列車(chē)智能消殺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鄭欣宇，宋時(shí)雨，葉嘉慧，趙鵬宇，謝欣欣，鄧凱

（大連科技學(xué)院 交通運(yùn)輸學(xué)院，遼寧大連，116052）

0 引言

2020 年至今，新型冠狀病毒席卷全球，其傳播途徑廣、變異毒株多的問(wèn)題使中國(guó)乃至世界飽受困擾。在中國(guó)，鐵路出行一直是人們出行的主要途徑之一；然而，如何保證列車(chē)不被新冠病毒侵略、如何保證人民乘車(chē)安全是一個(gè)重要問(wèn)題。于是“列車(chē)車(chē)廂智能消殺系統(tǒng)”應(yīng)運(yùn)而生；該系統(tǒng)以STM32 單片機(jī)作為中樞控制系統(tǒng)，其他模塊進(jìn)行輔助，初步實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制紫外線(xiàn)燈組的開(kāi)/關(guān)、實(shí)時(shí)檢測(cè)車(chē)廂內(nèi)溫濕度和紫外線(xiàn)強(qiáng)度、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)廂環(huán)境等功能。燈光的照射是多角度、全方位的，利用列車(chē)夜間維修的時(shí)間進(jìn)行紫外線(xiàn)消毒作業(yè)，能更加有效地殺死多種病毒和細(xì)菌，節(jié)約時(shí)間且保障了人民安全。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的消殺系統(tǒng)由消毒模塊、顯示模塊和控制模塊組成如圖1 所示，其中消毒模塊由UV-LED 紫外線(xiàn)燈、ML8511 紫外線(xiàn)傳感器、DTH11 溫濕度傳感器和OV2640攝像頭模組等四部分組成；顯示模塊主要顯示監(jiān)控畫(huà)面、溫濕度、紫外線(xiàn)強(qiáng)度等；全系統(tǒng)由控制模塊控制開(kāi)/關(guān)，系統(tǒng)整體采用無(wú)線(xiàn)傳輸和遠(yuǎn)程控制的方式。

圖1 整體設(shè)計(jì)方案

2 硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

■2.1 STM32 主控模塊

本系統(tǒng)以STM32 單片機(jī)作為主控芯片，其最小系統(tǒng)由存儲(chǔ)器、時(shí)鐘復(fù)位供電電路、通信接口、下載電路和后備電池等部分構(gòu)成[1]。STM32 單片機(jī)相比其他8 位單片機(jī)來(lái)說(shuō)，它具有封裝體積小、算力大、價(jià)格低、功能更優(yōu)等特點(diǎn)。

■2.2 傳感器模塊

2.2.1 溫濕度傳感器

由于車(chē)廂內(nèi)隱藏線(xiàn)路、設(shè)備多且復(fù)雜，所以溫濕度傳感器的選擇要在滿(mǎn)足其測(cè)量精度的前提下盡量小型化、對(duì)車(chē)廂危害最低化，最后本系統(tǒng)選用DHT11 型溫濕度傳感器，其測(cè)量范圍為5% ～ 95%RH，測(cè)量精度為±5%rh，溫度測(cè)量范圍為-20.0℃～+60.0℃[2]，測(cè)量精度為0.2℃，可以滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的溫濕度測(cè)量范圍及精度要求，并且用一個(gè)總線(xiàn)就能與主控芯片相連接并傳送數(shù)字信號(hào)。溫濕度傳感器原理圖如圖2 所示，其中VCC 與供電系統(tǒng)相連，DTH 與STM32 單片機(jī)芯片2 號(hào)引腳連接。

圖2 DHT11 原理圖

2.2.2 紫外線(xiàn)強(qiáng)度傳感器

紫外線(xiàn)傳感器是檢測(cè)紫外線(xiàn)照射劑量是否符合殺毒標(biāo)準(zhǔn)的重要部件。將其安裝在紫外線(xiàn)燈管附近，可以較為精準(zhǔn)檢測(cè)紫外線(xiàn)照射強(qiáng)度，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸將檢測(cè)的結(jié)果反饋至顯示裝置中，以供系統(tǒng)使用人員判斷是否需要進(jìn)行硬件更換。本系統(tǒng)采用ML8511 型傳感器，其內(nèi)部配有放大器，可以根據(jù)紫外線(xiàn)的強(qiáng)度將光電流轉(zhuǎn)換成電壓[3]，其原理圖如圖3所示。其中VCC 與3.5V 電源相連，GND 接地，AD 與主控芯片P1 引腳相連，OUT 與主控芯片P2 引腳相連。

圖3 ML8511 原理圖

紫外線(xiàn)強(qiáng)度計(jì)算公式如公式(1)。

其中H為照射劑量(J/m2)，S為照射時(shí)間(s)，P為燈管的UVC 強(qiáng)度（W/m2）。

■2.3 攝像頭模塊

消毒全過(guò)程需實(shí)時(shí)監(jiān)控，并根據(jù)車(chē)廂內(nèi)的消毒情況進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，因此攝像頭的選擇需要滿(mǎn)足像素高、成像清晰等要求，本系統(tǒng)選擇了OV2640 圖像傳感器，并基于STM32單機(jī)片做了嵌入式拍攝應(yīng)用系統(tǒng)。

OV2640 攝像頭模塊具有完善的圖像采集和處理功能[4]，其圖像傳感器是低壓CMOS 器件，配合OV2640 模組實(shí)現(xiàn)攝像采集，并通過(guò)SCI 串口將采集圖像發(fā)送出去，支持QCIF(176×144)，QVGA（320×240），VGA（640×480）等不同像素輸出，最大支持200 萬(wàn)像素。圖像傳感器OV2640 支持RGB565、JPEG等多種數(shù)據(jù)輸出格式，還可以對(duì)采集到的圖像進(jìn)行補(bǔ)償處理，支持伽馬曲線(xiàn)、白平衡、飽和度、色度等基礎(chǔ)處理[5]。而且OV2640 的高靈敏度適合低照度環(huán)境，它的低電壓特性非常適合開(kāi)發(fā)嵌入式拍攝應(yīng)用系統(tǒng)，并且OV2640 可配置為JPEG 格式圖片數(shù)據(jù)輸出，在320×240 分 辨 率 下，JPEG格式圖片大小為4～7KB，以10fps 速率輸出圖像時(shí)，其數(shù)據(jù)量也僅為40～70KB/s，視頻圖像質(zhì)量好，占用網(wǎng)絡(luò)帶寬小[6]。

■2.4 紫外線(xiàn)燈管的選擇

衛(wèi)生部出臺(tái)的《傳染性非典型肺炎醫(yī)院感染控制指導(dǎo)原則》中指出：在無(wú)人的環(huán)境中應(yīng)首選紫外線(xiàn)照射進(jìn)行空氣消毒。因此本系統(tǒng)選擇在列車(chē)夜間修理時(shí)，對(duì)其車(chē)廂內(nèi)使用直接照射法[7]。由于車(chē)廂內(nèi)部硬件布置復(fù)雜，紫外線(xiàn)燈管的選擇要盡量滿(mǎn)足占用空間少、整體功效達(dá)到消毒標(biāo)準(zhǔn)的要求，通過(guò)公式(2)計(jì)算得出，本系統(tǒng)需選擇120W 的紫外線(xiàn)燈管，并且根據(jù)公式(3)計(jì)算得出，按照《消毒技術(shù)規(guī)范》（第3 版）規(guī)定，室內(nèi)懸吊式紫外線(xiàn)消毒燈安裝數(shù)量（30W 紫外線(xiàn)燈，在1.0m 處的強(qiáng)度大于70μW/cm2）為平均每立方米不少于1.5W，所以每節(jié)車(chē)廂至少需要安裝3 個(gè)紫外線(xiàn)燈組。

公式中：P總：車(chē)廂內(nèi)所需紫外線(xiàn)消毒燈的功率，W；L：車(chē)廂長(zhǎng)度，m；X：車(chē)廂寬度，m；H：車(chē)廂高度，m；N：紫外線(xiàn)燈的安裝數(shù)量；P：每盞紫外線(xiàn)燈的功率，W。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■3.1 軟件運(yùn)行流程

STM32 單片機(jī)控制器通過(guò)8位數(shù)據(jù)總線(xiàn)從OV2640 監(jiān)控模塊獲得圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)調(diào)用LWIP 協(xié)議棧接口，以TCP客戶(hù)端方式連接到服務(wù)器，并將圖像數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。開(kāi)始/關(guān)閉程序流程圖如圖4 所示；程序運(yùn)行會(huì)自動(dòng)讀取車(chē)廂內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)，并判斷溫濕度是否正常，若溫濕度過(guò)低或過(guò)高客戶(hù)端都會(huì)發(fā)出警報(bào)，這時(shí)系統(tǒng)并不會(huì)停止工作，而且會(huì)有一定的消毒效果，警報(bào)是為了提示工作人員對(duì)車(chē)廂溫濕度及時(shí)做出調(diào)整，以達(dá)到最佳消毒效果；若未及時(shí)調(diào)整，適當(dāng)延長(zhǎng)系統(tǒng)工作時(shí)間也可達(dá)到相應(yīng)的效果。

圖4 開(kāi)始/關(guān)閉程序流程圖

結(jié)束指令發(fā)出后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)變回初始狀態(tài)，以方便下次操作。同時(shí)，本系統(tǒng)關(guān)閉程序設(shè)有自檢功能，即系統(tǒng)會(huì)循環(huán)執(zhí)行關(guān)閉指令，直至硬件完全關(guān)閉，最后上位機(jī)中會(huì)顯示出關(guān)閉完成信息。

■3.2 軟件顯示界面

上位機(jī)顯示界面會(huì)有溫濕度以及紫外線(xiàn)強(qiáng)度等相關(guān)數(shù)據(jù)，如圖5 所示，頁(yè)面下方的開(kāi)/關(guān)按鈕采用多色設(shè)計(jì)，便于區(qū)分。把DHT11 傳感器獲取的溫濕度數(shù)據(jù)與設(shè)定的最佳消毒溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，若溫濕度低于或高于最適消毒溫度，上位機(jī)顯示界面會(huì)出現(xiàn)預(yù)警提示，預(yù)警界面如圖6 所示，用以提醒工作人員進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

因列車(chē)由多個(gè)車(chē)廂連接構(gòu)成，需要設(shè)多個(gè)消毒點(diǎn)，所以軟件界面的燈號(hào)和車(chē)廂號(hào)可自行配置修改，并由下拉頁(yè)面進(jìn)行顯示。

■3.3 圖像處理

本系統(tǒng)采用STM32+OV2640 圖像處理，圖像通過(guò)迭代像素閥值，完美實(shí)現(xiàn)圖像的二值化，可以通過(guò)按鍵更新閥值需求，圖像偵率較高。在數(shù)字圖像處理中一般先將各種格式的圖像轉(zhuǎn)變成灰度圖像，以使后續(xù)圖像的計(jì)算量變得少一些，且灰度圖像的描述與彩色圖像基本一致。攝像頭獲取到的圖像為彩色圖像，對(duì)其進(jìn)行灰度化處理，再對(duì)灰度圖像進(jìn)行二值轉(zhuǎn)化[8]，從而獲得二值化的圖像。

綜合考慮處理效果、復(fù)雜程度及硬件優(yōu)化，本系統(tǒng)將Box Filter 算法引入到圖像二值轉(zhuǎn)化過(guò)程中[9]，使用該算法對(duì)監(jiān)控圖像進(jìn)行處理，具有減小圖像緩存、增大圖像讀寫(xiě)速率等優(yōu)點(diǎn)，首先根據(jù)公式(4)，以先行后列式的像素點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算；

■3.4 通信協(xié)議

本項(xiàng)目的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收采用WiFi 無(wú)線(xiàn)傳輸，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，WiFi 輸出時(shí)采用固定幀長(zhǎng)度方式，可配置，這樣方便接收和解析。另外周期性發(fā)送配置信息，其主要為輸出圖像的分辨率，暫定為2FPS, 可配置，間接性地起到心跳報(bào)文的作用。結(jié)果信息和圖像輸出的幀率可配置，暫定為2FPS。

4 現(xiàn)狀與前景

紫外線(xiàn)消毒在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用比較廣泛且技術(shù)相對(duì)成熟，而在列車(chē)消毒方面，采用此技術(shù)的國(guó)家是極少或沒(méi)有的，因此本系統(tǒng)的設(shè)想與實(shí)現(xiàn)在消毒和防疫方面是一個(gè)新的突破和嘗試。在我國(guó)，火車(chē)、地鐵等是人民出行的主要方式，有人口流量大、接觸密切等特點(diǎn)，因此車(chē)廂環(huán)境的防疫措施更需要完善。本智能消殺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，考慮到硬件成本、消毒效果、車(chē)廂空間及紫外線(xiàn)對(duì)人體有害等問(wèn)題，提出如下解決方案：硬件采用低成本傳感器及紫外線(xiàn)燈管；設(shè)置最適消殺溫度及預(yù)警提示程序；實(shí)物制作簡(jiǎn)約化，減少占用空間；采用遠(yuǎn)程控制等。

基于成熟的單片機(jī)技術(shù)及紫外線(xiàn)消毒技術(shù)，采用二值化對(duì)監(jiān)控圖像進(jìn)行處理，自動(dòng)完成環(huán)境監(jiān)測(cè)與高溫預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了智能化操作且提高了工作效率，應(yīng)用前景廣闊。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)及聯(lián)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了集智能監(jiān)控、智能檢測(cè)、智能控制于一體的智能化控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)不僅能應(yīng)用于列車(chē)車(chē)廂，在地鐵車(chē)廂及其他運(yùn)營(yíng)車(chē)輛中也可應(yīng)用。本系統(tǒng)選用的紫外線(xiàn)消毒燈管，經(jīng)過(guò)醫(yī)療衛(wèi)生、飲用水消毒等前身行業(yè)的試驗(yàn)，確有很大的消毒效果。智能消殺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，將為當(dāng)下疫情防控做出一定的貢獻(xiàn)。