郑欣宇，宋时雨，叶嘉慧，赵鹏宇，谢欣欣，邓凯
（大连科技学院 交通运输学院，辽宁大连，116052）
2020 年至今，新型冠状病毒席卷全球，其传播途径广、变异毒株多的问题使中国乃至世界饱受困扰。在中国，铁路出行一直是人们出行的主要途径之一；
然而，如何保证列车不被新冠病毒侵略、如何保证人民乘车安全是一个重要问题。于是“列车车厢智能消杀系统”应运而生；
该系统以STM32 单片机作为中枢控制系统，其他模块进行辅助，初步实现了远程控制紫外线灯组的开/关、实时检测车厢内温湿度和紫外线强度、实时监测车厢环境等功能。灯光的照射是多角度、全方位的，利用列车夜间维修的时间进行紫外线消毒作业，能更加有效地杀死多种病毒和细菌，节约时间且保障了人民安全。
本项目设计的消杀系统由消毒模块、显示模块和控制模块组成如图1 所示，其中消毒模块由UV-LED 紫外线灯、ML8511 紫外线传感器、DTH11 温湿度传感器和OV2640摄像头模组等四部分组成；
显示模块主要显示监控画面、温湿度、紫外线强度等；
全系统由控制模块控制开/关，系统整体采用无线传输和远程控制的方式。
图1 整体设计方案
■2.1 STM32 主控模块
本系统以STM32 单片机作为主控芯片，其最小系统由存储器、时钟复位供电电路、通信接口、下载电路和后备电池等部分构成[1]。STM32 单片机相比其他8 位单片机来说，它具有封装体积小、算力大、价格低、功能更优等特点。
■2.2 传感器模块
2.2.1 温湿度传感器
由于车厢内隐藏线路、设备多且复杂，所以温湿度传感器的选择要在满足其测量精度的前提下尽量小型化、对车厢危害最低化，最后本系统选用DHT11 型温湿度传感器，其测量范围为5% ～ 95%RH，测量精度为±5%rh，温度测量范围为-20.0℃～+60.0℃[2]，测量精度为0.2℃，可以满足本设计的温湿度测量范围及精度要求，并且用一个总线就能与主控芯片相连接并传送数字信号。温湿度传感器原理图如图2 所示，其中VCC 与供电系统相连，DTH 与STM32 单片机芯片2 号引脚连接。
图2 DHT11 原理图
2.2.2 紫外线强度传感器
紫外线传感器是检测紫外线照射剂量是否符合杀毒标准的重要部件。将其安装在紫外线灯管附近，可以较为精准检测紫外线照射强度，通过无线传输将检测的结果反馈至显示装置中，以供系统使用人员判断是否需要进行硬件更换。本系统采用ML8511 型传感器，其内部配有放大器，可以根据紫外线的强度将光电流转换成电压[3]，其原理图如图3所示。其中VCC 与3.5V 电源相连，GND 接地，AD 与主控芯片P1 引脚相连，OUT 与主控芯片P2 引脚相连。
图3 ML8511 原理图
紫外线强度计算公式如公式(1)。
其中H为照射剂量(J/m2)，S为照射时间(s)，P为灯管的UVC 强度（W/m2）。
■2.3 摄像头模块
消毒全过程需实时监控，并根据车厢内的消毒情况进行适时调整，因此摄像头的选择需要满足像素高、成像清晰等要求，本系统选择了OV2640 图像传感器，并基于STM32单机片做了嵌入式拍摄应用系统。
OV2640 摄像头模块具有完善的图像采集和处理功能[4]，其图像传感器是低压CMOS 器件，配合OV2640 模组实现摄像采集，并通过SCI 串口将采集图像发送出去，支持QCIF(176×144)，QVGA（320×240），VGA（640×480）等不同像素输出，最大支持200 万像素。图像传感器OV2640 支持RGB565、JPEG等多种数据输出格式，还可以对采集到的图像进行补偿处理，支持伽马曲线、白平衡、饱和度、色度等基础处理[5]。而且OV2640 的高灵敏度适合低照度环境，它的低电压特性非常适合开发嵌入式拍摄应用系统，并且OV2640 可配置为JPEG 格式图片数据输出，在320×240 分 辨 率 下，JPEG格式图片大小为4～7KB，以10fps 速率输出图像时，其数据量也仅为40～70KB/s，视频图像质量好，占用网络带宽小[6]。
■2.4 紫外线灯管的选择
卫生部出台的《传染性非典型肺炎医院感染控制指导原则》中指出：在无人的环境中应首选紫外线照射进行空气消毒。因此本系统选择在列车夜间修理时，对其车厢内使用直接照射法[7]。由于车厢内部硬件布置复杂，紫外线灯管的选择要尽量满足占用空间少、整体功效达到消毒标准的要求，通过公式(2)计算得出，本系统需选择120W 的紫外线灯管，并且根据公式(3)计算得出，按照《消毒技术规范》（第3 版）规定，室内悬吊式紫外线消毒灯安装数量（30W 紫外线灯，在1.0m 处的强度大于70μW/cm2）为平均每立方米不少于1.5W，所以每节车厢至少需要安装3 个紫外线灯组。
公式中：P总：车厢内所需紫外线消毒灯的功率，W；
L：车厢长度，m；
X：车厢宽度，m；
H：车厢高度，m；
N：紫外线灯的安装数量；
P：每盏紫外线灯的功率，W。
■3.1 软件运行流程
STM32 单片机控制器通过8位数据总线从OV2640 监控模块获得图像数据，通过调用LWIP 协议栈接口，以TCP客户端方式连接到服务器，并将图像数据上传至服务器。开始/关闭程序流程图如图4 所示；
程序运行会自动读取车厢内的温湿度数据，并判断温湿度是否正常，若温湿度过低或过高客户端都会发出警报，这时系统并不会停止工作，而且会有一定的消毒效果，警报是为了提示工作人员对车厢温湿度及时做出调整，以达到最佳消毒效果；
若未及时调整，适当延长系统工作时间也可达到相应的效果。
图4 开始/关闭程序流程图
结束指令发出后，系统会自动变回初始状态，以方便下次操作。同时，本系统关闭程序设有自检功能，即系统会循环执行关闭指令，直至硬件完全关闭，最后上位机中会显示出关闭完成信息。
■3.2 软件显示界面
上位机显示界面会有温湿度以及紫外线强度等相关数据，如图5 所示，页面下方的开/关按钮采用多色设计，便于区分。把DHT11 传感器获取的温湿度数据与设定的最佳消毒温湿度数据进行对比，若温湿度低于或高于最适消毒温度，上位机显示界面会出现预警提示，预警界面如图6 所示，用以提醒工作人员进行适当调整。
因列车由多个车厢连接构成，需要设多个消毒点，所以软件界面的灯号和车厢号可自行配置修改，并由下拉页面进行显示。
■3.3 图像处理
本系统采用STM32+OV2640 图像处理，图像通过迭代像素阀值，完美实现图像的二值化，可以通过按键更新阀值需求，图像侦率较高。在数字图像处理中一般先将各种格式的图像转变成灰度图像，以使后续图像的计算量变得少一些，且灰度图像的描述与彩色图像基本一致。摄像头获取到的图像为彩色图像，对其进行灰度化处理，再对灰度图像进行二值转化[8]，从而获得二值化的图像。
综合考虑处理效果、复杂程度及硬件优化，本系统将Box Filter 算法引入到图像二值转化过程中[9]，使用该算法对监控图像进行处理，具有减小图像缓存、增大图像读写速率等优点，首先根据公式(4)，以先行后列式的像素点进行计算；
■3.4 通信协议
本项目的数据发送与接收采用WiFi 无线传输，为了简化设计，WiFi 输出时采用固定帧长度方式，可配置，这样方便接收和解析。另外周期性发送配置信息，其主要为输出图像的分辨率，暂定为2FPS, 可配置，间接性地起到心跳报文的作用。结果信息和图像输出的帧率可配置，暂定为2FPS。
紫外线消毒在国内外应用比较广泛且技术相对成熟，而在列车消毒方面，采用此技术的国家是极少或没有的，因此本系统的设想与实现在消毒和防疫方面是一个新的突破和尝试。在我国，火车、地铁等是人民出行的主要方式，有人口流量大、接触密切等特点，因此车厢环境的防疫措施更需要完善。本智能消杀系统的设计，考虑到硬件成本、消毒效果、车厢空间及紫外线对人体有害等问题，提出如下解决方案：硬件采用低成本传感器及紫外线灯管；
设置最适消杀温度及预警提示程序；
实物制作简约化，减少占用空间；
采用远程控制等。
基于成熟的单片机技术及紫外线消毒技术，采用二值化对监控图像进行处理，自动完成环境监测与高温预警，实现了智能化操作且提高了工作效率，应用前景广阔。
本文通过对整个系统软硬件的设计及联调，实现了集智能监控、智能检测、智能控制于一体的智能化控制系统，此系统不仅能应用于列车车厢，在地铁车厢及其他运营车辆中也可应用。本系统选用的紫外线消毒灯管，经过医疗卫生、饮用水消毒等前身行业的试验，确有很大的消毒效果。智能消杀系统的设计与实现，将为当下疫情防控做出一定的贡献。
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