车厢门把手的自动化消毒装置设计

崔少晨

(西安铁路职业技术学院，机电工程学院， 陕西，西安 710026)

0 引言

新型冠状病毒肺炎因其潜伏期症状不明显、传染能力强、防控难度大，对中国及世界的人类健康、经济发展带来了严重影响[1]。交通运输行业是受新冠肺炎疫情影响较为严重的领域之一[2-3]。随着春运临近，国内铁路运输客流量的不断增大，车厢内疫情传播的风险也随之增加。根据相关研究，新冠肺炎传播的途径主要有呼吸飞沫传播、接触传播等[4]。尽管正确佩戴口罩可以使飞沫传播的几率降低，然而乘客接触被污染的车厢内门把手等物品后仍然存在交叉感染的风险。目前，列车车厢等公共车辆的消毒仍然采取人工擦拭的方式，费时费力且间隔较长，难以保证对乘客频繁接触的物品进行实时、彻底的消毒，而针对车厢物品的自动化消毒装置尚未见文献报导[5]。因此，开发新型自动消毒装置，对于当前的车厢消毒以及疫情防控具有较大的现实意义和应用价值。

由于门把手是乘客最常接触的物品之一，为避免乘客触碰到被污染的门把手而被感染，应在乘客触摸门把手后及时进行喷杀消毒。可编程控制器(programmable logic controller, PLC)是以微处理器为基础的一种工业控制装置，具有硬件配置要求低，安装、维护方便等优点，在工业自动化领域有着广泛的应用[6]。鉴于此，本研究利用PLC、运动传感器、电磁阀驱动喷头以及消毒液体75%乙醇，构建出一种新型自动化消毒装置，利用运动传感器监测门把手是否被转动并将信号传送给PLC，继而发出信号喷出消毒液对门把手消毒，从而实现“一使用、一消毒”，具有安装简单、占用空间少、可靠灵活等优点，适用于包含列车车厢在内的多种室内场景，对公共空间的疫情防控具有较大的实用价值[9]。

1 总体设计方案

该自动消毒装置由检测模块、控制模块、喷洒模块、电源模块、报警模块组成。装置总体设计如图1所示。电源模块提供自动消毒装置在工作时所需的电压。检测模块检测门把手是否发生转动，并将信号传递给控制模块，控制模块经过程序运算，输出结果，控制喷洒系统是否喷出消毒液体，从而对门把手进行消毒。报警模块在检测到消毒液体低于正常量或有其他特殊情况发生(例如喷洒系统状态异常)时，发出报警信号。

图1 自动消毒装置总体设计方案

2 硬件系统设计

自动消毒装置的硬件系统由电源模块、检测模块、喷洒模块和报警模块4大部分组成。

2.1 电源模块

电源模块设计参考了文献[7]。设定输出电压为24 V，分别分配给控制模块、检测模块和喷洒模块和报警模块如图2所示。

图2 电源模块工作原理示意图

2.2 检测模块

检测模块由加速度传感器和液位传感器组成。加速度传感器设置在门把手内侧， 检测是否有人旋转门把手。由于晶体变形可产生电压，利用加速度可造成内部晶体变形并产生压电效应这一特性，通过计算所产生电压和加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出，判断门把手是否发生旋转[8]。当门把手发生转动后，运动传感器将检测到的信号传递给控制模块。控制模块处理该信号后，控制喷洒模块工作，喷出消毒液体，开始对使用过的门把手进行消毒。

液位传感器用来检测储液瓶内的消毒液体是否充足，主要基于液位改变时有关物理参数变化的规律而设计，常见的液位测量方式有应变式、浮体式、光电式、电容式、电极式、流量计、超声波式和机器视觉法等[9]。液位传感器设计放在储液瓶上，当储液瓶里的消毒液体低于正常工作值时，液位传感器将信号传递给控制模块，控制模块处理信号后，使报警器发出报警信号，提醒列车员消毒液不足以便于及时补充。

2.3 喷洒模块

喷洒模块的功能为完成消毒液体的喷出工作，主要包括喷头、电磁阀、水泵和储液瓶。

2.3.1 喷头

自动消毒装置安装在已投入使用的列车上，因此需要结合列车的实际结构安装喷头。喷头的主要作用为喷出消毒液体，对列车门把手进行消毒。为保证消毒效果，喷头需安装在门把手附近。喷头的安装位置分为3种，如图3所示。

在图3(a)中，喷头安装在门把手后上方，在消毒液体喷出时，门把手下方为消毒盲区。在图3(b)中，喷头安装在门把手固定侧，在消毒液体喷出时，门把手非固定侧为消毒盲区。在图3c中，喷头安装在门把手非固定侧，在消毒液体喷出时，门把手固定侧为消毒盲区。但是，乘客在使用门把手时，一般不会碰触到门把手固定侧。所以上述3种喷头安装图中，将喷头安装在把手非固定端侧面，即按照图3(c)所示位置进行安装，可保证消毒液体喷出时覆盖的门把手区域最广泛，消毒效果最好。

(a) 喷头安装在门把手上方 (b) 安装位置为门把手固定侧 (c) 安装位置为把手非固定端侧面

2.3.2 压力泵

要想在电磁阀导通时，消毒液体顺利喷出，就需要消毒液体带有一定的压力，可借鉴自动灭火系统的消防喷淋水泵、气压设备供水、高位水箱等原理[10]，并结合列车运行特点进行设计：一种方法是将储液瓶设计在整个列车的顶部，利用重力势能为消毒液体提供所需的压力；另一种方法是使用压力泵为消毒液体提供压力。因为自动消毒装置需要安装在已经生产并投入运行中的列车上，在列车顶部安装储液瓶难以实现，因此选择压力泵为消毒液体提供一定的压力。

2.3.3 储液瓶

储液瓶内部存储消毒液体，消毒液体在电压力泵的作用下，达到电磁阀。在乘客使用门把手后，控制系统接收到传感器信号，继而发出指令，使电磁阀工作将消毒液体喷出。为了更好地节省空间，设计储液瓶形状为扁平型，安装于列车车门上。

2.4 报警模块

报警模块用来显示自动消毒装置的工作状态是否正常。当自动消毒装置正常工作时，正常工作指示灯点亮。当液位传感器检测到储液瓶内消毒液体低于最低位、或者是其他特殊情况发生(喷洒系统状态异常、检测模块输入异常)时，发出报警信号。

3 软件系统设计

组成控制模块的PLC是以微处理器为基础并综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展而来的一种工业控制装置，是整个自动消毒装置的核心。

3.1 控制要求

自动消毒装置的工作模式可以分为2种：紧急情况下的“一用一消”和正常情况下的“一日一消”。前者可用于疫情严重的时期或地区，可实现门把手每使用一次就进行一次消毒，后者可用于疫情得到有效控制，发生疫情传播风险极低的情况下，可选择性地对门把手进行每日一次的消毒。

自动消毒装置的控制要求为：使用转换按钮确定自动消毒装置的工作模式，按下起动按钮后，如果安装在门把手上的加速度传感器检测到了信号输入，即有人使用了门把手，需要对门把手进行消杀。该信号通过PLC使电磁阀导通，从而使喷头喷出消毒液体。当自动消毒装置开始正常工作时，开始工作指示灯点亮。当自动消毒装置检测到异常输入信号(如加速度传感器一直有输入信号)或储液瓶液体不足时，开始工作指示灯闪烁，报警指示灯闪烁并发出报警声。

3.2 软件编程设计

自动消毒装置通过实时检测各个模块传感器的输入信号，将采集到的所有信息传送给PLC。根据自动消毒装置的控制要求，传感器信号占用2个输入点，启停和方式切换占用4个输入点，输出有1个电磁阀和2个指示灯。自动消毒装置需要的输入、输出点数分别为6点和3点。确定西门子公司s7-200系列中的CPU 224 PLC。自动消毒装置PLC的I/O接线原理图如图4所示。

图4 自动消毒装置PLC的I/O接线原理

随后通过编写PLC的内部程序，控制喷洒装置和报警模块进行工作，程序框图如图5所示。

图5 自动消毒装置流程图

程序结构由主程序和子程序两部分组成。主程序完成复位、通讯和调用子程序。子程序共有3个，分别为一用一消工作模式的程序、一日一消工作模式的程序和报警程序。

4 总结

对门把手等车厢内物品及时消毒，是避免乘客触碰到污染物品而发生交叉感染的重要手段之一。针对疫情期间交通设施内的感染防控现状，陈怡等[11]提出地铁车辆空调内增加等离子空气净化器、紫外线杀菌消毒装置等建议，可以实现对车厢内空气进行循环消毒，但是无法对物品进行消毒，而且需要对列车设备进行大规模的重新组装，工程量大、成本难以控制；北京地铁[12]尝试引入智能消毒机器人，通过自动喷洒雾化双氧水消毒液对封闭环境进行消毒，可深入至人工消毒不到的细微缝隙，缺点在于成本较高、无法对门把手等高频接触物品进行触摸后即时消毒。本研究利用PLC技术和运动传感器等硬件设备，设计出一种新型自动化消毒装置，可实时监测门把手是否被乘客转动并及时进行喷洒消毒，不受时间限制，真正实现了“一用一消”，和佩戴口罩的预防策略相辅相成，能够有效降低车厢内疫情传播风险。此外，本装置硬件安装简便快捷、成本可控、程序编写可靠灵活，可适用于不同的室内场景，期望今后能对公共场所的疫情防控做出一定的贡献。