基于物聯網技術的城市公共交通智能感應殺菌系統研究★

陳立新

（酒泉職業技術學院， 甘肅 酒泉 735000）

引言

交通作為興國之要、強國之基，在交通強國背景下，大數據、智能化、物聯網、云計算等前沿信息技術為智慧交通發展做出了卓越貢獻。隨著我國城市公共交通運輸業的迅速發展和健康意識的提高，尤其是快速大運量公共交通系統給人們的出行帶來了極大的便利。大量研究表明，空氣是大部分疾病傳播的主要載體。目前市場上大部分公共交通均為封閉乘車環境，極大地減少了空氣流通的機會，勢必會增加乘客之間的傳播風險，給乘客帶來極大的困擾。此外，人們在乘坐過程中將會在車廂內部、座位、把手等部位聚集灰塵、水分及其他物質，這些物質成為微生物滋生的溫床，極易造成車廂內空氣混濁、異味和細菌超標，嚴重影響人體健康和乘車體驗。針對上述問題，急需從根本上解決現有城市公共交通車廂內空氣殺菌問題，為乘客營造舒適的乘車環境。

1 研究背景

數字交通“十四五”發展規劃明確指出，要以數字化、網絡化、智能化為主線，讓先進信息技術賦能交通運輸高質量發展，為物聯網技術在智慧交通領域的發展提供了廣闊的平臺，在“云物大智”時代，“云”上生活正在逐漸成為主流生活方式，智慧交通必將成為智慧城市建設的大背景下逐漸興起的支柱產業。

隨著人們環保意識的增強和綠色交通理念的提出，綠色低碳出行受到了人們的青睞，快速大運量公交通系統給人們出行帶來了極大的便利。據中國旅游研究院和中銀證券統計，2021 年五一假期游客出行方式主要集中在自駕、高鐵、飛機、長途汽車和普通火車等（見圖1），以上大部分出行方式，乘客均處于封閉空間內。基于上述龐大的市場需求，空氣殺菌成為了當前迫切需要處理的問題。

2 國內外研究現狀

隨著智慧城市的建設，智慧交通必將為物聯網技術提供龐大的工業應用場景，注入市場發展活力和動力。

目前國內外常用的空氣凈化方式有：高效Hepa過濾法、吸附法凈化、靜電技術、負離子技術、光催化凈化技術、臭氧凈化技術、紫外線消毒和臭氧消毒等，公共交通主要采用活性炭消毒、紫外線消毒、臭氧消毒和消毒劑消毒等方式，通過吸附、氣霧或煙霧熏蒸以及氣溶膠噴霧等方法，均是治標不治本，普遍設備維護管理成本較高，技術難度大。市場上各類空氣殺菌消毒設備大多用于室內消毒，目前國內外部分公交車已經安裝了空氣殺菌裝置，但無法及時對車輛進行全面徹底消殺工作，無法實現精細化遠程控制，成本控制管理需要花費大量時間和精力等諸多弊端。據調查，人們在乘車過程中慣用紙巾和酒精消毒，消毒紙巾雖然安全，腐蝕性低，且對人體無刺激無傷害，但成本較高無法普及使用。酒精雖可有效滅活病毒，但酒精只可擦拭，不可噴灑用于空氣消毒，對頻繁使用的公共交通消毒效果甚微。

通過專利之星、中國知網、incoPat 等對中國專利、全球專利進行了空氣消毒的相關專利檢索，從全球空氣消毒專利主要申請人的申請數量分析，申請人全部為企業，這也說明了空氣消毒領域的技術研發已經比較完備，現階段的研發主要集中在技術的成果轉化和實際應用。

3 系統總體設計

隨著人們健康意識的不斷提高，對乘坐公共交通過程中的公共衛生防護問題提出了更高的要求，通過對現有公交車輛空氣殺菌裝置進行分析，現有產品存在以下缺陷：一是系統啟停工作需要人工操作完成，無法實現遠程智能化控制。二是當有人員在消毒過程中進入車內時，系統無法及時發出預警信號，并自動停止工作。

因此，城市公共交通智能殺菌系統應滿足以下要求：一是應根據人員密度和運營周期選擇相對固定的空余時間進行消殺，并能在運營環境變化時，遠程智能調整系統啟動時間和工作時長。二是在工作過程中，盡可能減少對車內設施和物品的傷害。三是應設置人員預警裝置，當消毒過程中出現人員誤闖時，系統應立即停止工作,并給予提示，待人員離開后繼續工作。四是系統應該為一個整體,使安裝和檢修更加方便，充分利用公交車原有線路，保證車廂內部的整體效果。五是分段實現動態消殺、在保障運力的情況下實現人機共存。

3.1 系統工作流程

基于物聯網技術的城市公共交通智能感應殺菌系統由智能化遠程控制單元、控制系統電路供電模塊、深紫外空氣消毒模塊和人體紅外感應模塊四部分組成。

智能化遠程控制單元能夠對控制系統電路供電模塊、深紫外空氣消毒模塊和人體紅外感應模塊進行遠程操作。當車輛中轉或檢修作業時，該系統通過人體紅外感應模塊采集環境數據，感知工作場所是否有人，當車廂內無人時，將數據傳遞至智能化遠程控制單元，根據智能化遠程控制單元指令，啟動深紫外空氣消毒模塊，使其開始工作。當車廂門有人時，系統自動中止工作，避免對人員構成不必要的傷害。以智能化深紫外空氣消毒模塊為核心，將感知系統、通信網絡和控制系統等組成單元與電子終端設備有機融合在一起，以信息為主導，實現物聯網背景下的智能化殺菌系統研發，將數據的采集、分析、決策一體化，形成從電子終端設備、通信、感知、控制到決策管理層級的精準協同作業系統。可有效降低傳統液體消毒對車體金屬部件的腐蝕和車輛物品的損毀，還可實現無人作業，有效降低公共交通系統運營成本。

3.2 系統工作控制方式

該系統基于人體紅外感應模塊采集環境數據，感知工作場所是否有人，將數據傳遞至智能化遠程控制單元，可實現遠程動態實時控制。

3.3 系統預定工作條件

因紫外線會傷害人體，容易使皮膚和眼睛產生不適癥狀，因此該系統須在無人環境下工作。

3.4 模塊設計

3.4.1 智能化遠程控制單元

智能化遠程控制單元采用基于ATmega328P 的Arduino 開發板，它有14 個數字輸入/輸出引腳（其中6 個可用于PWM 輸出）、1 個16 MHz 的晶體振蕩器、6 個模擬輸入引腳、1 個ICSP 接口、1 個DC 接口、1 個USB 接口和1 個復位按鈕，足可以滿足裝置使用要求。紅外人體傳感模塊的輸出引腳應接在開發板的任意一個數字輸入引腳上，GND 引腳接在開發板的接地引腳，VCC 引腳接在開發板的+5 V 引腳。

當智能化遠程控制單元接受到人體紅外感應模塊驅動信號，通過中間繼電器控制指示燈閃爍，提醒乘客智能感應殺菌系統不工作。當智能化遠程控制單元未接收到人體紅外感應模塊感應信號時，利用中間繼電器啟動深紫外LED 殺菌模塊，開始進行消殺工作。根據實際需求，可設置在固定時間段內自動工作，從而實現智能化控制。通過WiFi 通信模塊，將數據結果發送給中央控制器，根據設計參數進行實時動態更新。

3.4.2 控制系統電路供電模塊

基于不同應用場景，本項目有兩種控制系統電路供電方式選擇。

方案一：可使用于地鐵車廂、公共場所室內消殺工作，采用內部照明220 V 電源供電，需通過整流和降壓處理為12 V 電源電壓，間接為人體紅外人體感應模塊供電。

方案二：主要用于公交車、冷鏈食品運輸車輛和出租車車廂內殺菌消毒，其工作電壓為12 V/24 V 兩種，可直接為人體紅外人體感應模塊供電。

3.4.3 深紫外空氣殺菌模塊

紫外線分為天然紫外線和人工紫外線兩種。按照波長，紫外線通常分為UVA（320～400 nm）、UVB（280～320 nm）、UVC（200～280 nm）三種，UVC 波段紫外光具有波長短、能量高的特點,在高強度照射下，5 s 即可實現99%～99.9%的殺菌率。紫外光子的吸收可使DNA 和RNA 的結構發生變化，導致細菌自身新陳代謝發生變化,從而導致細胞死亡,達到直接殺滅或抑制微生物繁殖的作用。可適用于氣體、液體和吸收系數很小的固體表面。

天然紫外線作為傳統的殺菌方式，已在人們的日常生活中普遍使用。但是，隨著人們生活方式的改變，已無法滿足現有需求，城市公共交通封閉的乘車環境大大減少了空氣流通的機會，使得物體外表和空氣中存在大批的細菌和病毒。大量研究表明，紫外線可在一定范圍內滅活大部分細菌和病毒，因此深紫外LED燈受到了人們的青睞，龐大的市場需求助推國內外眾多企業迅速登上了發展的快艇。本項目選用深紫外LED 技術對車內環境進行定期消殺，為乘客提供安全溫馨的乘車環境。

本項目選用H17 2G11 殺菌紫外線燈，利用253.7 nm 波長的紫外線，對車內物體表面和空氣進行消殺。由于紫外線只能沿直線傳播，而且穿透能力較弱，在進行物體表面消毒時，紫外線燈需參照待消毒的表面正對安裝，盡量使消毒部位處于紫外線照射范圍內，以保證殺菌效果。空氣殺菌時紫外線燈常采用吊頂安裝方式，由于空氣吸收系數很低，空氣隨機運動使得分子的定向攻擊更為有利，且多次循環殺菌的機會更多，殺菌效果顯著，見圖2。

紫外空氣消毒模塊受智能化遠程控制單元控制，基于人體紅外感應模塊信號數據和系統控制策略，來控制紫外空氣消毒模塊供電電路的通斷。紫外空氣消毒模塊可快速對車廂內部空氣、座位和把手表面進行集中、精準地照射殺菌，具有以下優點：

1）殺菌過程是一個物理破壞過程，不受環境溫度、濕度、濃度等外界環境條件影響。

2）無毒、無殘留和無異味，潔凈環保，不影響人體健康。

3）無需使用組合藥劑，可從根本上切斷細菌和病毒在空氣中的傳播路徑。

4）紫外LED 燈體積小、瞬間啟動、發光面積可調節。

3.4.4 紅外人體感應模塊

本項目選用HC-SR501 紅外人體感應模塊（見圖3），該模塊集成了感應模塊、信號放大模塊和AD轉換模塊，工作設置電壓為DC 12 V/24 V 兩種。選用德國原裝進口LH1788 雙元探頭，可實現高靈敏度和高可靠性。采用低電壓工作模式，安全節能。采用人體熱釋電原理來感知車廂內是否有人存在，利用紅外探測傳感器將人體發出的紅外和外界物體的紅外區分開。正常情況下人體正常體溫維持在36～37 ℃之間，人體自身將會發出10 μm 左右特定波長的紅外線。HC-SR501 紅外人體感應模塊上的被動式紅外探頭，通過人體發射的10 um 左右的紅外線，來判斷檢測范圍內是否有人存在。人體作為熱源發出特定波長的紅外線，利用菲泥爾濾光片增強后，匯集到熱釋電元件紅外感應源上。熱釋電元件將接收到的人體紅外輻射溫度變化為信號，從而失去電荷平衡，向外釋放電荷，再經后續放大電路檢測處理后，即可發出控制和預警信號。當人體位于HC-SR501 人體紅外感應模塊的探測區域內時，其信號引腳輸出高電平。當人體離開模塊探測區域時，該模塊的信號引腳將自動延時關閉高電平，輸出低電平。將低電平信號轉化后輸入智能化遠程控制單元，間接控制深紫外空氣消毒模塊，對車廂內進行消殺工作。

4 應用推廣

本項目聚焦城市公共交通殺菌消毒智能控制核心關鍵技術，采用硬件、網絡與軟件結合的方式，具備以下優點：

1）根據環境使用需求，可動態調整工作時間。

2）基于互聯網遠程操控，極大地減少人工成本。

3）利用智能化遠程控制單元自動控制調整工作時間，無需人工操作。

4）采用人體紅外感應模塊感知工作場所有無人員存在，減少對人員造成傷害。

該研究成果主要應用于航空、鐵路、公交、地鐵等領域智能化殺菌，也可用于冷鏈食品運輸過程中的殺菌保鮮，可短時間內進行車輛及物品殺菌消毒，可有效防止流感病毒引起的一系列急性呼吸道傳染病，可從源頭杜絕食物病毒對人體的危害，保障人體健康的同時，極大地降低了人力、物力成本和環境危害。該研究成果可輻射于娛樂場所、醫療、餐飲業、學校等公共場所。

依托該項目搭建“互聯網+交通”服務平臺，推動互聯網、大數據、人工智能等前沿技術和實體經濟深度融合，拓展網絡信息技術在交通運輸領域應用的深度和廣度，為人們健康出行保駕護航。