基于物聯(lián)網(wǎng)技術的城市公共交通智能感應殺菌系統(tǒng)研究★

陳立新

（酒泉職業(yè)技術學院， 甘肅 酒泉 735000）

引言

交通作為興國之要、強國之基，在交通強國背景下，大數(shù)據(jù)、智能化、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等前沿信息技術為智慧交通發(fā)展做出了卓越貢獻。隨著我國城市公共交通運輸業(yè)的迅速發(fā)展和健康意識的提高，尤其是快速大運量公共交通系統(tǒng)給人們的出行帶來了極大的便利。大量研究表明，空氣是大部分疾病傳播的主要載體。目前市場上大部分公共交通均為封閉乘車環(huán)境，極大地減少了空氣流通的機會，勢必會增加乘客之間的傳播風險，給乘客帶來極大的困擾。此外，人們在乘坐過程中將會在車廂內(nèi)部、座位、把手等部位聚集灰塵、水分及其他物質，這些物質成為微生物滋生的溫床，極易造成車廂內(nèi)空氣混濁、異味和細菌超標，嚴重影響人體健康和乘車體驗。針對上述問題，急需從根本上解決現(xiàn)有城市公共交通車廂內(nèi)空氣殺菌問題，為乘客營造舒適的乘車環(huán)境。

1 研究背景

數(shù)字交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃明確指出，要以數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化為主線，讓先進信息技術賦能交通運輸高質量發(fā)展，為物聯(lián)網(wǎng)技術在智慧交通領域的發(fā)展提供了廣闊的平臺，在“云物大智”時代，“云”上生活正在逐漸成為主流生活方式，智慧交通必將成為智慧城市建設的大背景下逐漸興起的支柱產(chǎn)業(yè)。

隨著人們環(huán)保意識的增強和綠色交通理念的提出，綠色低碳出行受到了人們的青睞，快速大運量公交通系統(tǒng)給人們出行帶來了極大的便利。據(jù)中國旅游研究院和中銀證券統(tǒng)計，2021 年五一假期游客出行方式主要集中在自駕、高鐵、飛機、長途汽車和普通火車等（見圖1），以上大部分出行方式，乘客均處于封閉空間內(nèi)。基于上述龐大的市場需求，空氣殺菌成為了當前迫切需要處理的問題。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著智慧城市的建設，智慧交通必將為物聯(lián)網(wǎng)技術提供龐大的工業(yè)應用場景，注入市場發(fā)展活力和動力。

目前國內(nèi)外常用的空氣凈化方式有：高效Hepa過濾法、吸附法凈化、靜電技術、負離子技術、光催化凈化技術、臭氧凈化技術、紫外線消毒和臭氧消毒等，公共交通主要采用活性炭消毒、紫外線消毒、臭氧消毒和消毒劑消毒等方式，通過吸附、氣霧或煙霧熏蒸以及氣溶膠噴霧等方法，均是治標不治本，普遍設備維護管理成本較高，技術難度大。市場上各類空氣殺菌消毒設備大多用于室內(nèi)消毒，目前國內(nèi)外部分公交車已經(jīng)安裝了空氣殺菌裝置，但無法及時對車輛進行全面徹底消殺工作，無法實現(xiàn)精細化遠程控制，成本控制管理需要花費大量時間和精力等諸多弊端。據(jù)調查，人們在乘車過程中慣用紙巾和酒精消毒，消毒紙巾雖然安全，腐蝕性低，且對人體無刺激無傷害，但成本較高無法普及使用。酒精雖可有效滅活病毒，但酒精只可擦拭，不可噴灑用于空氣消毒，對頻繁使用的公共交通消毒效果甚微。

通過專利之星、中國知網(wǎng)、incoPat 等對中國專利、全球專利進行了空氣消毒的相關專利檢索，從全球空氣消毒專利主要申請人的申請數(shù)量分析，申請人全部為企業(yè)，這也說明了空氣消毒領域的技術研發(fā)已經(jīng)比較完備，現(xiàn)階段的研發(fā)主要集中在技術的成果轉化和實際應用。

3 系統(tǒng)總體設計

隨著人們健康意識的不斷提高，對乘坐公共交通過程中的公共衛(wèi)生防護問題提出了更高的要求，通過對現(xiàn)有公交車輛空氣殺菌裝置進行分析，現(xiàn)有產(chǎn)品存在以下缺陷：一是系統(tǒng)啟停工作需要人工操作完成，無法實現(xiàn)遠程智能化控制。二是當有人員在消毒過程中進入車內(nèi)時，系統(tǒng)無法及時發(fā)出預警信號，并自動停止工作。

因此，城市公共交通智能殺菌系統(tǒng)應滿足以下要求：一是應根據(jù)人員密度和運營周期選擇相對固定的空余時間進行消殺，并能在運營環(huán)境變化時，遠程智能調整系統(tǒng)啟動時間和工作時長。二是在工作過程中，盡可能減少對車內(nèi)設施和物品的傷害。三是應設置人員預警裝置，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。四是系統(tǒng)應該為一個整體,使安裝和檢修更加方便，充分利用公交車原有線路，保證車廂內(nèi)部的整體效果。五是分段實現(xiàn)動態(tài)消殺、在保障運力的情況下實現(xiàn)人機共存。

3.1 系統(tǒng)工作流程

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的城市公共交通智能感應殺菌系統(tǒng)由智能化遠程控制單元、控制系統(tǒng)電路供電模塊、深紫外空氣消毒模塊和人體紅外感應模塊四部分組成。

智能化遠程控制單元能夠對控制系統(tǒng)電路供電模塊、深紫外空氣消毒模塊和人體紅外感應模塊進行遠程操作。當車輛中轉或檢修作業(yè)時，該系統(tǒng)通過人體紅外感應模塊采集環(huán)境數(shù)據(jù)，感知工作場所是否有人，當車廂內(nèi)無人時，將數(shù)據(jù)傳遞至智能化遠程控制單元，根據(jù)智能化遠程控制單元指令，啟動深紫外空氣消毒模塊，使其開始工作。當車廂門有人時，系統(tǒng)自動中止工作，避免對人員構成不必要的傷害。以智能化深紫外空氣消毒模塊為核心，將感知系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡和控制系統(tǒng)等組成單元與電子終端設備有機融合在一起，以信息為主導，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)背景下的智能化殺菌系統(tǒng)研發(fā)，將數(shù)據(jù)的采集、分析、決策一體化，形成從電子終端設備、通信、感知、控制到?jīng)Q策管理層級的精準協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)?？捎行Ы档蛡鹘y(tǒng)液體消毒對車體金屬部件的腐蝕和車輛物品的損毀，還可實現(xiàn)無人作業(yè)，有效降低公共交通系統(tǒng)運營成本。

3.2 系統(tǒng)工作控制方式

該系統(tǒng)基于人體紅外感應模塊采集環(huán)境數(shù)據(jù)，感知工作場所是否有人，將數(shù)據(jù)傳遞至智能化遠程控制單元，可實現(xiàn)遠程動態(tài)實時控制。

3.3 系統(tǒng)預定工作條件

因紫外線會傷害人體，容易使皮膚和眼睛產(chǎn)生不適癥狀，因此該系統(tǒng)須在無人環(huán)境下工作。

3.4 模塊設計

3.4.1 智能化遠程控制單元

智能化遠程控制單元采用基于ATmega328P 的Arduino 開發(fā)板，它有14 個數(shù)字輸入/輸出引腳（其中6 個可用于PWM 輸出）、1 個16 MHz 的晶體振蕩器、6 個模擬輸入引腳、1 個ICSP 接口、1 個DC 接口、1 個USB 接口和1 個復位按鈕，足可以滿足裝置使用要求。紅外人體傳感模塊的輸出引腳應接在開發(fā)板的任意一個數(shù)字輸入引腳上，GND 引腳接在開發(fā)板的接地引腳，VCC 引腳接在開發(fā)板的+5 V 引腳。

當智能化遠程控制單元接受到人體紅外感應模塊驅動信號，通過中間繼電器控制指示燈閃爍，提醒乘客智能感應殺菌系統(tǒng)不工作。當智能化遠程控制單元未接收到人體紅外感應模塊感應信號時，利用中間繼電器啟動深紫外LED 殺菌模塊，開始進行消殺工作。根據(jù)實際需求，可設置在固定時間段內(nèi)自動工作，從而實現(xiàn)智能化控制。通過WiFi 通信模塊，將數(shù)據(jù)結果發(fā)送給中央控制器，根據(jù)設計參數(shù)進行實時動態(tài)更新。

3.4.2 控制系統(tǒng)電路供電模塊

基于不同應用場景，本項目有兩種控制系統(tǒng)電路供電方式選擇。

方案一：可使用于地鐵車廂、公共場所室內(nèi)消殺工作，采用內(nèi)部照明220 V 電源供電，需通過整流和降壓處理為12 V 電源電壓，間接為人體紅外人體感應模塊供電。

方案二：主要用于公交車、冷鏈食品運輸車輛和出租車車廂內(nèi)殺菌消毒，其工作電壓為12 V/24 V 兩種，可直接為人體紅外人體感應模塊供電。

3.4.3 深紫外空氣殺菌模塊

紫外線分為天然紫外線和人工紫外線兩種。按照波長，紫外線通常分為UVA（320～400 nm）、UVB（280～320 nm）、UVC（200～280 nm）三種，UVC 波段紫外光具有波長短、能量高的特點,在高強度照射下，5 s 即可實現(xiàn)99%～99.9%的殺菌率。紫外光子的吸收可使DNA 和RNA 的結構發(fā)生變化，導致細菌自身新陳代謝發(fā)生變化,從而導致細胞死亡,達到直接殺滅或抑制微生物繁殖的作用?？蛇m用于氣體、液體和吸收系數(shù)很小的固體表面。

天然紫外線作為傳統(tǒng)的殺菌方式，已在人們的日常生活中普遍使用。但是，隨著人們生活方式的改變，已無法滿足現(xiàn)有需求，城市公共交通封閉的乘車環(huán)境大大減少了空氣流通的機會，使得物體外表和空氣中存在大批的細菌和病毒。大量研究表明，紫外線可在一定范圍內(nèi)滅活大部分細菌和病毒，因此深紫外LED燈受到了人們的青睞，龐大的市場需求助推國內(nèi)外眾多企業(yè)迅速登上了發(fā)展的快艇。本項目選用深紫外LED 技術對車內(nèi)環(huán)境進行定期消殺，為乘客提供安全溫馨的乘車環(huán)境。

本項目選用H17 2G11 殺菌紫外線燈，利用253.7 nm 波長的紫外線，對車內(nèi)物體表面和空氣進行消殺。由于紫外線只能沿直線傳播，而且穿透能力較弱，在進行物體表面消毒時，紫外線燈需參照待消毒的表面正對安裝，盡量使消毒部位處于紫外線照射范圍內(nèi)，以保證殺菌效果?？諝鈿⒕鷷r紫外線燈常采用吊頂安裝方式，由于空氣吸收系數(shù)很低，空氣隨機運動使得分子的定向攻擊更為有利，且多次循環(huán)殺菌的機會更多，殺菌效果顯著，見圖2。

紫外空氣消毒模塊受智能化遠程控制單元控制，基于人體紅外感應模塊信號數(shù)據(jù)和系統(tǒng)控制策略，來控制紫外空氣消毒模塊供電電路的通斷。紫外空氣消毒模塊可快速對車廂內(nèi)部空氣、座位和把手表面進行集中、精準地照射殺菌，具有以下優(yōu)點：

1）殺菌過程是一個物理破壞過程，不受環(huán)境溫度、濕度、濃度等外界環(huán)境條件影響。

2）無毒、無殘留和無異味，潔凈環(huán)保，不影響人體健康。

3）無需使用組合藥劑，可從根本上切斷細菌和病毒在空氣中的傳播路徑。

4）紫外LED 燈體積小、瞬間啟動、發(fā)光面積可調節(jié)。

3.4.4 紅外人體感應模塊

本項目選用HC-SR501 紅外人體感應模塊（見圖3），該模塊集成了感應模塊、信號放大模塊和AD轉換模塊，工作設置電壓為DC 12 V/24 V 兩種。選用德國原裝進口LH1788 雙元探頭，可實現(xiàn)高靈敏度和高可靠性。采用低電壓工作模式，安全節(jié)能。采用人體熱釋電原理來感知車廂內(nèi)是否有人存在，利用紅外探測傳感器將人體發(fā)出的紅外和外界物體的紅外區(qū)分開。正常情況下人體正常體溫維持在36～37 ℃之間，人體自身將會發(fā)出10 μm 左右特定波長的紅外線。HC-SR501 紅外人體感應模塊上的被動式紅外探頭，通過人體發(fā)射的10 um 左右的紅外線，來判斷檢測范圍內(nèi)是否有人存在。人體作為熱源發(fā)出特定波長的紅外線，利用菲泥爾濾光片增強后，匯集到熱釋電元件紅外感應源上。熱釋電元件將接收到的人體紅外輻射溫度變化為信號，從而失去電荷平衡，向外釋放電荷，再經(jīng)后續(xù)放大電路檢測處理后，即可發(fā)出控制和預警信號。當人體位于HC-SR501 人體紅外感應模塊的探測區(qū)域內(nèi)時，其信號引腳輸出高電平。當人體離開模塊探測區(qū)域時，該模塊的信號引腳將自動延時關閉高電平，輸出低電平。將低電平信號轉化后輸入智能化遠程控制單元，間接控制深紫外空氣消毒模塊，對車廂內(nèi)進行消殺工作。

4 應用推廣

本項目聚焦城市公共交通殺菌消毒智能控制核心關鍵技術，采用硬件、網(wǎng)絡與軟件結合的方式，具備以下優(yōu)點：

1）根據(jù)環(huán)境使用需求，可動態(tài)調整工作時間。

2）基于互聯(lián)網(wǎng)遠程操控，極大地減少人工成本。

3）利用智能化遠程控制單元自動控制調整工作時間，無需人工操作。

4）采用人體紅外感應模塊感知工作場所有無人員存在，減少對人員造成傷害。

該研究成果主要應用于航空、鐵路、公交、地鐵等領域智能化殺菌，也可用于冷鏈食品運輸過程中的殺菌保鮮，可短時間內(nèi)進行車輛及物品殺菌消毒，可有效防止流感病毒引起的一系列急性呼吸道傳染病，可從源頭杜絕食物病毒對人體的危害，保障人體健康的同時，極大地降低了人力、物力成本和環(huán)境危害。該研究成果可輻射于娛樂場所、醫(yī)療、餐飲業(yè)、學校等公共場所。

依托該項目搭建“互聯(lián)網(wǎng)+交通”服務平臺，推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等前沿技術和實體經(jīng)濟深度融合，拓展網(wǎng)絡信息技術在交通運輸領域應用的深度和廣度，為人們健康出行保駕護航。