車廂門把手的自動化消毒裝置設計

崔少晨

(西安鐵路職業技術學院，機電工程學院， 陜西，西安 710026)

0 引言

新型冠狀病毒肺炎因其潛伏期癥狀不明顯、傳染能力強、防控難度大，對中國及世界的人類健康、經濟發展帶來了嚴重影響[1]。交通運輸行業是受新冠肺炎疫情影響較為嚴重的領域之一[2-3]。隨著春運臨近，國內鐵路運輸客流量的不斷增大，車廂內疫情傳播的風險也隨之增加。根據相關研究，新冠肺炎傳播的途徑主要有呼吸飛沫傳播、接觸傳播等[4]。盡管正確佩戴口罩可以使飛沫傳播的幾率降低，然而乘客接觸被污染的車廂內門把手等物品后仍然存在交叉感染的風險。目前，列車車廂等公共車輛的消毒仍然采取人工擦拭的方式，費時費力且間隔較長，難以保證對乘客頻繁接觸的物品進行實時、徹底的消毒，而針對車廂物品的自動化消毒裝置尚未見文獻報導[5]。因此，開發新型自動消毒裝置，對于當前的車廂消毒以及疫情防控具有較大的現實意義和應用價值。

由于門把手是乘客最常接觸的物品之一，為避免乘客觸碰到被污染的門把手而被感染，應在乘客觸摸門把手后及時進行噴殺消毒。可編程控制器(programmable logic controller, PLC)是以微處理器為基礎的一種工業控制裝置，具有硬件配置要求低，安裝、維護方便等優點，在工業自動化領域有著廣泛的應用[6]。鑒于此，本研究利用PLC、運動傳感器、電磁閥驅動噴頭以及消毒液體75%乙醇，構建出一種新型自動化消毒裝置，利用運動傳感器監測門把手是否被轉動并將信號傳送給PLC，繼而發出信號噴出消毒液對門把手消毒，從而實現“一使用、一消毒”，具有安裝簡單、占用空間少、可靠靈活等優點，適用于包含列車車廂在內的多種室內場景，對公共空間的疫情防控具有較大的實用價值[9]。

1 總體設計方案

該自動消毒裝置由檢測模塊、控制模塊、噴灑模塊、電源模塊、報警模塊組成。裝置總體設計如圖1所示。電源模塊提供自動消毒裝置在工作時所需的電壓。檢測模塊檢測門把手是否發生轉動，并將信號傳遞給控制模塊，控制模塊經過程序運算，輸出結果，控制噴灑系統是否噴出消毒液體，從而對門把手進行消毒。報警模塊在檢測到消毒液體低于正常量或有其他特殊情況發生(例如噴灑系統狀態異常)時，發出報警信號。

圖1 自動消毒裝置總體設計方案

2 硬件系統設計

自動消毒裝置的硬件系統由電源模塊、檢測模塊、噴灑模塊和報警模塊4大部分組成。

2.1 電源模塊

電源模塊設計參考了文獻[7]。設定輸出電壓為24 V，分別分配給控制模塊、檢測模塊和噴灑模塊和報警模塊如圖2所示。

圖2 電源模塊工作原理示意圖

2.2 檢測模塊

檢測模塊由加速度傳感器和液位傳感器組成。加速度傳感器設置在門把手內側， 檢測是否有人旋轉門把手。由于晶體變形可產生電壓，利用加速度可造成內部晶體變形并產生壓電效應這一特性，通過計算所產生電壓和加速度之間的關系，就可以將加速度轉化成電壓輸出，判斷門把手是否發生旋轉[8]。當門把手發生轉動后，運動傳感器將檢測到的信號傳遞給控制模塊。控制模塊處理該信號后，控制噴灑模塊工作，噴出消毒液體，開始對使用過的門把手進行消毒。

液位傳感器用來檢測儲液瓶內的消毒液體是否充足，主要基于液位改變時有關物理參數變化的規律而設計，常見的液位測量方式有應變式、浮體式、光電式、電容式、電極式、流量計、超聲波式和機器視覺法等[9]。液位傳感器設計放在儲液瓶上，當儲液瓶里的消毒液體低于正常工作值時，液位傳感器將信號傳遞給控制模塊，控制模塊處理信號后，使報警器發出報警信號，提醒列車員消毒液不足以便于及時補充。

2.3 噴灑模塊

噴灑模塊的功能為完成消毒液體的噴出工作，主要包括噴頭、電磁閥、水泵和儲液瓶。

2.3.1 噴頭

自動消毒裝置安裝在已投入使用的列車上，因此需要結合列車的實際結構安裝噴頭。噴頭的主要作用為噴出消毒液體，對列車門把手進行消毒。為保證消毒效果，噴頭需安裝在門把手附近。噴頭的安裝位置分為3種，如圖3所示。

在圖3(a)中，噴頭安裝在門把手后上方，在消毒液體噴出時，門把手下方為消毒盲區。在圖3(b)中，噴頭安裝在門把手固定側，在消毒液體噴出時，門把手非固定側為消毒盲區。在圖3c中，噴頭安裝在門把手非固定側，在消毒液體噴出時，門把手固定側為消毒盲區。但是，乘客在使用門把手時，一般不會碰觸到門把手固定側。所以上述3種噴頭安裝圖中，將噴頭安裝在把手非固定端側面，即按照圖3(c)所示位置進行安裝，可保證消毒液體噴出時覆蓋的門把手區域最廣泛，消毒效果最好。

(a) 噴頭安裝在門把手上方 (b) 安裝位置為門把手固定側 (c) 安裝位置為把手非固定端側面

2.3.2 壓力泵

要想在電磁閥導通時，消毒液體順利噴出，就需要消毒液體帶有一定的壓力，可借鑒自動滅火系統的消防噴淋水泵、氣壓設備供水、高位水箱等原理[10]，并結合列車運行特點進行設計：一種方法是將儲液瓶設計在整個列車的頂部，利用重力勢能為消毒液體提供所需的壓力；另一種方法是使用壓力泵為消毒液體提供壓力。因為自動消毒裝置需要安裝在已經生產并投入運行中的列車上，在列車頂部安裝儲液瓶難以實現，因此選擇壓力泵為消毒液體提供一定的壓力。

2.3.3 儲液瓶

儲液瓶內部存儲消毒液體，消毒液體在電壓力泵的作用下，達到電磁閥。在乘客使用門把手后，控制系統接收到傳感器信號，繼而發出指令，使電磁閥工作將消毒液體噴出。為了更好地節省空間，設計儲液瓶形狀為扁平型，安裝于列車車門上。

2.4 報警模塊

報警模塊用來顯示自動消毒裝置的工作狀態是否正常。當自動消毒裝置正常工作時，正常工作指示燈點亮。當液位傳感器檢測到儲液瓶內消毒液體低于最低位、或者是其他特殊情況發生(噴灑系統狀態異常、檢測模塊輸入異常)時，發出報警信號。

3 軟件系統設計

組成控制模塊的PLC是以微處理器為基礎并綜合計算機技術、自動控制技術和通信技術發展而來的一種工業控制裝置，是整個自動消毒裝置的核心。

3.1 控制要求

自動消毒裝置的工作模式可以分為2種：緊急情況下的“一用一消”和正常情況下的“一日一消”。前者可用于疫情嚴重的時期或地區，可實現門把手每使用一次就進行一次消毒，后者可用于疫情得到有效控制，發生疫情傳播風險極低的情況下，可選擇性地對門把手進行每日一次的消毒。

自動消毒裝置的控制要求為：使用轉換按鈕確定自動消毒裝置的工作模式，按下起動按鈕后，如果安裝在門把手上的加速度傳感器檢測到了信號輸入，即有人使用了門把手，需要對門把手進行消殺。該信號通過PLC使電磁閥導通，從而使噴頭噴出消毒液體。當自動消毒裝置開始正常工作時，開始工作指示燈點亮。當自動消毒裝置檢測到異常輸入信號(如加速度傳感器一直有輸入信號)或儲液瓶液體不足時，開始工作指示燈閃爍，報警指示燈閃爍并發出報警聲。

3.2 軟件編程設計

自動消毒裝置通過實時檢測各個模塊傳感器的輸入信號，將采集到的所有信息傳送給PLC。根據自動消毒裝置的控制要求，傳感器信號占用2個輸入點，啟停和方式切換占用4個輸入點，輸出有1個電磁閥和2個指示燈。自動消毒裝置需要的輸入、輸出點數分別為6點和3點。確定西門子公司s7-200系列中的CPU 224 PLC。自動消毒裝置PLC的I/O接線原理圖如圖4所示。

圖4 自動消毒裝置PLC的I/O接線原理

隨后通過編寫PLC的內部程序，控制噴灑裝置和報警模塊進行工作，程序框圖如圖5所示。

圖5 自動消毒裝置流程圖

程序結構由主程序和子程序兩部分組成。主程序完成復位、通訊和調用子程序。子程序共有3個，分別為一用一消工作模式的程序、一日一消工作模式的程序和報警程序。

4 總結

對門把手等車廂內物品及時消毒，是避免乘客觸碰到污染物品而發生交叉感染的重要手段之一。針對疫情期間交通設施內的感染防控現狀，陳怡等[11]提出地鐵車輛空調內增加等離子空氣凈化器、紫外線殺菌消毒裝置等建議，可以實現對車廂內空氣進行循環消毒，但是無法對物品進行消毒，而且需要對列車設備進行大規模的重新組裝，工程量大、成本難以控制；北京地鐵[12]嘗試引入智能消毒機器人，通過自動噴灑霧化雙氧水消毒液對封閉環境進行消毒，可深入至人工消毒不到的細微縫隙，缺點在于成本較高、無法對門把手等高頻接觸物品進行觸摸后即時消毒。本研究利用PLC技術和運動傳感器等硬件設備，設計出一種新型自動化消毒裝置，可實時監測門把手是否被乘客轉動并及時進行噴灑消毒，不受時間限制，真正實現了“一用一消”，和佩戴口罩的預防策略相輔相成，能夠有效降低車廂內疫情傳播風險。此外，本裝置硬件安裝簡便快捷、成本可控、程序編寫可靠靈活，可適用于不同的室內場景，期望今后能對公共場所的疫情防控做出一定的貢獻。