基于单片机与手机控制的公共交通工具内部空间的复合式消杀装置研究

聂文鹏 朱宝全 张问龙 郭炬伟 赵 阳 黄 洋

（东北林业大学交通学院，黑龙江 哈尔滨 150000）

0 研究背景

随着社会的发展以及人们环保意识的提高，越来越多的人选择乘坐公共交通出行。因此，应该对由汽车车内污染所引起的健康问题进行深入研究，尤其是在疫情状况下，公共汽车因其人员聚集的特点而带来的车内感染问题备受关注。目前国内外部分公交车辆已经安装了空气消毒装置，以达到保障车内卫生安全的目的。例如方佳欣研制的基于 TRIZ 的车内雾化消毒机置[1]以及王继鑫研究的一种二氧化氯扩散器[2]等。

除此以外，还有紫外线消毒、光等离子消毒以及光触媒消毒等方式。但是这些消毒装置的消毒效率和消毒方式存在一些缺陷，例如光催化消毒存在车窗阻隔紫外线的问题，会影响光催化剂消毒的效果；负离子消毒存在空气净化过程缓慢、杀菌不彻底等问题[2]，因此研制一款高效、便捷且安全的车内消毒装置尤为重要。

1 设计原理

1.1 设计思路

通过对现有公交车消毒系统进行分析，发现现有产品存在以下2 个缺点：1）消毒系统需要人工启停。在该过程中，会对操作人员的健康造成一定的影响，且无法实现智能控制。2）当有人员在消毒过程中进入车内时，消毒系统无应急反应。

因此，公交车消毒系统应满足以下3 个要求：1）消毒系统应根据公交车的运营周期选择相对固定的空余时间进行消毒，并能在周期变动时，智能地调整工作时间或根据驾驶人员的主观要求人为地改变系统的工作时间（其工作时间包括装置启动时间和装置工作时长）。2）考虑到在工作过程中，由于消毒液体或气体超过一定标准时，会对人产生伤害以及对物件产生侵蚀，因此需要对消毒装置所放出的气体或液体进行检测。同时，当消毒过程中出现人员误闯时，系统应立即停止工作，并给予提示，待人员离开后继续工作。3）消毒系统应该为一个整体，使安装和检修更加方便，且使公交车原有线路与管路不会出现较大的改变。

1.2 数据分析

根据李萍对城市公交运行过程中清洗消毒对传染病预防的研究[3]及陈玉娟等人对芜湖市公交车内微生物污染情况的调查结果分析[4]得出以下结论。

对芜湖市公交车内非空气微生物的检测结果显示，在检测的 188 个样品中，超出标准的有 14 个，超标率为 7.4%。对车内空气微生物检测结果显示，在检测的78 个样品中，超出标准的有 4 个，超标率为 5.6%。

城市公交的手扶部位主要是吊环拉手、横（竖）扶手杆和座椅靠背扶手。数据检测结果显示，横（竖）扶手杆检测合格率最低，其次是吊环拉手，座椅靠背扶手的检测合格率相对较高，具体数据见表1。

表1 公交车内不同手扶部位污染状况比较[例（%）]

数据表明，该设备的主要消毒对象应该为横（竖）扶手杆，其次为吊环拉手，最后为座椅靠背扶手。因为主要的消毒对象集中在车厢的上部，所以该设备可以采用顶部布置的结构。

在全天的运营过程中，中班车辆车内扶手细菌总数和大肠菌群的合格率最低，其次为晚班车辆，早班车辆的对应参数检测合格率均最高，具体数据见表2。

表2 不同运行时段车内手扶部位微生物污染状况比较 [例（%）]

经过分析可以发现，可以将对车内进行消毒的时间确定在中班车和晚班车运行结束后。但是根据实际情况来看，对城市公交的消毒无法做到一客一消毒，也不可能一日多次完全消毒。因此，公交车车内消毒的时间可以定为每次运行结束后对主要污染区进行快速消毒以及每天晚上运行结束后进行 1 次全面消毒。

乘客上车前后，手部微生物污染情况也存在明显的差异，见表3。

表3 乘客乘车前后手部微生物污染状况比较 [例（%）]

分析表明，上车前后手部微生物污染情况有显著差异，说明乘车后确实受到了污染。手部检出致病菌，一方面说明确实有部分乘客上车前手部就携带有致病菌；另一方面表明，这些乘客有可能通过车内的扶手间接地将病菌传染给他人。这也说明，对车内进行消毒是十分有必要的。

2 系统设计

2.1 系统设计流程

该文设计了一种主要应用于城市公共汽车的基于单片机与手机控制的车内复合式消杀系统。该系统包括消毒液存储与泵给模块、系统运行判断模块、消毒模块、应急处理模块以及人体红外感测探头（以下简称感测探头）等。

在消毒方面，选用喷洒消毒液[5]与臭氧消毒相结合的方式。消毒液喷洒装置完成对车厢内主要污染区表面进行快速消毒；臭氧消毒装置主要在运行结束后对车内进行全面消毒。为了实现喷洒面积的最大化，采用喷头摆动和沿一定轨道移动的方式进行消毒，同时为了加快消毒液的蒸发，在喷头处采用雾化装置。由于上述所有设备均需要12 V 的电压进行驱动，而单片机自身的输出电压最高只有5 V，因此采用继电器实现对喷洒装置的硬件控制。

2.2 系统工作流程

系统在相应的控制方式下，符合预定工作条件后，开始消毒工作。在工作时间内，消毒模块正常运行。单次运行结束后，喷洒模块进行消毒液的喷洒；单日运行结束后，臭氧模块生成臭氧并保持浓度稳定在适合的范围。在消毒过程中，感应探头检测是否有人员存在，并在达到应急条件时做出规定的应急反应，保护人员。主要的工作流程如图1 所示。

图1 消杀系统工作流程图

2.2.1 系统控制方式

该系统主要有2 种控制方式：1）通过手机App 经Wi-Fi或蓝牙模块连接设备（以下主要介绍蓝牙连接），人员可以在车外通过手机对消毒工作的启停进行控制。2）通过单片机的内置程序，依据车辆运行时间提前设定的准许消毒时间对消毒工作的启停进行控制。

在2 种控制方式中，手机控制的优先级高于单片机内置程序控制。

2.2.2 系统预定工作条件

系统的运行主要依靠3个因素：1）单片机通过引线连接的时钟模块实现计时的功能，当到达内置程序规定的准许消毒时间时，第一个条件达成。2）如果手机没有对设备的工作进行干预，那么第二个条件达成（如果在单片机未到达内置程序规定的准许消毒时间时，手机操控设备开始工作，那么第、二个条件达成）。3）如果感应探头监测到车内没有人员存在时，那么第三个条件达成，消杀系统开始工作。

2.2.3 喷洒模块的工作流程

在消杀系统开始工作后，主单片机通过内置程序控制喷洒模块开始工作。

综上所述，喷洒模块由步进电机、固定在步进电机输出轴端的雾化喷头和移动滑轨组成，其工作过程主要表现如下：1）雾化喷头通过声波雾化的方式持续地将消毒液转化为消毒喷雾喷出，进行液体消毒工作。2）步进电机带动雾化喷头在规定的角度内往复摆动，增大消毒喷雾覆盖面积。3）移动滑轨通过X轴、Y轴方向上步进电机的顺次工作，带动雾化喷头在限定的工作轨迹内往复运动，进一步增大消毒的覆盖范围（移动滑轨的长度可以根据具体车内空间的大小进行定制）。

2.2.4 臭氧模块的工作流程

臭氧模块主要由臭氧发生器、LCD 显示屏和臭氧浓度传感器组成。

在主单片机控制继电器给臭氧模块接通电源之后，臭氧发生器开始产生臭氧，在臭氧浓度达到规定的阈值之前持续工作。当臭氧浓度超过规定的阈值时，臭氧浓度传感器会向主单片机发出信号，使臭氧发生器停止工作，从而保证臭氧浓度在规定的消毒工作时间内保持在有效消毒的浓度范围内（整个消毒过程中，LCD 显示屏持续显示臭氧的浓度，方便人员对其进行监测）。为了精确控制臭氧浓度，该装置采用模糊PID 控制，单片机将臭氧浓度传感器的电信号处理为阈值为40 的臭氧浓度信号[6]，将每个时刻的臭氧浓度E和每个时刻与前一时刻的臭氧浓度差EC作为模糊PID 的输入量，并将P、I以及D作为输出变量，具体如图2 所示。

图2 臭氧浓度的PID 模型

为找出P、I以及D3 个参数与E、EC之间的关系，在该装置工作的过程中，根据模糊控制原理，单片机不断对P、I以及D3 个参数进行在线修改以满足E在30 mg/L～50 mg/L、EC在-10 mg/L～10 mg/L 的要求，从而使臭氧浓度的检测与控制具有良好的动、静态性能。

2.2.5 应急处理模块

应急处理模块主要由感测探头、语音提示模块构成。在消毒工作时间内，感测探头会持续检测消毒范围内是否有人员进入，当有人员进入时，感测探头会向单片机发送指令，使其停止消毒模块的工作，并同时发出语音提示，实现对人员的保护功能。

2.3 过程编程控制

该系统采用工控系统和蓝牙模块进行控制，工控系统设主、副2 个单片机。

2.3.1 工控系统

2.3.1.1 主单片机编程内容

主单片的编程内容主要涉及6 个方面，具体如下：1）连接时钟模块。通过对时钟模块的初始化，实现计时功能，从而可以通过程序编程完成对工作开始时间、结束时间的定时设置。2）连接蓝牙模块。通过内部程序的编写，实现与手机蓝牙的连接。3）连接副单片机、臭氧发生器电源控制器。分别控制副单片机和臭氧发生器工作的启停。4）连接感测探头。通过读取感测探头输出的信号，实现对消毒开始时刻车内人员有无的监测、消毒过程中是否有人员误入的监测以及相应的应急反应操作。5）连接臭氧浓度传感器和LCD 显示屏。实现对车内臭氧浓度的反馈调节和实时显示。6）连接语音提示模块。实现对装置所处状态的播报以及在消毒过程中有人员误入时进行语音提示。

2.3.1.2 副单片机编程内容

副单片机连接步进电机和限位开关，控制步进电机按照规定的次序和限位开关限定的行程进行顺次工作，保证喷洒模块可以按照既定的工作轨迹运行，避免出现相互干涉以及超出滑轨行程的问题。

2.3.2 蓝牙模块

蓝牙模块通过手机蓝牙与手机App 配对连接，实现手机对系统工作启停的控制（主要通过控制工作电源的通断来控制消毒工作的启停）。

3 创新特色

与以往的车内人工喷洒消毒液消毒相比，该装置主要有以下3 个特色：1）与现有汽车车内普遍采用人工消毒的方式不同，该项目运用单片机内置程序通过手机蓝牙与手机App 连接的方式对装置进行联合控制，实现对设备的智能化操控。同时通过各传感器反馈的数据，实现在消毒过程中对装置的闭环控制。2）臭氧和消毒液的复合消毒，提高了消毒效率，同时在消毒时避免了人与车内环境的直接接触，对防疫有积极的意义。3）装置采用吊装的方式安装在公交车顶，减少了占用的空间。安置在导轨上的喷头在消毒过程中会自动调节角度，增大了喷洒范围，提高了消毒效率。

4 结语

现有的公交车人工消毒方式及已研制的车内消毒存在一些缺陷，无法有效满足在疫情下的大众需求。针对这一问题开展的车内智能复合消毒装置的设计研发，全面考虑了装置的落地性，最终产品的可实用性强。不仅对消毒方式进行了复合，而且在控制方式上也有所创新，同时也提高了对人员的保护力度。该装置主要应用在城市公交车上，因其对疫情之下的公共卫生安全有很大的现实意义，所以前景广阔，同时可进一步推广至出租车及城市轨道交通领域。在未来的共享交通方面，该消毒系统也可以发挥十分重要的作用。