，越來越多的人選擇乘坐公共交通出行。因此，應該對由汽車車內(nèi)污染所引起的健康問題進行深入研究，尤其是在疫情狀況下，公共汽車因其人員聚集的特點而帶來的車內(nèi)感染問題備受關注。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)霧化消毒機置[1]以及王繼鑫研究的一種二氧化氯擴散器[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，會影響光催化劑消毒的效果；負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 設計原理

1.1 設計思路

通過對現(xiàn)有公交車消毒系統(tǒng)進行分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有產(chǎn)品存在以下2 個缺點：1）消毒系統(tǒng)需要人工啟停。在該過程中，會對操作人員的健康造成一定的影響，且無法實現(xiàn)智能控制。2）當有人員在消毒過程中進入車內(nèi)時，消毒系統(tǒng)無應急反應。

因此，公交車消毒系統(tǒng)應滿足以下3 個要求：1）消毒系統(tǒng)應根據(jù)公交車的運營周期選擇相對固定的空余時間進行消毒，并能在周期變動時，智能地調(diào)整工作時間或根據(jù)駕駛人員的主觀要求人為地改變系統(tǒng)的工作時間（其工作時間包括裝置啟動時間和裝置工作時長）。2）考慮到在工作過程中，由于消毒液體或氣體超過一定標準時，會對人產(chǎn)生傷害以及對物件產(chǎn)生侵蝕，因此需要對消毒裝置所放出的氣體或液體進行檢測。同時，當消毒過程中出現(xiàn)人員誤闖時，系統(tǒng)應立即停止工作，并給予提示，待人員離開后繼續(xù)工作。3）消毒系統(tǒng)應該為一個整體，使安裝和檢修更加方便，且使公交車原有線路與管路不會出現(xiàn)較大的改變。

1.2 數(shù)據(jù)分析

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

對蕪湖市公交車內(nèi)非空氣微生物的檢測結果顯示，在檢測的 188 個樣品中，超出標準的有 14 個，超標率為 7.4%。對車內(nèi)空氣微生物檢測結果顯示，在檢測的78 個樣品中，超出標準的有 4 個，超標率為 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，該設備的主要消毒對象應該為橫（豎）扶手桿，其次為吊環(huán)拉手，最后為座椅靠背扶手。因為主要的消毒對象集中在車廂的上部，所以該設備可以采用頂部布置的結構。

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

表2 不同運行時段車內(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)，可以將對車內(nèi)進行消毒的時間確定在中班車和晚班車運行結束后。但是根據(jù)實際情況來看，對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)消毒的時間可以定為每次運行結束后對主要污染區(qū)進行快速消毒以及每天晚上運行結束后進行 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，說明乘車后確實受到了污染。手部檢出致病菌，一方面說明確實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，對車內(nèi)進行消毒是十分有必要的。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)設計流程

該文設計了一種主要應用于城市公共汽車的基于單片機與手機控制的車內(nèi)復合式消殺系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括消毒液存儲與泵給模塊、系統(tǒng)運行判斷模塊、消毒模塊、應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]與臭氧消毒相結合的方式。消毒液噴灑裝置完成對車廂內(nèi)主要污染區(qū)表面進行快速消毒；臭氧消毒裝置主要在運行結束后對車內(nèi)進行全面消毒。為了實現(xiàn)噴灑面積的最大化，采用噴頭擺動和沿一定軌道移動的方式進行消毒，同時為了加快消毒液的蒸發(fā)，在噴頭處采用霧化裝置。由于上述所有設備均需要12 V 的電壓進行驅動，而單片機自身的輸出電壓最高只有5 V，因此采用繼電器實現(xiàn)對噴灑裝置的硬件控制。

2.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)在相應的控制方式下，符合預定工作條件后，開始消毒工作。在工作時間內(nèi)，消毒模塊正常運行。單次運行結束后，噴灑模塊進行消毒液的噴灑；單日運行結束后，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，感應探頭檢測是否有人員存在，并在達到應急條件時做出規(guī)定的應急反應，保護人員。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App 經(jīng)Wi-Fi或藍牙模塊連接設備（以下主要介紹藍牙連接），人員可以在車外通過手機對消毒工作的啟停進行控制。2）通過單片機的內(nèi)置程序，依據(jù)車輛運行時間提前設定的準許消毒時間對消毒工作的啟停進行控制。

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

2.2.2 系統(tǒng)預定工作條件

系統(tǒng)的運行主要依靠3個因素：1）單片機通過引線連接的時鐘模塊實現(xiàn)計時的功能，當?shù)竭_內(nèi)置程序規(guī)定的準許消毒時間時，第一個條件達成。2）如果手機沒有對設備的工作進行干預，那么第二個條件達成（如果在單片機未到達內(nèi)置程序規(guī)定的準許消毒時間時，手機操控設備開始工作，那么第、二個條件達成）。3）如果感應探頭監(jiān)測到車內(nèi)沒有人員存在時，那么第三個條件達成，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，噴灑模塊由步進電機、固定在步進電機輸出軸端的霧化噴頭和移動滑軌組成，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)地將消毒液轉化為消毒噴霧噴出，進行液體消毒工作。2）步進電機帶動霧化噴頭在規(guī)定的角度內(nèi)往復擺動，增大消毒噴霧覆蓋面積。3）移動滑軌通過X軸、Y軸方向上步進電機的順次工作，帶動霧化噴頭在限定的工作軌跡內(nèi)往復運動，進一步增大消毒的覆蓋范圍（移動滑軌的長度可以根據(jù)具體車內(nèi)空間的大小進行定制）。

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，在臭氧濃度達到規(guī)定的閾值之前持續(xù)工作。當臭氧濃度超過規(guī)定的閾值時，臭氧濃度傳感器會向主單片機發(fā)出信號，使臭氧發(fā)生器停止工作，從而保證臭氧濃度在規(guī)定的消毒工作時間內(nèi)保持在有效消毒的濃度范圍內(nèi)（整個消毒過程中，LCD 顯示屏持續(xù)顯示臭氧的濃度，方便人員對其進行監(jiān)測）。為了精確控制臭氧濃度，該裝置采用模糊PID 控制，單片機將臭氧濃度傳感器的電信號處理為閾值為40 的臭氧濃度信號[6]，將每個時刻的臭氧濃度E和每個時刻與前一時刻的臭氧濃度差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 個參數(shù)與E、EC之間的關系，在該裝置工作的過程中，根據(jù)模糊控制原理，單片機不斷對P、I以及D3 個參數(shù)進行在線修改以滿足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、靜態(tài)性能。

2.2.5 應急處理模塊

應急處理模塊主要由感測探頭、語音提示模塊構成。在消毒工作時間內(nèi)，感測探頭會持續(xù)檢測消毒范圍內(nèi)是否有人員進入，當有人員進入時，感測探頭會向單片機發(fā)送指令，使其停止消毒模塊的工作，并同時發(fā)出語音提示，實現(xiàn)對人員的保護功能。

2.3 過程編程控制

該系統(tǒng)采用工控系統(tǒng)和藍牙模塊進行控制，工控系統(tǒng)設主、副2 個單片機。

2.3.1 工控系統(tǒng)

2.3.1.1 主單片機編程內(nèi)容

主單片的編程內(nèi)容主要涉及6 個方面，具體如下：1）連接時鐘模塊。通過對時鐘模塊的初始化，實現(xiàn)計時功能，從而可以通過程序編程完成對工作開始時間、結束時間的定時設置。2）連接藍牙模塊。通過內(nèi)部程序的編寫，實現(xiàn)與手機藍牙的連接。3）連接副單片機、臭氧發(fā)生器電源控制器。分別控制副單片機和臭氧發(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，實現(xiàn)對消毒開始時刻車內(nèi)人員有無的監(jiān)測、消毒過程中是否有人員誤入的監(jiān)測以及相應的應急反應操作。5）連接臭氧濃度傳感器和LCD 顯示屏。實現(xiàn)對車內(nèi)臭氧濃度的反饋調(diào)節(jié)和實時顯示。6）連接語音提示模塊。實現(xiàn)對裝置所處狀態(tài)的播報以及在消毒過程中有人員誤入時進行語音提示。

2.3.1.2 副單片機編程內(nèi)容

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

2.3.2 藍牙模塊

藍牙模塊通過手機藍牙與手機App 配對連接，實現(xiàn)手機對系統(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，該項目運用單片機內(nèi)置程序通過手機藍牙與手機App 連接的方式對裝置進行聯(lián)合控制，實現(xiàn)對設備的智能化操控。同時通過各傳感器反饋的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在消毒過程中對裝置的閉環(huán)控制。2）臭氧和消毒液的復合消毒，提高了消毒效率，同時在消毒時避免了人與車內(nèi)環(huán)境的直接接觸，對防疫有積極的意義。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。安置在導軌上的噴頭在消毒過程中會自動調(diào)節(jié)角度，增大了噴灑范圍，提高了消毒效率。

4 結語

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。針對這一問題開展的車內(nèi)智能復合消毒裝置的設計研發(fā)，全面考慮了裝置的落地性，最終產(chǎn)品的可實用性強。不僅對消毒方式進行了復合，而且在控制方式上也有所創(chuàng)新，同時也提高了對人員的保護力度。該裝置主要應用在城市公交車上，因其對疫情之下的公共衛(wèi)生安全有很大的現(xiàn)實意義，所以前景廣闊，同時可進一步推廣至出租車及城市軌道交通領域。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。