基于粉塵傳感器的空調(diào)列車空氣質(zhì)量研究

張 銳， 李建成， 王成志

(蘭州交通大學(xué) 光電技術(shù)與智能控制教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

基于粉塵傳感器的空調(diào)列車空氣質(zhì)量研究

張 銳， 李建成， 王成志

(蘭州交通大學(xué) 光電技術(shù)與智能控制教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

空調(diào)列車是目前人們最主要的出行工具之一，其車廂內(nèi)空氣質(zhì)量直接影響著乘客的健康。當(dāng)前列車空調(diào)系統(tǒng)以車廂內(nèi)溫度、濕度及二氧化碳濃度為主要控制對象，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在乘客對健康和舒適度的要求。在分析列車空調(diào)運行現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出以LPC2478為控制器，DSM501A為可吸入顆粒物濃度監(jiān)測傳感元件的設(shè)計方案，對車廂內(nèi)空氣質(zhì)量進行有效的控制。實驗表明：該空調(diào)系統(tǒng)具有良好的性能，控制精度高，環(huán)境改善效果顯著，具有廣泛的應(yīng)用前景。

空調(diào)列車； 可吸入顆粒物； 舒適度； LPC2478； DSM501A

0 引 言

我國的鐵路客車空調(diào)自1958年投入使用以來，已有1萬多輛空調(diào)客車投入運營；但隨著經(jīng)濟的發(fā)展，乘客對列車舒適度的要求越來越高[1]。然而，現(xiàn)有列車空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足乘客對舒適度的要求。空調(diào)列車主要存在的問題有車廂內(nèi)溫濕度不夠穩(wěn)定，調(diào)節(jié)響應(yīng)慢，空氣質(zhì)量差等，特別是并未對車廂內(nèi)可吸入顆粒物的濃度進行監(jiān)測。根據(jù)文獻[2]，以長春客車廠生產(chǎn)的YZ25K空調(diào)列車硬座車廂為例，其冬夏兩季的可吸入顆粒物的合格率僅分別為50.00 %和77.78 %；根據(jù)文獻[3]，乘客對現(xiàn)有車廂內(nèi)的空氣質(zhì)量不夠滿意。鐵路客運要增強其競爭力，就必須要解決這幾方面問題。

研究者們對溫濕度、CO2濃度等問題做了大量的研究，而對車廂內(nèi)粉塵的分布與變化的研究相對較少[1]。對乘客舒適度產(chǎn)生影響的粉塵是指懸浮在空氣中當(dāng)量直徑小于或等于10 μm(PM10)的顆粒物，它會隨著人的呼吸進入人體呼吸道甚至肺泡，影響人體健康。當(dāng)空氣中可吸入顆粒物計重含量超過0.15 mg/m3時則會使人感覺不舒適。因此，我國GB/T 18883—2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定室內(nèi)可吸入顆粒物的日平均含量應(yīng)小于或等于0.15 mg/m3。根據(jù)GB/T 12817—2004《鐵道客車通用技術(shù)條件》(現(xiàn)行)，標(biāo)準(zhǔn)僅僅要求車廂內(nèi)空氣質(zhì)量含塵量小于或等于1 mg/m3。這個標(biāo)準(zhǔn)對車廂內(nèi)含塵量的要求較為寬泛，但其實際的合格率還是較低[2]。要保障乘客的健康，就必須將可吸入顆粒物濃度作為檢測和控制的對象。所以，為了改善車廂空氣質(zhì)量，提高鐵路客運的競爭力，勢必在列車空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)加入對可吸入顆粒物濃度的監(jiān)控是不可缺少的。

1 空調(diào)控制器硬件設(shè)計

列車空調(diào)控制器通過多種環(huán)境感知器件，實時了解廂內(nèi)環(huán)境參數(shù)，做出控制調(diào)節(jié)，確保車廂內(nèi)空氣質(zhì)量，同時與車輛總線通信，實現(xiàn)全列空調(diào)系統(tǒng)的智能控制。本設(shè)計選用NXP公司的微控制器LPC2478。它有512 kbytes的程序存儲空間，豐富的片上資源，具有2個CAN接口、4個UART接口、1個SPI接口、USB控制器、復(fù)用8路10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和LCD控制器。本系統(tǒng)直接利用其片上資源實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換和液晶屏控制，同時將所采集的各項參數(shù)經(jīng)控制器處理之后通過UART以RS—232串行通信方式傳送到車廂MVB，再經(jīng)CAN口輸出到遠程司機主機。其硬件設(shè)計示意圖如圖1。

圖1 硬件設(shè)計示意圖Fig 1 Diagram of hardware design

1.1 電源模塊設(shè)計

電源的設(shè)計在電路系統(tǒng)中是非常重要的，主要考慮輸入輸出部分的電壓和電流以及功率。本系統(tǒng)電源分為兩部分，一部分為外圍硬件接口電源(+5 V)，如光耦輸入、繼電器輸出等；另一部分為LPC2478內(nèi)核電源(+3.3 V)。列車上提供的工控電壓是直流110 V，先利用LAMBDA公司的帶隔離保護的電源模塊PH75S110—5將電壓110 V降壓到5 V，再通過LM1117MPX—3.3芯片降壓到3.3 V。

1.2 LCD模塊設(shè)計

傳統(tǒng)空調(diào)列車的廂內(nèi)溫度顯示是通過在車廂內(nèi)前端的水銀溫度計測量顯示的，這種顯示形式單一、準(zhǔn)確率低，已經(jīng)不能滿足乘客的需求。所以,本文研究提出在車廂內(nèi)用LCD液晶屏顯示空氣質(zhì)量信息，提高信息透明度。車廂內(nèi)LCD空氣質(zhì)量信息顯示雖然并不是鐵路運營所必需的，但能增加乘客獲取列車信息的渠道和提高乘車舒適度。本設(shè)計通過一根FPC連接器將控制器LCD驅(qū)動電路與液晶屏連接起來。液晶屏選擇SHARP的LM100SSIT523型LCD，其規(guī)格為10 in(1in=2.54 cm)，8︰6橫屏，像素數(shù)800×600，功率3.08 W，采用CCFT背光，接口方式為TTL3×8 bitRGB。

2 傳感器布置

車廂內(nèi)需要采集的數(shù)據(jù)有空氣壓力、溫度、濕度、CO2濃度以及可吸入顆粒物濃度等，并通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)娇刂破鳌８鱾鞲性恢煤蛿?shù)量的布置，要根據(jù)具體的車廂類型而定。本設(shè)計以YZ25K快速空調(diào)列車硬座車廂為例，其空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)傳感器布置示意圖如圖2[3]。

圖2 空調(diào)系統(tǒng)傳感器布置示意圖Fig 2 Diagram of sensor arrangements of air-conditioning system

2.1 粉塵傳感器原理

粉塵傳感器采用韓國三瑩公司的DSM501A,其采用粒子計數(shù)原理，利用丁達爾現(xiàn)象(Tyndall effect)來檢測粒子。這個傳感器模塊具有自加熱功能，能使外部空氣形成上升氣流進入模塊內(nèi)部，塵埃粒子被 LED 光源發(fā)出的探測光照射后，引起探測光發(fā)生散射；散射光經(jīng)過透鏡匯聚后被光電轉(zhuǎn)換器把光脈沖轉(zhuǎn)換成電脈沖，再經(jīng)過電路的進一步放大和甄別，完成對粒子個數(shù)的計數(shù)和粒子大小的判斷[4]。DSM501A可檢測的粒子尺寸最小到1 μm，脈寬調(diào)制(PWM) 輸出，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，單電源供電。原理如圖3。

圖3 傳感器原理圖Fig 3 Principle diagram of sensor

2.2 DSM501A控制設(shè)計

傳感器測量的可吸入顆粒物濃度可以通過低脈沖率(低脈沖在整個輸出周期的占空比)計算：RT=LT/UT×100 %。特別需要注意的是:1)本系統(tǒng)中測量可吸入顆粒物的最小直徑是2.5 μm，傳感器接口PIN1#與PIN5#之間設(shè)置為開路；2)DSM501測量的是在283 mL內(nèi)直徑大于或等于2.5 μm的粒子個數(shù)，其低脈沖率對應(yīng)的是一個在最大和最小特性曲線之間的范圍值；3)DSM501模塊需要加熱，設(shè)計時必須考慮預(yù)熱時間(約1 min)；4)DSM501最多能檢測出283 mL中的15 000個粉塵粒子，即最多能檢查的粒子濃度為53.003×106個/m3。

DSM501A連線方式為PIN3#引腳輸入+5 V電源，PIN5#接地，PIN4#為信號輸出端口。空氣潔凈時，PIN4#引腳輸出高電平4.3 V(最小值4.0 V) ，當(dāng)空氣中有粉塵粒子時，PIN4#輸出低電平0.7 V(最大值1.0 V)，低脈沖持續(xù)時間10～90 ms。DSM501A以PWM輸出30 s內(nèi)的顆粒檢測結(jié)果。其檢測流程圖如圖4。

圖4 檢測流程圖Fig 4 Flowchart of detection

2.3 質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K值的確定

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《公共場所空氣中可吸入顆粒物測定方法 光散射法》(WS/T 206—2001)，在應(yīng)用光散射法測定前應(yīng)確定與被測場所相應(yīng)的質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K值。DSM501A的測定結(jié)果為相對質(zhì)量濃度(個/m3)，與我國現(xiàn)行衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的質(zhì)量濃度(mg/m3)不相適應(yīng)，需通過質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)將其轉(zhuǎn)換為質(zhì)量濃度。然而現(xiàn)有研究對其質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K值并未進行討論[4～7]。

質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K值的計算公式為

K=C/R,

式中K為質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)，mg/(m3·CPM)；R為可吸入顆粒物相對濃度，CPM；C為可吸入顆粒物質(zhì)量濃度，mg/m3。根據(jù)現(xiàn)行《室內(nèi)空氣中可吸入顆粒物衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 17095—1997)中規(guī)定的方法求得。同時光散射法與稱重法比較的總不確定度(ROU)不應(yīng)大于25 %。

國內(nèi)外實踐證明，光散射數(shù)字粉塵儀所得相對質(zhì)量濃度(個/cm3)與質(zhì)量濃度(mg/m3)有很好的相關(guān)性。從相關(guān)研究[8～10]可以看出：采用P—5L2型可見光光散射數(shù)字式粉塵儀監(jiān)測時，其質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K值，在一般公共場所為0.016～0.021，在密閉空調(diào)場所為0.013～0.015，同時與是否使用空調(diào)關(guān)系不大。本研究利用P—5L2輸出量CPM作為DSM501A的質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)經(jīng)驗值K的轉(zhuǎn)換中間量。

3 系統(tǒng)控制算法

解決列車車廂內(nèi)空氣質(zhì)量的問題，最有效的辦法是通風(fēng)，而通風(fēng)量的調(diào)節(jié)又直接影響了車廂內(nèi)溫度、濕度、CO2濃度和可吸入顆粒物濃度的變化，所以，合理的空調(diào)控制器調(diào)節(jié)才能滿足車廂內(nèi)空氣質(zhì)量的要求。由于系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)很多，控制輸出也較多，所以，控制算法選擇采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)控制主要是建立在各傳感元件測量輸入的基礎(chǔ)上，通過控制器已接受的科學(xué)訓(xùn)練，從而實現(xiàn)智能控制。根據(jù)參考文獻[11]空調(diào)系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已有的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，增加可吸入顆粒物濃度的訓(xùn)練參數(shù)，系統(tǒng)便能夠?qū)噹麅?nèi)的環(huán)境進行有效的控制。可吸入顆粒物濃度的訓(xùn)練參數(shù)如表1。列車空調(diào)系統(tǒng)的主要控制對象是壓縮機、通風(fēng)扇、負離子發(fā)生裝置、啟停回風(fēng)循環(huán)和加熱器[12]。

表1 可吸入顆粒物濃度的訓(xùn)練參數(shù)(轉(zhuǎn)換系數(shù)K=0.014)Tab 1 Training parameters of respirable particulate matter (conversion factor K=0.014)

注：為了能更好地處理PWM信號，提高精度，用最小二乘法[5]進一步確定了低脈沖率與可吸入顆粒物濃度的對應(yīng)關(guān)系，擬合直線線性方程為M=1.591 9R+0.460。

4 結(jié)束語

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們對健康的要求越來越高，在列車空調(diào)系統(tǒng)中加入對可吸入顆粒物濃度的檢測和控制是非常必要的。實驗證明：該系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，已基本達到了設(shè)計要求。同時，在密閉車廂內(nèi)，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)中的過濾網(wǎng)能有效的降低車內(nèi)可吸入顆粒物的濃度，所以，建議乘務(wù)員應(yīng)該定期清洗空調(diào)過濾網(wǎng)并消毒。

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Study on air quality of air-conditioned trains based on dust sensor

ZHANG Rui,LI Jian-cheng,WANG Cheng-zhi

(Key Laboratory of Photoelectricity Technology and Intelligent Control,Ministry of Education，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China)

At present the air-conditioned train is one of the main tool for people to travel,and the air quality of trains directly affect the passengers’health.Currently the main control objects of the air-conditioning system are temperature,humidity and CO2concentration,but it can not meet health and comfort level requirements for passengers.In order to control the air quality effectly,the air-conditioning system is composed of LPC2478 as controller and DSM501A as respirable particulate matter concentration monitoring sensor,on the basis of analysis on the train air-conditioning operation status.Experiments show that the air-conditioning system has good performance,high control precision,and it is significant on the improvement of environment,and has widespread application prospect.

air-conditioning train ; respirable particulate matter; comfort level;LPC2478; DSM501A

2013—09—13

TP 212

A

1000—9787(2014)04—0059—03

張 銳(1989-)，男，四川崇州人，碩士研究生，主要研究方向為鐵路交通信息工程與控制。