基于物联网技术的城市公共交通智能感应杀菌系统研究★

陈立新

（酒泉职业技术学院， 甘肃 酒泉 735000）

引言

交通作为兴国之要、强国之基，在交通强国背景下，大数据、智能化、物联网、云计算等前沿信息技术为智慧交通发展做出了卓越贡献。随着我国城市公共交通运输业的迅速发展和健康意识的提高，尤其是快速大运量公共交通系统给人们的出行带来了极大的便利。大量研究表明，空气是大部分疾病传播的主要载体。目前市场上大部分公共交通均为封闭乘车环境，极大地减少了空气流通的机会，势必会增加乘客之间的传播风险，给乘客带来极大的困扰。此外，人们在乘坐过程中将会在车厢内部、座位、把手等部位聚集灰尘、水分及其他物质，这些物质成为微生物滋生的温床，极易造成车厢内空气混浊、异味和细菌超标，严重影响人体健康和乘车体验。针对上述问题，急需从根本上解决现有城市公共交通车厢内空气杀菌问题，为乘客营造舒适的乘车环境。

1 研究背景

数字交通“十四五”发展规划明确指出，要以数字化、网络化、智能化为主线，让先进信息技术赋能交通运输高质量发展，为物联网技术在智慧交通领域的发展提供了广阔的平台，在“云物大智”时代，“云”上生活正在逐渐成为主流生活方式，智慧交通必将成为智慧城市建设的大背景下逐渐兴起的支柱产业。

随着人们环保意识的增强和绿色交通理念的提出，绿色低碳出行受到了人们的青睐，快速大运量公交通系统给人们出行带来了极大的便利。据中国旅游研究院和中银证券统计，2021 年五一假期游客出行方式主要集中在自驾、高铁、飞机、长途汽车和普通火车等（见图1），以上大部分出行方式，乘客均处于封闭空间内。基于上述庞大的市场需求，空气杀菌成为了当前迫切需要处理的问题。

2 国内外研究现状

随着智慧城市的建设，智慧交通必将为物联网技术提供庞大的工业应用场景，注入市场发展活力和动力。

目前国内外常用的空气净化方式有：高效Hepa过滤法、吸附法净化、静电技术、负离子技术、光催化净化技术、臭氧净化技术、紫外线消毒和臭氧消毒等，公共交通主要采用活性炭消毒、紫外线消毒、臭氧消毒和消毒剂消毒等方式，通过吸附、气雾或烟雾熏蒸以及气溶胶喷雾等方法，均是治标不治本，普遍设备维护管理成本较高，技术难度大。市场上各类空气杀菌消毒设备大多用于室内消毒，目前国内外部分公交车已经安装了空气杀菌装置，但无法及时对车辆进行全面彻底消杀工作，无法实现精细化远程控制，成本控制管理需要花费大量时间和精力等诸多弊端。据调查，人们在乘车过程中惯用纸巾和酒精消毒，消毒纸巾虽然安全，腐蚀性低，且对人体无刺激无伤害，但成本较高无法普及使用。酒精虽可有效灭活病毒，但酒精只可擦拭，不可喷洒用于空气消毒，对频繁使用的公共交通消毒效果甚微。

通过专利之星、中国知网、incoPat 等对中国专利、全球专利进行了空气消毒的相关专利检索，从全球空气消毒专利主要申请人的申请数量分析，申请人全部为企业，这也说明了空气消毒领域的技术研发已经比较完备，现阶段的研发主要集中在技术的成果转化和实际应用。

3 系统总体设计

随着人们健康意识的不断提高，对乘坐公共交通过程中的公共卫生防护问题提出了更高的要求，通过对现有公交车辆空气杀菌装置进行分析，现有产品存在以下缺陷：一是系统启停工作需要人工操作完成，无法实现远程智能化控制。二是当有人员在消毒过程中进入车内时，系统无法及时发出预警信号，并自动停止工作。

因此，城市公共交通智能杀菌系统应满足以下要求：一是应根据人员密度和运营周期选择相对固定的空余时间进行消杀，并能在运营环境变化时，远程智能调整系统启动时间和工作时长。二是在工作过程中，尽可能减少对车内设施和物品的伤害。三是应设置人员预警装置，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。四是系统应该为一个整体,使安装和检修更加方便，充分利用公交车原有线路，保证车厢内部的整体效果。五是分段实现动态消杀、在保障运力的情况下实现人机共存。

3.1 系统工作流程

基于物联网技术的城市公共交通智能感应杀菌系统由智能化远程控制单元、控制系统电路供电模块、深紫外空气消毒模块和人体红外感应模块四部分组成。

智能化远程控制单元能够对控制系统电路供电模块、深紫外空气消毒模块和人体红外感应模块进行远程操作。当车辆中转或检修作业时，该系统通过人体红外感应模块采集环境数据，感知工作场所是否有人，当车厢内无人时，将数据传递至智能化远程控制单元，根据智能化远程控制单元指令，启动深紫外空气消毒模块，使其开始工作。当车厢门有人时，系统自动中止工作，避免对人员构成不必要的伤害。以智能化深紫外空气消毒模块为核心，将感知系统、通信网络和控制系统等组成单元与电子终端设备有机融合在一起，以信息为主导，实现物联网背景下的智能化杀菌系统研发，将数据的采集、分析、决策一体化，形成从电子终端设备、通信、感知、控制到决策管理层级的精准协同作业系统。可有效降低传统液体消毒对车体金属部件的腐蚀和车辆物品的损毁，还可实现无人作业，有效降低公共交通系统运营成本。

3.2 系统工作控制方式

该系统基于人体红外感应模块采集环境数据，感知工作场所是否有人，将数据传递至智能化远程控制单元，可实现远程动态实时控制。

3.3 系统预定工作条件

因紫外线会伤害人体，容易使皮肤和眼睛产生不适症状，因此该系统须在无人环境下工作。

3.4 模块设计

3.4.1 智能化远程控制单元

智能化远程控制单元采用基于ATmega328P 的Arduino 开发板，它有14 个数字输入/输出引脚（其中6 个可用于PWM 输出）、1 个16 MHz 的晶体振荡器、6 个模拟输入引脚、1 个ICSP 接口、1 个DC 接口、1 个USB 接口和1 个复位按钮，足可以满足装置使用要求。红外人体传感模块的输出引脚应接在开发板的任意一个数字输入引脚上，GND 引脚接在开发板的接地引脚，VCC 引脚接在开发板的+5 V 引脚。

当智能化远程控制单元接受到人体红外感应模块驱动信号，通过中间继电器控制指示灯闪烁，提醒乘客智能感应杀菌系统不工作。当智能化远程控制单元未接收到人体红外感应模块感应信号时，利用中间继电器启动深紫外LED 杀菌模块，开始进行消杀工作。根据实际需求，可设置在固定时间段内自动工作，从而实现智能化控制。通过WiFi 通信模块，将数据结果发送给中央控制器，根据设计参数进行实时动态更新。

3.4.2 控制系统电路供电模块

基于不同应用场景，本项目有两种控制系统电路供电方式选择。

方案一：可使用于地铁车厢、公共场所室内消杀工作，采用内部照明220 V 电源供电，需通过整流和降压处理为12 V 电源电压，间接为人体红外人体感应模块供电。

方案二：主要用于公交车、冷链食品运输车辆和出租车车厢内杀菌消毒，其工作电压为12 V/24 V 两种，可直接为人体红外人体感应模块供电。

3.4.3 深紫外空气杀菌模块

紫外线分为天然紫外线和人工紫外线两种。按照波长，紫外线通常分为UVA（320～400 nm）、UVB（280～320 nm）、UVC（200～280 nm）三种，UVC 波段紫外光具有波长短、能量高的特点,在高强度照射下，5 s 即可实现99%～99.9%的杀菌率。紫外光子的吸收可使DNA 和RNA 的结构发生变化，导致细菌自身新陈代谢发生变化,从而导致细胞死亡,达到直接杀灭或抑制微生物繁殖的作用。可适用于气体、液体和吸收系数很小的固体表面。

天然紫外线作为传统的杀菌方式，已在人们的日常生活中普遍使用。但是，随着人们生活方式的改变，已无法满足现有需求，城市公共交通封闭的乘车环境大大减少了空气流通的机会，使得物体外表和空气中存在大批的细菌和病毒。大量研究表明，紫外线可在一定范围内灭活大部分细菌和病毒，因此深紫外LED灯受到了人们的青睐，庞大的市场需求助推国内外众多企业迅速登上了发展的快艇。本项目选用深紫外LED 技术对车内环境进行定期消杀，为乘客提供安全温馨的乘车环境。

本项目选用H17 2G11 杀菌紫外线灯，利用253.7 nm 波长的紫外线，对车内物体表面和空气进行消杀。由于紫外线只能沿直线传播，而且穿透能力较弱，在进行物体表面消毒时，紫外线灯需参照待消毒的表面正对安装，尽量使消毒部位处于紫外线照射范围内，以保证杀菌效果。空气杀菌时紫外线灯常采用吊顶安装方式，由于空气吸收系数很低，空气随机运动使得分子的定向攻击更为有利，且多次循环杀菌的机会更多，杀菌效果显著，见图2。

紫外空气消毒模块受智能化远程控制单元控制，基于人体红外感应模块信号数据和系统控制策略，来控制紫外空气消毒模块供电电路的通断。紫外空气消毒模块可快速对车厢内部空气、座位和把手表面进行集中、精准地照射杀菌，具有以下优点：

1）杀菌过程是一个物理破坏过程，不受环境温度、湿度、浓度等外界环境条件影响。

2）无毒、无残留和无异味，洁净环保，不影响人体健康。

3）无需使用组合药剂，可从根本上切断细菌和病毒在空气中的传播路径。

4）紫外LED 灯体积小、瞬间启动、发光面积可调节。

3.4.4 红外人体感应模块

本项目选用HC-SR501 红外人体感应模块（见图3），该模块集成了感应模块、信号放大模块和AD转换模块，工作设置电压为DC 12 V/24 V 两种。选用德国原装进口LH1788 双元探头，可实现高灵敏度和高可靠性。采用低电压工作模式，安全节能。采用人体热释电原理来感知车厢内是否有人存在，利用红外探测传感器将人体发出的红外和外界物体的红外区分开。正常情况下人体正常体温维持在36～37 ℃之间，人体自身将会发出10 μm 左右特定波长的红外线。HC-SR501 红外人体感应模块上的被动式红外探头，通过人体发射的10 um 左右的红外线，来判断检测范围内是否有人存在。人体作为热源发出特定波长的红外线，利用菲泥尔滤光片增强后，汇集到热释电元件红外感应源上。热释电元件将接收到的人体红外辐射温度变化为信号，从而失去电荷平衡，向外释放电荷，再经后续放大电路检测处理后，即可发出控制和预警信号。当人体位于HC-SR501 人体红外感应模块的探测区域内时，其信号引脚输出高电平。当人体离开模块探测区域时，该模块的信号引脚将自动延时关闭高电平，输出低电平。将低电平信号转化后输入智能化远程控制单元，间接控制深紫外空气消毒模块，对车厢内进行消杀工作。

4 应用推广

本项目聚焦城市公共交通杀菌消毒智能控制核心关键技术，采用硬件、网络与软件结合的方式，具备以下优点：

1）根据环境使用需求，可动态调整工作时间。

2）基于互联网远程操控，极大地减少人工成本。

3）利用智能化远程控制单元自动控制调整工作时间，无需人工操作。

4）采用人体红外感应模块感知工作场所有无人员存在，减少对人员造成伤害。

该研究成果主要应用于航空、铁路、公交、地铁等领域智能化杀菌，也可用于冷链食品运输过程中的杀菌保鲜，可短时间内进行车辆及物品杀菌消毒，可有效防止流感病毒引起的一系列急性呼吸道传染病，可从源头杜绝食物病毒对人体的危害，保障人体健康的同时，极大地降低了人力、物力成本和环境危害。该研究成果可辐射于娱乐场所、医疗、餐饮业、学校等公共场所。

依托该项目搭建“互联网+交通”服务平台，推动互联网、大数据、人工智能等前沿技术和实体经济深度融合，拓展网络信息技术在交通运输领域应用的深度和广度，为人们健康出行保驾护航。