一種具有防疫功能的高鐵動(dòng)車座椅研究與設(shè)計(jì)

張曉剛，侯洪鳳，王子皓，任智鴻，李睿洋，陶威燁，馬欣然

（大連科技學(xué)院，遼寧 大連 116052）

自2019年新冠肺炎疫情爆發(fā)以來(lái)，人們的生活發(fā)生了巨大改變，疫情防控滲透在生活的方方面面[1]。隨著疫情進(jìn)入常態(tài)化發(fā)展，全民需要做好疫情防護(hù)，防疫工作作為人類戰(zhàn)勝疫情的主要手段之一，是非常重要的。現(xiàn)有高鐵上的座位并沒(méi)有防護(hù)隔離設(shè)備，其座位與平常所見(jiàn)的并沒(méi)有什么特別之處，關(guān)于防疫座椅的研究，一家來(lái)自意大利的設(shè)計(jì)公司就設(shè)計(jì)了一款名為Janus的座椅，通過(guò)改變座椅排序并在椅子上加裝透明的隔離板來(lái)減少乘客們的接觸。另外一家叫Teague的公司則是在原有座位的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)空氣保護(hù)罩，成本更加低廉。不過(guò)這些防疫座椅都還處于設(shè)計(jì)階段，暫未投入使用，更別說(shuō)應(yīng)用到中國(guó)市場(chǎng)了。處于現(xiàn)在疫情的大環(huán)境下，只能保證每一個(gè)乘坐高鐵的乘客自覺(jué)佩戴口罩來(lái)保護(hù)自己和周圍的乘客，所以需要一種座位隔離設(shè)備來(lái)滿足人們既想要出行又能保證自己出行安全不受外來(lái)傳染病影響的愿望。

1 智能防疫座椅設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)思想

在新冠肺炎疫情的影響下，一般的高鐵座椅在使用時(shí)并不能達(dá)到防疫檢測(cè)的功能，不能進(jìn)行乘客體溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而不能第一時(shí)間得知乘客的病情，存在疫情感染的安全隱患；也不能很好地隔離乘客，如果出現(xiàn)乘客被發(fā)現(xiàn)患有新冠肺炎的時(shí)候，整節(jié)車廂的乘客都將有被感染的風(fēng)險(xiǎn)[2-3]。

基于此，本文設(shè)計(jì)了一種具有防疫功能的高鐵動(dòng)車座椅，涉及高鐵座椅技術(shù)領(lǐng)域，工作原理是通過(guò)高鐵座椅背后的測(cè)溫器，對(duì)乘客的體溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦出現(xiàn)體溫過(guò)高的情況，報(bào)警盤(pán)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，讓人們知曉，方便及時(shí)隔離，點(diǎn)擊升降按鈕可以控制升降玻璃從安裝板的內(nèi)部升起，通過(guò)橫桿拉手和靠背拉手[4]，分別朝著2個(gè)方向拉拖塑料硬膜，利用塑料硬膜將整個(gè)座位罩起來(lái)，起到一定的隔離作用，避免出現(xiàn)疫情相互感染的現(xiàn)象，提高座位的安全性，提高裝置的實(shí)用性。具體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 智能防疫座椅立體結(jié)構(gòu)圖

1.2 功能敘述

本文設(shè)計(jì)的智能防疫座椅的結(jié)構(gòu)主要分為10個(gè)部分，分別是高鐵座椅、座椅靠背、電力連接桿、測(cè)溫器、顯示器、紅外線測(cè)溫頭、報(bào)警盤(pán)、坐墊、座位扶手及按鈕槽。以下是本座椅的主要功能敘述。

1.2.1 人體工學(xué)座椅

坐高鐵列車的時(shí)候，人們通常都在座位上。脊椎是支撐人體的主要構(gòu)造。其中，腰椎、骶骨和椎間盤(pán)支撐人體上肢大部分負(fù)荷，承擔(dān)彎曲和扭曲的負(fù)荷。人體在座位上時(shí)，脊柱有4個(gè)生理彎曲：脖子、胸、腰和骶。這些生理性的彎曲，有著椎間盤(pán)最好的壓力分布和身體間肌肉反應(yīng)[5]。當(dāng)座椅的設(shè)計(jì)不適合這個(gè)自然彎曲時(shí)，腰部就會(huì)產(chǎn)生壓力變化，讓人感到肌肉酸痛[6]。因此，在高鐵列車的座位設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮人脊椎的生理特性。座椅靠背曲線的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循人體脊梁的生理曲線，使得腰部和背部的肌肉在乘客入座時(shí)可以完全放松。現(xiàn)如今，高鐵列車座位主要采用高靠背設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)不適合人體脊椎的自然彎曲，起不到承擔(dān)彎曲和扭曲的負(fù)荷作用，人體的腰部和脖子會(huì)感到不適。長(zhǎng)時(shí)間乘車后，腰和脖子明顯有不適感。所以本研究靠背部分的設(shè)計(jì)是由木條拼湊而成，經(jīng)過(guò)拋光處理，考慮人體工程學(xué)并根據(jù)參考文獻(xiàn)所提供的資料來(lái)設(shè)計(jì)靠背和智能座椅，盡可能使使用者擁有完美的乘坐體驗(yàn)。將主控板放在固定的靠背后部，在合理利用空間的同時(shí)方便后期程序調(diào)試檢修。

1.2.2 溫度檢測(cè)報(bào)警

扶手的旋轉(zhuǎn)和折疊裝置由齒輪組與驅(qū)動(dòng)齒輪組運(yùn)轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)器組成，通過(guò)主控模塊控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)座椅扶手的自動(dòng)折疊和打開(kāi)。在設(shè)計(jì)方案中，通過(guò)電力連接桿、測(cè)溫器、顯示器、紅外線測(cè)溫頭和報(bào)警盤(pán)相配合，可以對(duì)座位后面的乘客進(jìn)行體溫監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)體溫過(guò)高的乘客，裝置會(huì)自動(dòng)報(bào)警，這樣可以及時(shí)提醒乘務(wù)員做出相應(yīng)的處理，避免出現(xiàn)疫情感染者再次與其他乘客接觸感染的問(wèn)題，提高裝置的疫情防控效果，如圖1中4-7部分所示。

1.2.3 座椅隔離板

如圖2所示，升降玻璃的橫截面積小于安裝板的橫截面積，升降玻璃和安裝板的連接關(guān)系為活動(dòng)套接。防護(hù)隔離罩一側(cè)的頂端可拆卸安裝橫桿拉手，防護(hù)隔離罩一側(cè)的底端可拆卸安裝靠背拉手。在設(shè)計(jì)方案中，采用升降按鈕、安裝板、升降玻璃、安裝框和防護(hù)隔離罩相配合，對(duì)乘客本身實(shí)現(xiàn)自我防護(hù)，或?qū)Τ霈F(xiàn)發(fā)燒、患有新冠肺炎的乘客及時(shí)進(jìn)行隔離防護(hù)，提高高鐵座椅的安全性能，從而提高裝置的實(shí)用性。

智能防疫座椅裝置側(cè)視結(jié)構(gòu)由升降按鈕、安裝板、升降玻璃、安裝框及防護(hù)隔離罩組成，如圖2所示。

圖2 智能防疫座椅裝置側(cè)視結(jié)構(gòu)圖

智能防疫座椅裝置的按鈕槽部分由安裝框、橫桿拉手和靠背拉手組成，如圖3所示。按鈕槽的內(nèi)部可拆卸安裝有升降按鈕，高鐵座椅的一側(cè)固定安裝安裝板，安裝板的頂端可拆卸安裝升降玻璃，座椅靠背的一側(cè)固定安裝安裝框，安裝框的內(nèi)部可拆卸安裝有防護(hù)隔離罩，如圖4所示。

圖3 智能防疫座椅裝置A處放大結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 防護(hù)隔離罩的放大結(jié)構(gòu)示意圖

防護(hù)隔離罩由滑動(dòng)板、轉(zhuǎn)動(dòng)輪、連接桿、塑料硬膜及硬膜收卷?xiàng)U組成。防護(hù)隔離罩的滑動(dòng)板的表面可拆卸安裝轉(zhuǎn)動(dòng)輪，轉(zhuǎn)動(dòng)輪的內(nèi)部可拆卸安裝連接桿，連接桿的一側(cè)固定連接塑料硬膜，塑料硬膜的內(nèi)部可拆卸安裝硬膜收卷?xiàng)U。

2 防疫座椅體溫檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

2.1 總體功能

本防疫座椅體溫檢測(cè)模塊的主要功能是一旦檢測(cè)到坐在座椅上的乘客體溫超過(guò)37℃，底座上的振動(dòng)器就會(huì)開(kāi)始蜂鳴報(bào)警，并提示乘務(wù)員前來(lái)查看該名乘客的身體狀況[7-9]。

利用STC89C58單片機(jī)作中央處理器，以單芯片微計(jì)算機(jī)為中心處理器，分成電源、網(wǎng)絡(luò)接口、控制I/O接口和數(shù)據(jù)處理4個(gè)部分。首先，通過(guò)DC9V輸入電源，然后利用78L05、78L06 2個(gè)不同的綜合電壓調(diào)節(jié)器分出+5 V和+6 V的分支電源。因此，光學(xué)耦合器的操作不會(huì)影響到主機(jī)的操作。通過(guò)因特網(wǎng)接口，服務(wù)器與控制終端交換信息，通過(guò)I/O接口，控制終端實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)（控制）設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)的控制。

由OP07構(gòu)成的信號(hào)放大電路，如圖5所示。

圖5 放大電路圖

顯而易見(jiàn)，信號(hào)在途徑開(kāi)關(guān)電路U109、U110和U111后，受到電阻R129的影響，電壓發(fā)生變換，之后將其傳遞給OP07中的同相輸入端。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過(guò)測(cè)溫將所測(cè)溫度傳給單片機(jī)，再通過(guò)LED數(shù)碼管顯示溫度。

2.2.1 溫度傳感電路

溫度傳感電路采用TN-901紅外測(cè)溫傳感器，如圖6所示，5腳是TN901電源端（VCC），VCC電源電壓范圍為3～5 V，一般選取3.3 V；4腳為T(mén)N901的數(shù)據(jù)輸入引腳，接至單片機(jī)的P2.5口，當(dāng)沒(méi)有數(shù)據(jù)輸入時(shí)，4腳則一直輸出的是高電平；TN901的3腳是2 kHz時(shí)的脈沖輸出端，接至單片機(jī)的P2.6口；2腳為T(mén)N901的接地端；1腳為T(mén)N901的測(cè)溫啟動(dòng)功能段，其為低電平有效的功能端，接至單片機(jī)的P2.7口。

圖6 溫度傳感電路

為了實(shí)際應(yīng)用，使用STC89C58芯片需要和外部的設(shè)備之間進(jìn)行信息交換。除此之外，單芯片的計(jì)算機(jī)之間也可以交換信息，這種交換信息的過(guò)程通常被稱為通信。通信模式主要有串行、并行。

2.2.2 報(bào)警保持及消除電路

熱釋電傳感器探測(cè)的微弱電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路的放大及濾波后，當(dāng)前置電路有電信號(hào)傳來(lái)時(shí)，此模塊的輸出信號(hào)由低電平到高電平變化，從而觸發(fā)報(bào)警音樂(lè)芯片驅(qū)動(dòng)電路，放大電路中的電位器W1可用于對(duì)比較電路的判決電平進(jìn)行調(diào)節(jié)[10]。報(bào)警電路主要完成報(bào)警保持及消除的控制，輸入電平高于判決電平發(fā)出報(bào)警，具體電路如圖7所示。

圖7 報(bào)警保持及消除電路

2.3 軟件代碼實(shí)現(xiàn)

在對(duì)單片機(jī)進(jìn)行軟件編程時(shí)，本設(shè)計(jì)選擇C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言。

主程序的設(shè)計(jì)包括A/D獲取子程序和液晶顯示子程序2個(gè)部分，如圖8所示。當(dāng)按下開(kāi)始鍵時(shí)，A/D取得子程序開(kāi)始外部的A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)將接收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，按下復(fù)位鍵，A/D轉(zhuǎn)換再次開(kāi)始。液晶顯示子程序在按下開(kāi)始鍵時(shí)，屏幕會(huì)清除并準(zhǔn)備顯示所獲得的結(jié)果，在按下復(fù)位鍵后，會(huì)清除從先前保持的顯示器獲得的結(jié)果以準(zhǔn)備下一個(gè)顯示[11]。

圖8 系統(tǒng)主函數(shù)運(yùn)行流程圖

主函數(shù)的作用是在綜合上述編程功能的基礎(chǔ)上完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)一的協(xié)調(diào)的控制，包含初始化溫度、初始化I/O口、初始化1602液晶及執(zhí)行顯示函數(shù)、運(yùn)行A/D采集并最終正確顯示人體體溫測(cè)量結(jié)果等功能。I/O口初始化的作用是完成對(duì)STC89C58單片機(jī)I/O口的初始化。1602液晶顯示是本設(shè)計(jì)中較為重要的部分，這里完成了對(duì)1602液晶的初始化，包括相應(yīng)的靜態(tài)顯示及動(dòng)態(tài)顯示[12]。

2.4 模塊測(cè)試

針對(duì)本設(shè)計(jì)不同的軟硬件功能分配，分別安排系統(tǒng)測(cè)試。對(duì)防疫座椅的體溫檢測(cè)模塊硬件等部分進(jìn)行逐步測(cè)試。對(duì)防疫座椅的體溫檢測(cè)模塊軟件等部分進(jìn)行整體軟件測(cè)試。

在測(cè)試模塊過(guò)程中，首先會(huì)對(duì)T1中斷子程序、串口中斷子程序、系統(tǒng)顯示子程序、循環(huán)功能子程序和數(shù)據(jù)處理子程序進(jìn)行模擬調(diào)整。在確認(rèn)后進(jìn)行聯(lián)調(diào)，接下來(lái)測(cè)試主程序。主要控制16個(gè)檢測(cè)點(diǎn)組，結(jié)束各組的引線誤差的測(cè)量和計(jì)算，除去該組的誤差，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，此外，需要進(jìn)行調(diào)整數(shù)值復(fù)原，初始化相關(guān)程序，查看接線情況的保存及裝置地址設(shè)置的保存轉(zhuǎn)換情況[13]，顯示測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。

3 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)今社會(huì)大環(huán)境愈發(fā)向智能化發(fā)展。本項(xiàng)目的工作內(nèi)容是提供具有防疫功能的高鐵動(dòng)車座椅，解決了一般高鐵座椅不能進(jìn)行乘客體溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而不能第一時(shí)間得知乘客的病情，存在疫情感染的安全隱患的問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)符合當(dāng)代發(fā)展趨勢(shì)。如果本文座椅投入使用，將大大減少車內(nèi)工作人員的工作量，同時(shí)為乘客的安全提供了保障。座椅靠背的底端固定連接有舒適坐墊，座椅靠背遠(yuǎn)離電力連接桿的一側(cè)可拆卸安裝有座位扶手，座位扶手的內(nèi)側(cè)設(shè)有按鈕槽等優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以大大改善乘客的乘坐體驗(yàn)，且可減少桌板方面事故發(fā)生的幾率。故發(fā)展前景與可行性較好。