陳立新

（酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 甘肅 酒泉 735000）

引言

交通作為興國(guó)之要、強(qiáng)國(guó)之基，在交通強(qiáng)國(guó)背景下，大數(shù)據(jù)、智能化、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等前沿信息技術(shù)為智慧交通發(fā)展做出了卓越貢獻(xiàn)。隨著我國(guó)城市公共交通運(yùn)輸業(yè)的迅速發(fā)展和健康意識(shí)的提高，尤其是快速大運(yùn)量公共交通系統(tǒng)給人們的出行帶來(lái)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(chǎng)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(jī)會(huì)，勢(shì)必會(huì)增加乘客之間的傳播風(fēng)險(xiǎn)，給乘客帶來(lái)極大的困擾。此外，人們?cè)诔俗^程中將會(huì)在車廂內(nèi)部、座位、把手等部位聚集灰塵、水分及其他物質(zhì)，這些物質(zhì)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(xì)菌超標(biāo)，嚴(yán)重影響人體健康和乘車體驗(yàn)。針對(duì)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(yíng)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(luò)化、智能化為主線，讓先進(jìn)信息技術(shù)賦能交通運(yùn)輸高質(zhì)量發(fā)展，為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧交通領(lǐng)域的發(fā)展提供了廣闊的平臺(tái)，在“云物大智”時(shí)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(shè)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(shí)的增強(qiáng)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(yùn)量公交通系統(tǒng)給人們出行帶來(lái)了極大的便利。據(jù)中國(guó)旅游研究院和中銀證券統(tǒng)計(jì)，2021 年五一假期游客出行方式主要集中在自駕、高鐵、飛機(jī)、長(zhǎng)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)?；谏鲜鳊嫶蟮氖袌?chǎng)需求，空氣殺菌成為了當(dāng)前迫切需要處理的問題。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著智慧城市的建設(shè)，智慧交通必將為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供龐大的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，注入市場(chǎng)發(fā)展活力和動(dòng)力。

目前國(guó)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(shù)、負(fù)離子技術(shù)、光催化凈化技術(shù)、臭氧凈化技術(shù)、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(biāo)不治本，普遍設(shè)備維護(hù)管理成本較高，技術(shù)難度大。市場(chǎng)上各類空氣殺菌消毒設(shè)備大多用于室內(nèi)消毒，目前國(guó)內(nèi)外部分公交車已經(jīng)安裝了空氣殺菌裝置，但無(wú)法及時(shí)對(duì)車輛進(jìn)行全面徹底消殺工作，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精細(xì)化遠(yuǎn)程控制，成本控制管理需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力等諸多弊端。據(jù)調(diào)查，人們?cè)诔塑囘^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(duì)人體無(wú)刺激無(wú)傷害，但成本較高無(wú)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(duì)頻繁使用的公共交通消毒效果甚微。

通過專利之星、中國(guó)知網(wǎng)、incoPat 等對(duì)中國(guó)專利、全球?qū)＠M(jìn)行了空氣消毒的相關(guān)專利檢索，從全球空氣消毒專利主要申請(qǐng)人的申請(qǐng)數(shù)量分析，申請(qǐng)人全部為企業(yè)，這也說(shuō)明了空氣消毒領(lǐng)域的技術(shù)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(shù)的成果轉(zhuǎn)化和實(shí)際應(yīng)用。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

隨著人們健康意識(shí)的不斷提高，對(duì)乘坐公共交通過程中的公共衛(wèi)生防護(hù)問題提出了更高的要求，通過對(duì)現(xiàn)有公交車輛空氣殺菌裝置進(jìn)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(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能化控制。二是當(dāng)有人員在消毒過程中進(jìn)入車內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，并自動(dòng)停止工作。

因此，城市公共交通智能殺菌系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：一是應(yīng)根據(jù)人員密度和運(yùn)營(yíng)周期選擇相對(duì)固定的空余時(shí)間進(jìn)行消殺，并能在運(yùn)營(yíng)環(huán)境變化時(shí)，遠(yuǎn)程智能調(diào)整系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間和工作時(shí)長(zhǎng)。二是在工作過程中，盡可能減少對(duì)車內(nèi)設(shè)施和物品的傷害。三是應(yīng)設(shè)置人員預(yù)警裝置，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。四是系統(tǒng)應(yīng)該為一個(gè)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)消殺、在保障運(yùn)力的情況下實(shí)現(xiàn)人機(jī)共存。

3.1 系統(tǒng)工作流程

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市公共交通智能感應(yīng)殺菌系統(tǒng)由智能化遠(yuǎn)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(yīng)模塊四部分組成。

智能化遠(yuǎn)程控制單元能夠?qū)刂葡到y(tǒng)電路供電模塊、深紫外空氣消毒模塊和人體紅外感應(yīng)模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。當(dāng)車輛中轉(zhuǎn)或檢修作業(yè)時(shí)，該系統(tǒng)通過人體紅外感應(yīng)模塊采集環(huán)境數(shù)據(jù)，感知工作場(chǎng)所是否有人，當(dāng)車廂內(nèi)無(wú)人時(shí)，將數(shù)據(jù)傳遞至智能化遠(yuǎn)程控制單元，根據(jù)智能化遠(yuǎn)程控制單元指令，啟動(dòng)深紫外空氣消毒模塊，使其開始工作。當(dāng)車廂門有人時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)中止工作，避免對(duì)人員構(gòu)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(luò)和控制系統(tǒng)等組成單元與電子終端設(shè)備有機(jī)融合在一起，以信息為主導(dǎo)，實(shí)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(shè)備、通信、感知、控制到?jīng)Q策管理層級(jí)的精準(zhǔn)協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)?？捎行Ы档蛡鹘y(tǒng)液體消毒對(duì)車體金屬部件的腐蝕和車輛物品的損毀，還可實(shí)現(xiàn)無(wú)人作業(yè)，有效降低公共交通系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)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(yīng)模塊采集環(huán)境數(shù)據(jù)，感知工作場(chǎng)所是否有人，將數(shù)據(jù)傳遞至智能化遠(yuǎn)程控制單元，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)控制。

3.3 系統(tǒng)預(yù)定工作條件

因紫外線會(huì)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(wú)人環(huán)境下工作。

3.4 模塊設(shè)計(jì)

3.4.1 智能化遠(yuǎn)程控制單元

智能化遠(yuǎn)程控制單元采用基于ATmega328P 的Arduino 開發(fā)板，它有14 個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳（其中6 個(gè)可用于PWM 輸出）、1 個(gè)16 MHz 的晶體振蕩器、6 個(gè)模擬輸入引腳、1 個(gè)ICSP 接口、1 個(gè)DC 接口、1 個(gè)USB 接口和1 個(gè)復(fù)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(yīng)接在開發(fā)板的任意一個(gè)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(dāng)智能化遠(yuǎn)程控制單元接受到人體紅外感應(yīng)模塊驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過中間繼電器控制指示燈閃爍，提醒乘客智能感應(yīng)殺菌系統(tǒng)不工作。當(dāng)智能化遠(yuǎn)程控制單元未接收到人體紅外感應(yīng)模塊感應(yīng)信號(hào)時(shí)，利用中間繼電器啟動(dòng)深紫外LED 殺菌模塊，開始進(jìn)行消殺工作。根據(jù)實(shí)際需求，可設(shè)置在固定時(shí)間段內(nèi)自動(dòng)工作，從而實(shí)現(xiàn)智能化控制。通過WiFi 通信模塊，將數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)送給中央控制器，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新。

3.4.2 控制系統(tǒng)電路供電模塊

基于不同應(yīng)用場(chǎng)景，本項(xiàng)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(chǎng)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(yīng)模塊供電。

方案二：主要用于公交車、冷鏈?zhǔn)称愤\(yùn)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(yīng)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(zhǎng)，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(zhǎng)短、能量高的特點(diǎn),在高強(qiáng)度照射下，5 s 即可實(shí)現(xiàn)99%～99.9%的殺菌率。紫外光子的吸收可使DNA 和RNA 的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致細(xì)菌自身新陳代謝發(fā)生變化,從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡,達(dá)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(wú)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(jī)會(huì)，使得物體外表和空氣中存在大批的細(xì)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(xì)菌和病毒，因此深紫外LED燈受到了人們的青睞，龐大的市場(chǎng)需求助推國(guó)內(nèi)外眾多企業(yè)迅速登上了發(fā)展的快艇。本項(xiàng)目選用深紫外LED 技術(shù)對(duì)車內(nèi)環(huán)境進(jìn)行定期消殺，為乘客提供安全溫馨的乘車環(huán)境。

本項(xiàng)目選用H17 2G11 殺菌紫外線燈，利用253.7 nm 波長(zhǎng)的紫外線，對(duì)車內(nèi)物體表面和空氣進(jìn)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(jìn)行物體表面消毒時(shí)，紫外線燈需參照待消毒的表面正對(duì)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(shí)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(jī)運(yùn)動(dòng)使得分子的定向攻擊更為有利，且多次循環(huán)殺菌的機(jī)會(huì)更多，殺菌效果顯著，見圖2。

紫外空氣消毒模塊受智能化遠(yuǎn)程控制單元控制，基于人體紅外感應(yīng)模塊信號(hào)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)控制策略，來(lái)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(duì)車廂內(nèi)部空氣、座位和把手表面進(jìn)行集中、精準(zhǔn)地照射殺菌，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）殺菌過程是一個(gè)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(wú)毒、無(wú)殘留和無(wú)異味，潔凈環(huán)保，不影響人體健康。

3）無(wú)需使用組合藥劑，可從根本上切斷細(xì)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(dòng)、發(fā)光面積可調(diào)節(jié)。

3.4.4 紅外人體感應(yīng)模塊

本項(xiàng)目選用HC-SR501 紅外人體感應(yīng)模塊（見圖3），該模塊集成了感應(yīng)模塊、信號(hào)放大模塊和AD轉(zhuǎn)換模塊，工作設(shè)置電壓為DC 12 V/24 V 兩種。選用德國(guó)原裝進(jìn)口LH1788 雙元探頭，可實(shí)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(lái)感知車廂內(nèi)是否有人存在，利用紅外探測(cè)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(huì)發(fā)出10 μm 左右特定波長(zhǎng)的紅外線。HC-SR501 紅外人體感應(yīng)模塊上的被動(dòng)式紅外探頭，通過人體發(fā)射的10 um 左右的紅外線，來(lái)判斷檢測(cè)范圍內(nèi)是否有人存在。人體作為熱源發(fā)出特定波長(zhǎng)的紅外線，利用菲泥爾濾光片增強(qiáng)后，匯集到熱釋電元件紅外感應(yīng)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(hào)，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(cè)處理后，即可發(fā)出控制和預(yù)警信號(hào)。當(dāng)人體位于HC-SR501 人體紅外感應(yīng)模塊的探測(cè)區(qū)域內(nèi)時(shí)，其信號(hào)引腳輸出高電平。當(dāng)人體離開模塊探測(cè)區(qū)域時(shí)，該模塊的信號(hào)引腳將自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平。將低電平信號(hào)轉(zhuǎn)化后輸入智能化遠(yuǎn)程控制單元，間接控制深紫外空氣消毒模塊，對(duì)車廂內(nèi)進(jìn)行消殺工作。

4 應(yīng)用推廣

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

1）根據(jù)環(huán)境使用需求，可動(dòng)態(tài)調(diào)整工作時(shí)間。

2）基于互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程操控，極大地減少人工成本。

3）利用智能化遠(yuǎn)程控制單元自動(dòng)控制調(diào)整工作時(shí)間，無(wú)需人工操作。

4）采用人體紅外感應(yīng)模塊感知工作場(chǎng)所有無(wú)人員存在，減少對(duì)人員造成傷害。

該研究成果主要應(yīng)用于航空、鐵路、公交、地鐵等領(lǐng)域智能化殺菌，也可用于冷鏈?zhǔn)称愤\(yùn)輸過程中的殺菌保鮮，可短時(shí)間內(nèi)進(jìn)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(duì)人體的危害，保障人體健康的同時(shí)，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(chǎng)所、醫(yī)療、餐飲業(yè)、學(xué)校等公共場(chǎng)所。

依托該項(xiàng)目搭建“互聯(lián)網(wǎng)+交通”服務(wù)平臺(tái)，推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等前沿技術(shù)和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合，拓展網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)在交通運(yùn)輸領(lǐng)域應(yīng)用的深度和廣度，為人們健康出行保駕護(hù)航。