基于三軸加速度傳感器的電梯智能防疫消殺裝置設計

彭雪鵬，史 峰，付 饒

（撫順職業技術學院，遼寧撫順 113122）

電梯是極易產生交叉感染的地方。在新冠肺炎疫情防控工作中，電梯防疫是重點更是難點。中國工程院院士、國家呼吸系統疾病臨床醫學研究中心主任、高級別專家組組長鐘南山在2020年2月接受記者采訪時明確指出，電梯是病毒傳播的高危地點，很容易造成疫情的傳播。疫情期間為了防止交叉感染，甚至有些公司和公寓關閉了電梯，人們直接爬樓梯上班，給生活帶來不便[1]。

1 國內外研究概況、水平和發展趨勢

1.1 國內外電梯轎廂的消殺方式

（1）根據電梯使用頻率和樓內人員數量，每2～4 h 對電梯進行一次常規消毒工作，對轎廂噴灑或擦拭消毒劑。這種方式存在消毒有死角、消毒劑殘留多、可能腐蝕電子元器件等弊端，極大地增加了物業管理人員的工作強度，同時也會出現兩次消毒間隙中的交叉感染的可能性。電梯按鈕不是完全密封的，直接對著電梯按鈕噴消毒液可能造成電腦板短路。

（2）為了避免電梯按鈕引發的交叉感染，人們使用在電梯按鈕上貼保鮮膜、電梯里放置一次性紙巾、牙簽等方法，但是這些保鮮膜、紙巾、牙簽長時間暴露在密閉的電梯里，如果有病毒攜帶者進出電梯，紙巾、保鮮膜、牙簽上面就可能沾有病毒了，下一個接觸者就可能成為新的感染源。

（3）紫外線消毒。紫外線燈是醫療衛生機構廣泛使用的消毒滅菌設備，根據權威測試，紫外線對于新冠病毒在內的幾乎所有病毒、細菌都有良好的消殺效果[2]。但是紫外線對人體也有一定程度的損傷。有的電梯廠家使用紅外感應裝置，當電梯轎廂內有人時，紫外線燈會自動關閉，等電梯處于空閑狀態時，紫外線燈就自動點亮。這種檢測方式在感應到人體后，才熄滅紫外線燈，仍有損傷視力的可能性。

1.2 國內外電梯轎廂的研究發展趨勢

（1）人臉識別技術乘梯或聲控乘梯，用戶通過掃臉或聲控，實現開門、呼梯、自動點亮目的樓層。

（2）通過手機App、微信小程序、手機藍牙等移動端應用不接觸控制電梯。

（3）自動擦拭按鍵裝置，電梯按鍵消毒全自動化運作，物業工作人員每天只需在自動擦拭板上添加一次消毒液，裝置就可以運作一整天，時刻給電梯按鈕消殺。

（4）使用納米水離子技術、采用專業抗菌按鈕降低電梯按鍵的交叉感染。

1.3 現有技術存在的問題

（1）新生產的電梯設置較為容易，老舊電梯控制系統不同，改造的難度極大。需要對現有電梯進行較大的改動，成本高且不同廠家的電梯產品零件無通用性。

（2）價格高昂，安裝不便，維護費用高昂。需要對每臺電梯增加數據模塊。

（3）掃描二維碼需要配備手機，對沒有攜帶手機習慣的老年人較為不便。

2 電梯轎廂內病毒傳播方式及消殺方案

2.1 電梯轎廂內病毒傳播方式

電梯具有封閉性、空間狹小、人員聚集的特點，電梯轎廂內病毒傳播方式有飛沫傳播和接觸傳播等方式[3]。研究表明，新型冠狀病毒的傳播距離可以達到約4 m[4]，來自感染者的飛沫和氣溶膠相互伴隨產生，飛沫不斷蒸發，剩下蛋白質和病原微生物組成液核，可能飄浮在空氣中，氣溶膠的組成是空氣中液體或固體的懸浮物，懸浮顆粒直徑最小可達到亞微米級，可能長時間懸浮于空氣而無法沉降[5]。減少飛沫和氣溶膠的辦法有保持良好通風、用通風氣流盡快迫使其沉降、避免橫向氣流、降低室內相對濕度等辦法。

2.2 電梯轎廂內病毒消殺方式比較

（1）酒精消殺。酒精可以溶解冠狀病毒外膜，但酒精易揮發、易燃，經常性地安排專人對電梯轎廂進行酒精擦拭消毒需要的人力成本太高，使用噴霧的方式還容易造成火災等安全事故，因此酒精消殺不適用于電梯轎廂。

（2）消毒液（粉）消殺。將消毒液（粉）根據一定的配比稀釋后（融化后），再噴灑到需要消毒的區域可起到消殺的效果。缺點是噴灑仍需要人工完成操作，自動噴灑覆蓋容易不均勻，死角區域不易覆蓋，氣味刺鼻可能產生二次污染，因此消毒液（粉）消殺不適用于電梯轎廂。

（3）紫外線消殺。紫外線消毒通常以紫外線燈管、紫外線消毒柜等設備進行消毒作業，作業范圍廣而迅速，尤其是深紫外LED 對病毒的殺滅可達到廣譜性、快速性、無害性。缺點是沒有持續消毒能力，照射盲區無法消毒，使用不當易造成紫外線灼傷事件。紫外線灼傷可造成暴露者皮膚灼傷、眼瞼紅腫、結膜充血、畏光、流淚和視物模糊等[6]，紫外線消殺適用于電梯轎廂，但要防止產生紫外線灼傷。

（4）臭氧消殺，臭氧有一定的毒性，濃度太低消毒效果不理想，臭氧濃度太高，對人體有害，因此臭氧消殺不適用于電梯轎廂。

（5）過氧化氫消殺，過氧化氫有很強的氧化能力，能破壞細菌菌體，分解產物是無任何毒害、無任何刺激作用的水和氧氣，具有不會形成二次污染。過氧化氫消毒的時候需要將其制成干霧或蒸汽兩種形態，過氧化氫干霧（aerosolized hydrogen peroxide，AHP）和過氧化氫蒸汽（hydrogen peroxide vapor，HPV）的消毒效果哪種最佳國內外尚有爭論。用于電梯轎廂，特別是用于電梯按鍵的消毒，干霧里液滴含量極少，不會對電梯按鍵內部的電路板產生腐蝕，因此過氧化氫干霧消殺適用于電梯轎廂。

3 基于三軸加速度傳感器的電梯智能防疫消殺裝置原理及組成

3.1 基于三軸加速度傳感器的電梯智能防疫消殺裝置研究的必要性

根據中國電梯協會公開數據顯示，截至2020年年底，國內電梯注冊總量達到779萬臺。2023年中國電梯保有量將超過千萬臺。電梯數量較多，如果采用人力免疫消殺，應根據電梯使用頻率，每2～4 h 需要對電梯進行一次常規消毒工作。這種方式極大地增加了物業管理人員的工作強度，占用大量人力資源。新生產的電梯設置免疫功能較為容易，現存的幾百萬臺老舊電梯由于控制系統不同，進行廠家“免疫電梯”改造的難度極大，需要前期對每臺電梯增加數據模塊，改造費用高昂，安裝不便。簡易、價廉、方便的電梯轎廂智能消殺凈化裝置的研制成功和使用將帶來較大的社會效益。

3.2 基于三軸加速度傳感器的電梯智能防疫消殺裝置原理及組成

電梯上下運動工作時，其加減速度不小于0.5 m/s。三軸加速度傳感器的檢測系統可通過加速度、振動的檢測，判斷出電梯的工作狀態，電梯上下運動時，電梯智能消殺凈化裝置只有空氣消毒、過濾模塊工作。空氣消毒、過濾模塊通過軸流風機抽取電梯內的空氣，進入螺旋石英玻璃管，用深紫外進行消毒，深紫外消毒設備由紫外發光二極管（UV-LED）排列成陣列，紫外線被設備在的殼體密閉住，避免了向外泄漏。

消殺后的空氣經過兩個轉盤噴頭、兩個噴霧噴頭形成的水幕洗滌，去除空氣中的懸浮粒子及飛沫，濕潤的空氣經過一級除水簾、二級除水簾去除空氣中的水滴，經過單層絲網濾料除霧，消毒、洗滌、除濕后的空氣采用上送下回的氣流組織送回電梯，上送下回可充分發揮橫向氣流遏制作用，使局部污染盡快沉降，減少飛沫、氣云飄移、擴散，減小水平橫向氣流，抑制推移氣云四處飄移，稀釋置換轎廂內污染空氣，達到消毒潔凈空氣目的，圖1為電梯轎廂智能消殺凈化裝置結構示意圖。

圖1 電梯轎廂智能消殺凈化裝置結構示意圖

為節省能源，1 h 內三軸加速度傳感器連續檢測不到電梯動作，水幕過濾及紫外線照射停止工作。在疫情嚴重的非常規狀態下，或是醫院等高風險區域的電梯，可在循環水里加入消毒劑以加強消殺效果并設置成水幕過濾及紫外線照射始終工作的狀態。

電梯靜止待機時，紅外傳感器檢測電梯里有無人員，如無人員，嵌入式系統中的計時控制器開始工作，常規狀態下，計時5 min 內電梯仍在待機狀態，過氧化氫消毒干霧系統啟動，通過柔性汽化過氧化氫噴射管對電梯按鍵完成一遍小劑量噴射過氧化氫干霧消毒，柔性汽化過氧化氫噴射管的方向、位置可進行調節以適應不同電梯的按鍵。噴射消毒的過程中，如三軸加速度傳感器檢測到電梯動作，電梯按鍵噴射消毒動作馬上終止。電梯靜止待機計時30 min 后，過氧化氫消毒干霧系統啟動，對電梯內部完成一遍噴射大劑量過氧化氫干霧消毒。噴射消毒的過程中，如三軸加速度傳感器檢測到電梯動作，噴射消毒馬上終止。根據當地疫情情況，可調整減少或增加待機時間，以提高或減少消殺的次數。

4 基于三軸加速度傳感器的電梯智能防疫消殺裝置的優勢

不同場所的電梯，對于轎廂消殺凈化的要求是不一樣的，環境不同、客流量不同、消殺要求不同，這些變化使得傳統的定時消毒制度不能達到滿意效果。傳統的電梯內紫外線燈消毒，存在著極易誤開、紫外線灼傷、消殺不徹底等問題，如只是用紅外傳感器控制紫外線燈，可能出現人已經進入電梯，紫外線燈才關閉的情況，仍然可能對人體造成傷害，甚至可能留下后遺癥。文章設計的電梯智能防疫消殺裝置，根據三軸加速度傳感器、紅外傳感器自動判斷出電梯工作狀態及內部是否有人，使消殺工作的過程更趨于智能化。可大幅度減少人力免疫消殺占用的資源，對現有電梯基本不用改造，可帶來較大的社會效益。從維護公共衛生安全的角度來說，該系統的應用具有很大的市場潛在需求，可以在疫情結束后長期使用。