基于树莓派4B的列车车厢移动式空气环境监测平台构建

李修岭

（中国铁路兰州局集团有限公司，甘肃 兰州 730030）

1 引言

截至2021年底，高铁已通达93%的50万人口以上城市，高铁出行日渐成为主流。但随着客流量的增加，高铁车厢中的空气质量引起人们广泛关注。列车车厢空气品质不仅关乎健康，更是影响出行舒适度。因此，空气品质保持较优水平尤为重要。目前，国内主要依靠人工经验调节列车车厢空气，无法实时精确调控。因而，亟需构建空气环境监测平台，实时监测车厢空气质量。

目前，气体监测装置的设计多使用红外检测、半导体传感器以及电化学法。张胥等[1]基于非分光红外检测法设计了3组分气体无线检测装置。白雪[2]以STM32F103为主控芯片设计了便携的CO实时监测装置。但现有设计中多存在所测气体不全面、数据观测不便的问题，且大多采用的微处理器均无开源扩展功能，还需软件开发、设计控制页面，整体软、硬件投入过大，无法在各个列车车厢普遍使用。

列车车厢涉及气体环境复杂且由于是密闭空间，气体环境波动相对较大，监测平台设计关键在于便携式、多组分、可视化，因此，利用树莓派4B小巧便捷、成本低、数据传输及处理能力强、开发性高的特点[3]，结合多种传感器搭建实时气体环境监测平台并进行质量评价，可弥补传统监测系统不足，主要研究内容如下：

（1）研究列车车厢的空气品质现状，总结列车车厢所需监测类型及空气品质评价标准。

（2）提出一种满足实时监测需求的移动式气体环境监测平台的搭建方案，为其他领域气体监测平台的构建提供新思路。

（3）基于Python数据处理技术，结合监测数据，实现当前列车厢实时空气质量评价，为制定精确改善列车车厢内空气品质的策略提供参数参考。

2 车厢气体环境监测平台搭建方案

列车车厢气体环境监测平台搭建包括感知层、传输层、平台层及应用层，涉及多个模块，主要包括树莓派4B、电源电池、各类传感器模块、北斗定位模块、显示器和时钟模块，整体组装成为一件监测装置，其设计构造如图1所示，车厢气体环境监测平台搭建方案整体架构如图2所示。

图2 车厢气体环境监测平台搭建方案整体架构图

感知层由树莓派4B、多种传感器及北斗模块构成，完成数据的实时采集，经传输层处理与传输，基于Python系统在平台层展示实时监测数据，通过Python数据分析处理技术对当前列车车厢实时空气质量进行评价，车厢工作人员即可根据评价结果精准调整车厢内空气环境。

2.1 感知层

感知层是物联网的皮肤和五官，位于物联网3层结构中的最底层，其功能为“感知”，即通过传感网络获取环境信息。感知层是物联网的核心，是信息采集的关键部分。作为整个列车车厢实时空气环境监测平台的基础，由传感器及时钟、北斗模块搭载中央操作设备，针对当前车厢空气环境进行实时数据采集。中央操作设备使用开源设计控制器树莓派4B，相关传感器则在可连接、测量精确、稳定性强以及多个传感器不冲突的基础上选择。

2.1.1 中央操作设备

中央操作设备是整个搭建方案的核心，选用树莓派4B。它是一款硬件尺寸小、功能多、具有丰富接口、使用灵活方便的开源型控制电脑。系统基于Linux，具有高效的数据能力、较高的开放性及实时性，便于开发系统后续扩展[4]。树莓派4B主板可接入面包板以便安装更多的传感器模块，在此基础上发挥其强大的数据处理能力。

树莓派4B开发板主要部件有千兆以太网口、内存芯片、电源、USB、CPU等，具有良好的运算与处理能力；除蓝牙5.0，还拥有2.4/5.0G Hz双频无线WLAN；包含USB3.0、USB2.0各2个接口和40个通用I/O接口等对外接口。

对树莓派4B进行开发环境的搭建后即可与相关检测、传输模块等结合使用。在无电源环境下，可借助专配电池便携使用。因此，针对环境复杂、动态移动的列车车厢，基于树莓派4B进行平台搭建能满足监测需求。

2.1.2 检测类型及其传感器选择

（1）检测类型的确定

列车车厢中，人员活动、通风效率等因素都会引起一定空气质量变化[5]，根据环境空气质量国家标准中的污染物项目规定，考虑列车车厢空气环境的现存问题，结合人体在高速运行列车中对空气环境的需求、感受[6]，确定了所需检测类型及其原因，详见表1。

表1 检测类型及其原因

在列车行驶过程中，途经隧道、高原地区会导致车厢O2不足，同时列车车厢内乘客及机组人员占比较大，而车厢CO2浓度与乘客人数呈正相关[7]，因此，对于O2、CO2的监测应加以关注，使其含量处于合适范围。车厢内外温差较大时易引起人外感风寒；车厢温度过低则会使人感到寒冷。因此，车厢温湿度也应予以关注。

（2）传感器选择

针对O2、CO、CO2、PM10、PM2.5、甲醛、温湿度检测项，在考虑测量精度、稳定性及适用性基础上选择传感器类型[8]，经过选型比较分析后，最终选择的传感器型号及工作原理见表2。

表2 传感器类型及工作原理

2.2 传输层

传输层是整个网络体系结构中的关键层次之一，主要负责向2个主机中进程之间的通信提供服务。传输层的服务一般要经历传输连接建立、数据传送、传输连接释放这3个阶段才算完成一个完整的服务过程。将传输层定义为使感知层采集的当前列车车厢实时空气环境数据上传至方案平台层的过程，包含数据采集、判断、处理、上传4个环节，以下将从传输层基本构成以及传感器数据传输过程2个方面进行阐述。

2.2.1 基本构成

传输层搭建需要无线传输模块、电源模块、通用异步收发器（UART）、所采集到的相关数据、PCF8591模块、GPIO引脚接口、跳线以及树莓派开发系统等。其部分构成项及作用见表3。

表3 部分构成项及作用

2.2.2 传感器数据传输

树莓派开发系统收到开始监测指令后，驱动各项监测模块同步实时进行循环测量与控制，动态持续采集车厢内空气环境数据。获取各采集项输出的检测数据后，进行相应数据转换，调整、统一输出格式和长度[9]，完成数据判断、处理过程。传输频率的设置通过树莓派Python中的serial库函数确定UART串口参数，以固定频率通过无线传输模块将数据传输至平台层，完成数据分类存储及显示。

2.3 平台层

Debian Linux环境下的树莓派4B平台，常用人工智能语言Python进行编程开发。它是一种开源、高级解释型语言，有跨平台操作性、嵌入式可移植性特点，可通过RPI.GPIO库的应用控制树莓派4B的GPIO来实现平台控制整套监测设备。平台界面的设计则基于Python自带GUI的tkinter模块，具有多种图形接口。同时实现程序控制以及人机交互图形界面开发，开发应用简便，界面简单直观，适于列车车厢空气环境监测平台的搭建。

平台数据采集基于模块化思路进行设计，包含温湿度传感器数据采集程序、氧气传感器数据采集程序、数据转换程序等。温湿度数据包含日期、时间、地点、温度、湿度5个参数，而其他气体传感器数据包含日期、时间、地点、状态（含量/浓度）4个参数。平台层接收到相关数据后将数据传入后台，进行分类存储的同时将当前的车厢空气质量展示在显示器上。平台层的整个控制过程如图3所示，实现对数据的实时观测、历史数据查询等功能。

图3 平台层控制过程

2.4 应用层

经平台层获得实时空气环境各项气体测量数据后，为便于车厢工作人员直观掌握车厢空气品质状态，结合空气品质国家标准，对各类气体含量、浓度等方面进行实时状态评价，输出各项气体质量等级，辅助工作人员确定科学合理地调控决策。

2.4.1 空气品质评价标准

针对O2、CO、甲醛等需实时监测的车厢空气质量相关指标，进行标准查找。CO、CO2、甲醛、PM10、温度和相对湿度在《公共场所卫生指标及限值要求》（GB 37488—2019）中，均有相应标准。其余检测项参考国家《室内空气质量标准》（GB/T 18883—2002）。各项列车车厢空气品质评价标准见表4。

表4 列车车厢空气品质评价标准

2.4.2 评价结果

依据上述列车车厢空气品质评价标准，对比处理各项数据，即可输出列车车厢内当前空气中的各类气体质量情况，如二氧化碳浓度、PM2.5等级等相关信息，见图4所示。同时根据工作人员需要，可绘制实时监测数据的可视化视图[10]，便于列车车厢工作人员在动态监测基础上把握车厢气体环境变化趋势，精准调节车厢空气品质。

图4 评价结果显示

3 结论

针对高铁车厢空气质量问题，提出了监测指标及其评价标准，提出了检测指标及其评价标准设计了一套列车车厢空气环境实时监测方案，基于树莓派4B搭建平台，借助多种传感器实现对车厢内部空气环境的动态数据监测，具有监测全面、精确度高、便携性好、开发难度和成本低的特点。并且通过树莓派4B的功能可扩展性及丰富接口，还可连接更多硬件，实现后续改良与应用。

对于列车车厢这种移动性的封闭空间，实时的空气环境监测方案，既能解决列车车厢内空气环境动态监测的技术难题，满足车厢内空气环境智能调节的要求，保障出行者健康，提升乘坐舒适感，又能控制车厢内空气循环系统低能耗运行，降低成本。因此，该方案设计对提升乘客的体验满意度、节能减耗及后续列车车厢空气品质改善策略的研究具有重要意义。