張 銳， 李建成， 王成志

(蘭州交通大學 光電技術與智能控制教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

基于粉塵傳感器的空調列車空氣質量研究

張 銳， 李建成， 王成志

(蘭州交通大學 光電技術與智能控制教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

空調列車是目前人們最主要的出行工具之一，其車廂內空氣質量直接影響著乘客的健康。當前列車空調系統以車廂內溫度、濕度及二氧化碳濃度為主要控制對象，已經不能滿足現在乘客對健康和舒適度的要求。在分析列車空調運行現狀的基礎上，提出以LPC2478為控制器，DSM501A為可吸入顆粒物濃度監(jiān)測傳感元件的設計方案，對車廂內空氣質量進行有效的控制。實驗表明：該空調系統具有良好的性能，控制精度高，環(huán)境改善效果顯著，具有廣泛的應用前景。

空調列車； 可吸入顆粒物； 舒適度； LPC2478； DSM501A

0 引 言

我國的鐵路客車空調自1958年投入使用以來，已有1萬多輛空調客車投入運營；但隨著經濟的發(fā)展，乘客對列車舒適度的要求越來越高[1]。然而，現有列車空調系統已經不能滿足乘客對舒適度的要求?？照{列車主要存在的問題有車廂內溫濕度不夠穩(wěn)定，調節(jié)響應慢，空氣質量差等，特別是并未對車廂內可吸入顆粒物的濃度進行監(jiān)測。根據文獻[2]，以長春客車廠生產的YZ25K空調列車硬座車廂為例，其冬夏兩季的可吸入顆粒物的合格率僅分別為50.00 %和77.78 %；根據文獻[3]，乘客對現有車廂內的空氣質量不夠滿意。鐵路客運要增強其競爭力，就必須要解決這幾方面問題。

研究者們對溫濕度、CO2濃度等問題做了大量的研究，而對車廂內粉塵的分布與變化的研究相對較少[1]。對乘客舒適度產生影響的粉塵是指懸浮在空氣中當量直徑小于或等于10 μm(PM10)的顆粒物，它會隨著人的呼吸進入人體呼吸道甚至肺泡，影響人體健康。當空氣中可吸入顆粒物計重含量超過0.15 mg/m3時則會使人感覺不舒適。因此，我國GB/T 18883—2002《室內空氣質量標準》中規(guī)定室內可吸入顆粒物的日平均含量應小于或等于0.15 mg/m3。根據GB/T 12817—2004《鐵道客車通用技術條件》(現行)，標準僅僅要求車廂內空氣質量含塵量小于或等于1 mg/m3。這個標準對車廂內含塵量的要求較為寬泛，但其實際的合格率還是較低[2]。要保障乘客的健康，就必須將可吸入顆粒物濃度作為檢測和控制的對象。所以，為了改善車廂空氣質量，提高鐵路客運的競爭力，勢必在列車空調系統內加入對可吸入顆粒物濃度的監(jiān)控是不可缺少的。

1 空調控制器硬件設計

列車空調控制器通過多種環(huán)境感知器件，實時了解廂內環(huán)境參數，做出控制調節(jié)，確保車廂內空氣質量，同時與車輛總線通信，實現全列空調系統的智能控制。本設計選用NXP公司的微控制器LPC2478。它有512 kbytes的程序存儲空間，豐富的片上資源，具有2個CAN接口、4個UART接口、1個SPI接口、USB控制器、復用8路10位模/數轉換器和LCD控制器。本系統直接利用其片上資源實現A/D轉換和液晶屏控制，同時將所采集的各項參數經控制器處理之后通過UART以RS—232串行通信方式傳送到車廂MVB，再經CAN口輸出到遠程司機主機。其硬件設計示意圖如圖1。

圖1 硬件設計示意圖Fig 1 Diagram of hardware design

1.1 電源模塊設計

電源的設計在電路系統中是非常重要的，主要考慮輸入輸出部分的電壓和電流以及功率。本系統電源分為兩部分，一部分為外圍硬件接口電源(+5 V)，如光耦輸入、繼電器輸出等；另一部分為LPC2478內核電源(+3.3 V)。列車上提供的工控電壓是直流110 V，先利用LAMBDA公司的帶隔離保護的電源模塊PH75S110—5將電壓110 V降壓到5 V，再通過LM1117MPX—3.3芯片降壓到3.3 V。

1.2 LCD模塊設計

傳統空調列車的廂內溫度顯示是通過在車廂內前端的水銀溫度計測量顯示的，這種顯示形式單一、準確率低，已經不能滿足乘客的需求。所以,本文研究提出在車廂內用LCD液晶屏顯示空氣質量信息，提高信息透明度。車廂內LCD空氣質量信息顯示雖然并不是鐵路運營所必需的，但能增加乘客獲取列車信息的渠道和提高乘車舒適度。本設計通過一根FPC連接器將控制器LCD驅動電路與液晶屏連接起來。液晶屏選擇SHARP的LM100SSIT523型LCD，其規(guī)格為10 in(1in=2.54 cm)，8︰6橫屏，像素數800×600，功率3.08 W，采用CCFT背光，接口方式為TTL3×8 bitRGB。

2 傳感器布置

車廂內需要采集的數據有空氣壓力、溫度、濕度、CO2濃度以及可吸入顆粒物濃度等，并通過數據線傳輸到控制器。各傳感元件位置和數量的布置，要根據具體的車廂類型而定。本設計以YZ25K快速空調列車硬座車廂為例，其空調通風系統傳感器布置示意圖如圖2[3]。

圖2 空調系統傳感器布置示意圖Fig 2 Diagram of sensor arrangements of air-conditioning system

2.1 粉塵傳感器原理

粉塵傳感器采用韓國三瑩公司的DSM501A,其采用粒子計數原理，利用丁達爾現象(Tyndall effect)來檢測粒子。這個傳感器模塊具有自加熱功能，能使外部空氣形成上升氣流進入模塊內部，塵埃粒子被 LED 光源發(fā)出的探測光照射后，引起探測光發(fā)生散射；散射光經過透鏡匯聚后被光電轉換器把光脈沖轉換成電脈沖，再經過電路的進一步放大和甄別，完成對粒子個數的計數和粒子大小的判斷[4]。DSM501A可檢測的粒子尺寸最小到1 μm，脈寬調制(PWM) 輸出，結構緊湊，安裝方便，單電源供電。原理如圖3。

圖3 傳感器原理圖Fig 3 Principle diagram of sensor

2.2 DSM501A控制設計

傳感器測量的可吸入顆粒物濃度可以通過低脈沖率(低脈沖在整個輸出周期的占空比)計算：RT=LT/UT×100 %。特別需要注意的是:1)本系統中測量可吸入顆粒物的最小直徑是2.5 μm，傳感器接口PIN1#與PIN5#之間設置為開路；2)DSM501測量的是在283 mL內直徑大于或等于2.5 μm的粒子個數，其低脈沖率對應的是一個在最大和最小特性曲線之間的范圍值；3)DSM501模塊需要加熱，設計時必須考慮預熱時間(約1 min)；4)DSM501最多能檢測出283 mL中的15 000個粉塵粒子，即最多能檢查的粒子濃度為53.003×106個/m3。

DSM501A連線方式為PIN3#引腳輸入+5 V電源，PIN5#接地，PIN4#為信號輸出端口?？諝鉂崈魰r，PIN4#引腳輸出高電平4.3 V(最小值4.0 V) ，當空氣中有粉塵粒子時，PIN4#輸出低電平0.7 V(最大值1.0 V)，低脈沖持續(xù)時間10～90 ms。DSM501A以PWM輸出30 s內的顆粒檢測結果。其檢測流程圖如圖4。

圖4 檢測流程圖Fig 4 Flowchart of detection

2.3 質量濃度轉換系數K值的確定

依據標準《公共場所空氣中可吸入顆粒物測定方法 光散射法》(WS/T 206—2001)，在應用光散射法測定前應確定與被測場所相應的質量濃度轉換系數K值。DSM501A的測定結果為相對質量濃度(個/m3)，與我國現行衛(wèi)生標準規(guī)定的質量濃度(mg/m3)不相適應，需通過質量濃度轉換系數將其轉換為質量濃度。然而現有研究對其質量濃度轉換系數K值并未進行討論[4～7]。

質量濃度轉換系數K值的計算公式為

K=C/R,

式中K為質量濃度轉換系數，mg/(m3·CPM)；R為可吸入顆粒物相對濃度，CPM；C為可吸入顆粒物質量濃度，mg/m3。根據現行《室內空氣中可吸入顆粒物衛(wèi)生標準》(GB/T 17095—1997)中規(guī)定的方法求得。同時光散射法與稱重法比較的總不確定度(ROU)不應大于25 %。

國內外實踐證明，光散射數字粉塵儀所得相對質量濃度(個/cm3)與質量濃度(mg/m3)有很好的相關性。從相關研究[8～10]可以看出：采用P—5L2型可見光光散射數字式粉塵儀監(jiān)測時，其質量濃度轉換系數K值，在一般公共場所為0.016～0.021，在密閉空調場所為0.013～0.015，同時與是否使用空調關系不大。本研究利用P—5L2輸出量CPM作為DSM501A的質量濃度轉換系數經驗值K的轉換中間量。

3 系統控制算法

解決列車車廂內空氣質量的問題，最有效的辦法是通風，而通風量的調節(jié)又直接影響了車廂內溫度、濕度、CO2濃度和可吸入顆粒物濃度的變化，所以，合理的空調控制器調節(jié)才能滿足車廂內空氣質量的要求。由于系統需要采集的數據很多，控制輸出也較多，所以，控制算法選擇采用人工神經網絡。系統控制主要是建立在各傳感元件測量輸入的基礎上，通過控制器已接受的科學訓練，從而實現智能控制。根據參考文獻[11]空調系統神經網絡已有的訓練數據，增加可吸入顆粒物濃度的訓練參數，系統便能夠對車廂內的環(huán)境進行有效的控制?？晌腩w粒物濃度的訓練參數如表1。列車空調系統的主要控制對象是壓縮機、通風扇、負離子發(fā)生裝置、啟?；仫L循環(huán)和加熱器[12]。

表1 可吸入顆粒物濃度的訓練參數(轉換系數K=0.014)Tab 1 Training parameters of respirable particulate matter (conversion factor K=0.014)

注：為了能更好地處理PWM信號，提高精度，用最小二乘法[5]進一步確定了低脈沖率與可吸入顆粒物濃度的對應關系，擬合直線線性方程為M=1.591 9R+0.460。

4 結束語

隨著經濟的發(fā)展，人們對健康的要求越來越高，在列車空調系統中加入對可吸入顆粒物濃度的檢測和控制是非常必要的。實驗證明：該系統具有良好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，已基本達到了設計要求。同時，在密閉車廂內，空調通風系統中的過濾網能有效的降低車內可吸入顆粒物的濃度，所以，建議乘務員應該定期清洗空調過濾網并消毒。

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Study on air quality of air-conditioned trains based on dust sensor

ZHANG Rui,LI Jian-cheng,WANG Cheng-zhi

(Key Laboratory of Photoelectricity Technology and Intelligent Control,Ministry of Education，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China)

At present the air-conditioned train is one of the main tool for people to travel,and the air quality of trains directly affect the passengers’health.Currently the main control objects of the air-conditioning system are temperature,humidity and CO2concentration,but it can not meet health and comfort level requirements for passengers.In order to control the air quality effectly,the air-conditioning system is composed of LPC2478 as controller and DSM501A as respirable particulate matter concentration monitoring sensor,on the basis of analysis on the train air-conditioning operation status.Experiments show that the air-conditioning system has good performance,high control precision,and it is significant on the improvement of environment,and has widespread application prospect.

air-conditioning train ; respirable particulate matter; comfort level;LPC2478; DSM501A

2013—09—13

TP 212

A

1000—9787(2014)04—0059—03

張 銳(1989-)，男，四川崇州人，碩士研究生，主要研究方向為鐵路交通信息工程與控制。