基于粉尘传感器的空调列车空气质量研究

张 锐， 李建成， 王成志

(兰州交通大学 光电技术与智能控制教育部重点实验室，甘肃 兰州 730070)

基于粉尘传感器的空调列车空气质量研究

张 锐， 李建成， 王成志

(兰州交通大学 光电技术与智能控制教育部重点实验室，甘肃 兰州 730070)

空调列车是目前人们最主要的出行工具之一，其车厢内空气质量直接影响着乘客的健康。当前列车空调系统以车厢内温度、湿度及二氧化碳浓度为主要控制对象，已经不能满足现在乘客对健康和舒适度的要求。在分析列车空调运行现状的基础上，提出以LPC2478为控制器，DSM501A为可吸入颗粒物浓度监测传感元件的设计方案，对车厢内空气质量进行有效的控制。实验表明：该空调系统具有良好的性能，控制精度高，环境改善效果显著，具有广泛的应用前景。

空调列车； 可吸入颗粒物； 舒适度； LPC2478； DSM501A

0 引 言

我国的铁路客车空调自1958年投入使用以来，已有1万多辆空调客车投入运营；但随着经济的发展，乘客对列车舒适度的要求越来越高[1]。然而，现有列车空调系统已经不能满足乘客对舒适度的要求。空调列车主要存在的问题有车厢内温湿度不够稳定，调节响应慢，空气质量差等，特别是并未对车厢内可吸入颗粒物的浓度进行监测。根据文献[2]，以长春客车厂生产的YZ25K空调列车硬座车厢为例，其冬夏两季的可吸入颗粒物的合格率仅分别为50.00 %和77.78 %；根据文献[3]，乘客对现有车厢内的空气质量不够满意。铁路客运要增强其竞争力，就必须要解决这几方面问题。

研究者们对温湿度、CO2浓度等问题做了大量的研究，而对车厢内粉尘的分布与变化的研究相对较少[1]。对乘客舒适度产生影响的粉尘是指悬浮在空气中当量直径小于或等于10 μm(PM10)的颗粒物，它会随着人的呼吸进入人体呼吸道甚至肺泡，影响人体健康。当空气中可吸入颗粒物计重含量超过0.15 mg/m3时则会使人感觉不舒适。因此，我国GB/T 18883—2002《室内空气质量标准》中规定室内可吸入颗粒物的日平均含量应小于或等于0.15 mg/m3。根据GB/T 12817—2004《铁道客车通用技术条件》(现行)，标准仅仅要求车厢内空气质量含尘量小于或等于1 mg/m3。这个标准对车厢内含尘量的要求较为宽泛，但其实际的合格率还是较低[2]。要保障乘客的健康，就必须将可吸入颗粒物浓度作为检测和控制的对象。所以，为了改善车厢空气质量，提高铁路客运的竞争力，势必在列车空调系统内加入对可吸入颗粒物浓度的监控是不可缺少的。

1 空调控制器硬件设计

列车空调控制器通过多种环境感知器件，实时了解厢内环境参数，做出控制调节，确保车厢内空气质量，同时与车辆总线通信，实现全列空调系统的智能控制。本设计选用NXP公司的微控制器LPC2478。它有512 kbytes的程序存储空间，丰富的片上资源，具有2个CAN接口、4个UART接口、1个SPI接口、USB控制器、复用8路10位模/数转换器和LCD控制器。本系统直接利用其片上资源实现A/D转换和液晶屏控制，同时将所采集的各项参数经控制器处理之后通过UART以RS—232串行通信方式传送到车厢MVB，再经CAN口输出到远程司机主机。其硬件设计示意图如图1。

图1 硬件设计示意图Fig 1 Diagram of hardware design

1.1 电源模块设计

电源的设计在电路系统中是非常重要的，主要考虑输入输出部分的电压和电流以及功率。本系统电源分为两部分，一部分为外围硬件接口电源(+5 V)，如光耦输入、继电器输出等；另一部分为LPC2478内核电源(+3.3 V)。列车上提供的工控电压是直流110 V，先利用LAMBDA公司的带隔离保护的电源模块PH75S110—5将电压110 V降压到5 V，再通过LM1117MPX—3.3芯片降压到3.3 V。

1.2 LCD模块设计

传统空调列车的厢内温度显示是通过在车厢内前端的水银温度计测量显示的，这种显示形式单一、准确率低，已经不能满足乘客的需求。所以,本文研究提出在车厢内用LCD液晶屏显示空气质量信息，提高信息透明度。车厢内LCD空气质量信息显示虽然并不是铁路运营所必需的，但能增加乘客获取列车信息的渠道和提高乘车舒适度。本设计通过一根FPC连接器将控制器LCD驱动电路与液晶屏连接起来。液晶屏选择SHARP的LM100SSIT523型LCD，其规格为10 in(1in=2.54 cm)，8︰6横屏，像素数800×600，功率3.08 W，采用CCFT背光，接口方式为TTL3×8 bitRGB。

2 传感器布置

车厢内需要采集的数据有空气压力、温度、湿度、CO2浓度以及可吸入颗粒物浓度等，并通过数据线传输到控制器。各传感元件位置和数量的布置，要根据具体的车厢类型而定。本设计以YZ25K快速空调列车硬座车厢为例，其空调通风系统传感器布置示意图如图2[3]。

图2 空调系统传感器布置示意图Fig 2 Diagram of sensor arrangements of air-conditioning system

2.1 粉尘传感器原理

粉尘传感器采用韩国三莹公司的DSM501A,其采用粒子计数原理，利用丁达尔现象(Tyndall effect)来检测粒子。这个传感器模块具有自加热功能，能使外部空气形成上升气流进入模块内部，尘埃粒子被 LED 光源发出的探测光照射后，引起探测光发生散射；散射光经过透镜汇聚后被光电转换器把光脉冲转换成电脉冲，再经过电路的进一步放大和甄别，完成对粒子个数的计数和粒子大小的判断[4]。DSM501A可检测的粒子尺寸最小到1 μm，脉宽调制(PWM) 输出，结构紧凑，安装方便，单电源供电。原理如图3。

图3 传感器原理图Fig 3 Principle diagram of sensor

2.2 DSM501A控制设计

传感器测量的可吸入颗粒物浓度可以通过低脉冲率(低脉冲在整个输出周期的占空比)计算：RT=LT/UT×100 %。特别需要注意的是:1)本系统中测量可吸入颗粒物的最小直径是2.5 μm，传感器接口PIN1#与PIN5#之间设置为开路；2)DSM501测量的是在283 mL内直径大于或等于2.5 μm的粒子个数，其低脉冲率对应的是一个在最大和最小特性曲线之间的范围值；3)DSM501模块需要加热，设计时必须考虑预热时间(约1 min)；4)DSM501最多能检测出283 mL中的15 000个粉尘粒子，即最多能检查的粒子浓度为53.003×106个/m3。

DSM501A连线方式为PIN3#引脚输入+5 V电源，PIN5#接地，PIN4#为信号输出端口。空气洁净时，PIN4#引脚输出高电平4.3 V(最小值4.0 V) ，当空气中有粉尘粒子时，PIN4#输出低电平0.7 V(最大值1.0 V)，低脉冲持续时间10～90 ms。DSM501A以PWM输出30 s内的颗粒检测结果。其检测流程图如图4。

图4 检测流程图Fig 4 Flowchart of detection

2.3 质量浓度转换系数K值的确定

依据标准《公共场所空气中可吸入颗粒物测定方法 光散射法》(WS/T 206—2001)，在应用光散射法测定前应确定与被测场所相应的质量浓度转换系数K值。DSM501A的测定结果为相对质量浓度(个/m3)，与我国现行卫生标准规定的质量浓度(mg/m3)不相适应，需通过质量浓度转换系数将其转换为质量浓度。然而现有研究对其质量浓度转换系数K值并未进行讨论[4～7]。

质量浓度转换系数K值的计算公式为

K=C/R,

式中K为质量浓度转换系数，mg/(m3·CPM)；R为可吸入颗粒物相对浓度，CPM；C为可吸入颗粒物质量浓度，mg/m3。根据现行《室内空气中可吸入颗粒物卫生标准》(GB/T 17095—1997)中规定的方法求得。同时光散射法与称重法比较的总不确定度(ROU)不应大于25 %。

国内外实践证明，光散射数字粉尘仪所得相对质量浓度(个/cm3)与质量浓度(mg/m3)有很好的相关性。从相关研究[8～10]可以看出：采用P—5L2型可见光光散射数字式粉尘仪监测时，其质量浓度转换系数K值，在一般公共场所为0.016～0.021，在密闭空调场所为0.013～0.015，同时与是否使用空调关系不大。本研究利用P—5L2输出量CPM作为DSM501A的质量浓度转换系数经验值K的转换中间量。

3 系统控制算法

解决列车车厢内空气质量的问题，最有效的办法是通风，而通风量的调节又直接影响了车厢内温度、湿度、CO2浓度和可吸入颗粒物浓度的变化，所以，合理的空调控制器调节才能满足车厢内空气质量的要求。由于系统需要采集的数据很多，控制输出也较多，所以，控制算法选择采用人工神经网络。系统控制主要是建立在各传感元件测量输入的基础上，通过控制器已接受的科学训练，从而实现智能控制。根据参考文献[11]空调系统神经网络已有的训练数据，增加可吸入颗粒物浓度的训练参数，系统便能够对车厢内的环境进行有效的控制。可吸入颗粒物浓度的训练参数如表1。列车空调系统的主要控制对象是压缩机、通风扇、负离子发生装置、启停回风循环和加热器[12]。

表1 可吸入颗粒物浓度的训练参数(转换系数K=0.014)Tab 1 Training parameters of respirable particulate matter (conversion factor K=0.014)

注：为了能更好地处理PWM信号，提高精度，用最小二乘法[5]进一步确定了低脉冲率与可吸入颗粒物浓度的对应关系，拟合直线线性方程为M=1.591 9R+0.460。

4 结束语

随着经济的发展，人们对健康的要求越来越高，在列车空调系统中加入对可吸入颗粒物浓度的检测和控制是非常必要的。实验证明：该系统具有良好的动态性能和稳态性能，已基本达到了设计要求。同时，在密闭车厢内，空调通风系统中的过滤网能有效的降低车内可吸入颗粒物的浓度，所以，建议乘务员应该定期清洗空调过滤网并消毒。

[1] 肖 睿,李人宪.高速空调客车车内粉尘分布特性的数值模拟[J].机械工程与自动化,2012(6):10-12.

[2] 段 强.全程旅客空调列车冬夏季微小气候调查[J].疾病监测与控制杂志,2011,5(2):82-84.

[3] 徐建军,汤钰鹏.列车空调检测与模糊控制[J].机械与电子,2012(3):62-64.

[4] 宋佳莹.多参数室内环境自动监测仪研制[D].杭州:中国计量学院,2012.

[5] 谢昊飞,崔 巍.基于EPA通信的粉尘浓度测量仪的设计[J].仪器仪表户,2009(3):106-108.

[6] 刘任庆.基于蓝牙技术的粉尘检测器的设计[J].通信技术,2009,42(3):252-254.

[7] 孙琳琳.粉尘浓度检测仪的设计与实现[D].长春:吉林大学,2012.

[8] Tan Lifeng,Chen Xiaoyue,Liu Hairong,et al.Study on the application of light scattering method instead of filterpaper weight method in monitoring thoracic particles(PM10) in air of public place[J].China Public Healah,2000,16(11):10-15.

[9] 张 晶,朱一川,金 毅,等.P—5L2型便携式数字粉尘仪及其应用[J].中华劳动卫生职业病杂志,1994(1):31-32.

[10] GB 5748—85.作业场所空气中粉尘测定方法[S].

[11] 曹志峰,余波,王永强,等.基于Matlab神经网络的变风量空调控制的仿真[J].制冷与空调,2007(2):114-117.

[12] Henry Nasution.Development of fuzzy logic control for vehicle air conditioning system[J].TELKOMNIKA,2008(8):73-82.

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

张 锐(1989-)，男，四川崇州人，硕士研究生，主要研究方向为铁路交通信息工程与控制。