鄭欣宇，宋時雨，葉嘉慧，趙鵬宇，謝欣欣，鄧凱

（大連科技學院 交通運輸學院，遼寧大連，116052）

0 引言

2020 年至今，新型冠狀病毒席卷全球，其傳播途徑廣、變異毒株多的問題使中國乃至世界飽受困擾。在中國，鐵路出行一直是人們出行的主要途徑之一；然而，如何保證列車不被新冠病毒侵略、如何保證人民乘車安全是一個重要問題。于是“列車車廂智能消殺系統(tǒng)”應運而生；該系統(tǒng)以STM32 單片機作為中樞控制系統(tǒng)，其他模塊進行輔助，初步實現(xiàn)了遠程控制紫外線燈組的開/關、實時檢測車廂內(nèi)溫濕度和紫外線強度、實時監(jiān)測車廂環(huán)境等功能。燈光的照射是多角度、全方位的，利用列車夜間維修的時間進行紫外線消毒作業(yè)，能更加有效地殺死多種病毒和細菌，節(jié)約時間且保障了人民安全。

1 系統(tǒng)的整體設計

本項目設計的消殺系統(tǒng)由消毒模塊、顯示模塊和控制模塊組成如圖1 所示，其中消毒模塊由UV-LED 紫外線燈、ML8511 紫外線傳感器、DTH11 溫濕度傳感器和OV2640攝像頭模組等四部分組成；顯示模塊主要顯示監(jiān)控畫面、溫濕度、紫外線強度等；全系統(tǒng)由控制模塊控制開/關，系統(tǒng)整體采用無線傳輸和遠程控制的方式。

圖1 整體設計方案

2 硬件的設計與實現(xiàn)

■2.1 STM32 主控模塊

本系統(tǒng)以STM32 單片機作為主控芯片，其最小系統(tǒng)由存儲器、時鐘復位供電電路、通信接口、下載電路和后備電池等部分構成[1]。STM32 單片機相比其他8 位單片機來說，它具有封裝體積小、算力大、價格低、功能更優(yōu)等特點。

■2.2 傳感器模塊

2.2.1 溫濕度傳感器

由于車廂內(nèi)隱藏線路、設備多且復雜，所以溫濕度傳感器的選擇要在滿足其測量精度的前提下盡量小型化、對車廂危害最低化，最后本系統(tǒng)選用DHT11 型溫濕度傳感器，其測量范圍為5% ～ 95%RH，測量精度為±5%rh，溫度測量范圍為-20.0℃～+60.0℃[2]，測量精度為0.2℃，可以滿足本設計的溫濕度測量范圍及精度要求，并且用一個總線就能與主控芯片相連接并傳送數(shù)字信號。溫濕度傳感器原理圖如圖2 所示，其中VCC 與供電系統(tǒng)相連，DTH 與STM32 單片機芯片2 號引腳連接。

圖2 DHT11 原理圖

2.2.2 紫外線強度傳感器

紫外線傳感器是檢測紫外線照射劑量是否符合殺毒標準的重要部件。將其安裝在紫外線燈管附近，可以較為精準檢測紫外線照射強度，通過無線傳輸將檢測的結果反饋至顯示裝置中，以供系統(tǒng)使用人員判斷是否需要進行硬件更換。本系統(tǒng)采用ML8511 型傳感器，其內(nèi)部配有放大器，可以根據(jù)紫外線的強度將光電流轉(zhuǎn)換成電壓[3]，其原理圖如圖3所示。其中VCC 與3.5V 電源相連，GND 接地，AD 與主控芯片P1 引腳相連，OUT 與主控芯片P2 引腳相連。

圖3 ML8511 原理圖

紫外線強度計算公式如公式(1)。

其中H為照射劑量(J/m2)，S為照射時間(s)，P為燈管的UVC 強度（W/m2）。

■2.3 攝像頭模塊

消毒全過程需實時監(jiān)控，并根據(jù)車廂內(nèi)的消毒情況進行適時調(diào)整，因此攝像頭的選擇需要滿足像素高、成像清晰等要求，本系統(tǒng)選擇了OV2640 圖像傳感器，并基于STM32單機片做了嵌入式拍攝應用系統(tǒng)。

OV2640 攝像頭模塊具有完善的圖像采集和處理功能[4]，其圖像傳感器是低壓CMOS 器件，配合OV2640 模組實現(xiàn)攝像采集，并通過SCI 串口將采集圖像發(fā)送出去，支持QCIF(176×144)，QVGA（320×240），VGA（640×480）等不同像素輸出，最大支持200 萬像素。圖像傳感器OV2640 支持RGB565、JPEG等多種數(shù)據(jù)輸出格式，還可以對采集到的圖像進行補償處理，支持伽馬曲線、白平衡、飽和度、色度等基礎處理[5]。而且OV2640 的高靈敏度適合低照度環(huán)境，它的低電壓特性非常適合開發(fā)嵌入式拍攝應用系統(tǒng)，并且OV2640 可配置為JPEG 格式圖片數(shù)據(jù)輸出，在320×240 分 辨 率 下，JPEG格式圖片大小為4～7KB，以10fps 速率輸出圖像時，其數(shù)據(jù)量也僅為40～70KB/s，視頻圖像質(zhì)量好，占用網(wǎng)絡帶寬小[6]。

■2.4 紫外線燈管的選擇

衛(wèi)生部出臺的《傳染性非典型肺炎醫(yī)院感染控制指導原則》中指出：在無人的環(huán)境中應首選紫外線照射進行空氣消毒。因此本系統(tǒng)選擇在列車夜間修理時，對其車廂內(nèi)使用直接照射法[7]。由于車廂內(nèi)部硬件布置復雜，紫外線燈管的選擇要盡量滿足占用空間少、整體功效達到消毒標準的要求，通過公式(2)計算得出，本系統(tǒng)需選擇120W 的紫外線燈管，并且根據(jù)公式(3)計算得出，按照《消毒技術規(guī)范》（第3 版）規(guī)定，室內(nèi)懸吊式紫外線消毒燈安裝數(shù)量（30W 紫外線燈，在1.0m 處的強度大于70μW/cm2）為平均每立方米不少于1.5W，所以每節(jié)車廂至少需要安裝3 個紫外線燈組。

公式中：P總：車廂內(nèi)所需紫外線消毒燈的功率，W；L：車廂長度，m；X：車廂寬度，m；H：車廂高度，m；N：紫外線燈的安裝數(shù)量；P：每盞紫外線燈的功率，W。

3 系統(tǒng)軟件設計

■3.1 軟件運行流程

STM32 單片機控制器通過8位數(shù)據(jù)總線從OV2640 監(jiān)控模塊獲得圖像數(shù)據(jù)，通過調(diào)用LWIP 協(xié)議棧接口，以TCP客戶端方式連接到服務器，并將圖像數(shù)據(jù)上傳至服務器。開始/關閉程序流程圖如圖4 所示；程序運行會自動讀取車廂內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)，并判斷溫濕度是否正常，若溫濕度過低或過高客戶端都會發(fā)出警報，這時系統(tǒng)并不會停止工作，而且會有一定的消毒效果，警報是為了提示工作人員對車廂溫濕度及時做出調(diào)整，以達到最佳消毒效果；若未及時調(diào)整，適當延長系統(tǒng)工作時間也可達到相應的效果。

圖4 開始/關閉程序流程圖

結束指令發(fā)出后，系統(tǒng)會自動變回初始狀態(tài)，以方便下次操作。同時，本系統(tǒng)關閉程序設有自檢功能，即系統(tǒng)會循環(huán)執(zhí)行關閉指令，直至硬件完全關閉，最后上位機中會顯示出關閉完成信息。

■3.2 軟件顯示界面

上位機顯示界面會有溫濕度以及紫外線強度等相關數(shù)據(jù)，如圖5 所示，頁面下方的開/關按鈕采用多色設計，便于區(qū)分。把DHT11 傳感器獲取的溫濕度數(shù)據(jù)與設定的最佳消毒溫濕度數(shù)據(jù)進行對比，若溫濕度低于或高于最適消毒溫度，上位機顯示界面會出現(xiàn)預警提示，預警界面如圖6 所示，用以提醒工作人員進行適當調(diào)整。

因列車由多個車廂連接構成，需要設多個消毒點，所以軟件界面的燈號和車廂號可自行配置修改，并由下拉頁面進行顯示。

■3.3 圖像處理

本系統(tǒng)采用STM32+OV2640 圖像處理，圖像通過迭代像素閥值，完美實現(xiàn)圖像的二值化，可以通過按鍵更新閥值需求，圖像偵率較高。在數(shù)字圖像處理中一般先將各種格式的圖像轉(zhuǎn)變成灰度圖像，以使后續(xù)圖像的計算量變得少一些，且灰度圖像的描述與彩色圖像基本一致。攝像頭獲取到的圖像為彩色圖像，對其進行灰度化處理，再對灰度圖像進行二值轉(zhuǎn)化[8]，從而獲得二值化的圖像。

綜合考慮處理效果、復雜程度及硬件優(yōu)化，本系統(tǒng)將Box Filter 算法引入到圖像二值轉(zhuǎn)化過程中[9]，使用該算法對監(jiān)控圖像進行處理，具有減小圖像緩存、增大圖像讀寫速率等優(yōu)點，首先根據(jù)公式(4)，以先行后列式的像素點進行計算；

■3.4 通信協(xié)議

本項目的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收采用WiFi 無線傳輸，為了簡化設計，WiFi 輸出時采用固定幀長度方式，可配置，這樣方便接收和解析。另外周期性發(fā)送配置信息，其主要為輸出圖像的分辨率，暫定為2FPS, 可配置，間接性地起到心跳報文的作用。結果信息和圖像輸出的幀率可配置，暫定為2FPS。

4 現(xiàn)狀與前景

紫外線消毒在國內(nèi)外應用比較廣泛且技術相對成熟，而在列車消毒方面，采用此技術的國家是極少或沒有的，因此本系統(tǒng)的設想與實現(xiàn)在消毒和防疫方面是一個新的突破和嘗試。在我國，火車、地鐵等是人民出行的主要方式，有人口流量大、接觸密切等特點，因此車廂環(huán)境的防疫措施更需要完善。本智能消殺系統(tǒng)的設計，考慮到硬件成本、消毒效果、車廂空間及紫外線對人體有害等問題，提出如下解決方案：硬件采用低成本傳感器及紫外線燈管；設置最適消殺溫度及預警提示程序；實物制作簡約化，減少占用空間；采用遠程控制等。

基于成熟的單片機技術及紫外線消毒技術，采用二值化對監(jiān)控圖像進行處理，自動完成環(huán)境監(jiān)測與高溫預警，實現(xiàn)了智能化操作且提高了工作效率，應用前景廣闊。

5 結論

本文通過對整個系統(tǒng)軟硬件的設計及聯(lián)調(diào)，實現(xiàn)了集智能監(jiān)控、智能檢測、智能控制于一體的智能化控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)不僅能應用于列車車廂，在地鐵車廂及其他運營車輛中也可應用。本系統(tǒng)選用的紫外線消毒燈管，經(jīng)過醫(yī)療衛(wèi)生、飲用水消毒等前身行業(yè)的試驗，確有很大的消毒效果。智能消殺系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，將為當下疫情防控做出一定的貢獻。