基于三轴加速度传感器的电梯智能防疫消杀装置设计

彭雪鹏，史 峰，付 饶

（抚顺职业技术学院，辽宁抚顺 113122）

电梯是极易产生交叉感染的地方。在新冠肺炎疫情防控工作中，电梯防疫是重点更是难点。中国工程院院士、国家呼吸系统疾病临床医学研究中心主任、高级别专家组组长钟南山在2020年2月接受记者采访时明确指出，电梯是病毒传播的高危地点，很容易造成疫情的传播。疫情期间为了防止交叉感染，甚至有些公司和公寓关闭了电梯，人们直接爬楼梯上班，给生活带来不便[1]。

1 国内外研究概况、水平和发展趋势

1.1 国内外电梯轿厢的消杀方式

（1）根据电梯使用频率和楼内人员数量，每2～4 h 对电梯进行一次常规消毒工作，对轿厢喷洒或擦拭消毒剂。这种方式存在消毒有死角、消毒剂残留多、可能腐蚀电子元器件等弊端，极大地增加了物业管理人员的工作强度，同时也会出现两次消毒间隙中的交叉感染的可能性。电梯按钮不是完全密封的，直接对着电梯按钮喷消毒液可能造成电脑板短路。

（2）为了避免电梯按钮引发的交叉感染，人们使用在电梯按钮上贴保鲜膜、电梯里放置一次性纸巾、牙签等方法，但是这些保鲜膜、纸巾、牙签长时间暴露在密闭的电梯里，如果有病毒携带者进出电梯，纸巾、保鲜膜、牙签上面就可能沾有病毒了，下一个接触者就可能成为新的感染源。

（3）紫外线消毒。紫外线灯是医疗卫生机构广泛使用的消毒灭菌设备，根据权威测试，紫外线对于新冠病毒在内的几乎所有病毒、细菌都有良好的消杀效果[2]。但是紫外线对人体也有一定程度的损伤。有的电梯厂家使用红外感应装置，当电梯轿厢内有人时，紫外线灯会自动关闭，等电梯处于空闲状态时，紫外线灯就自动点亮。这种检测方式在感应到人体后，才熄灭紫外线灯，仍有损伤视力的可能性。

1.2 国内外电梯轿厢的研究发展趋势

（1）人脸识别技术乘梯或声控乘梯，用户通过扫脸或声控，实现开门、呼梯、自动点亮目的楼层。

（2）通过手机App、微信小程序、手机蓝牙等移动端应用不接触控制电梯。

（3）自动擦拭按键装置，电梯按键消毒全自动化运作，物业工作人员每天只需在自动擦拭板上添加一次消毒液，装置就可以运作一整天，时刻给电梯按钮消杀。

（4）使用纳米水离子技术、采用专业抗菌按钮降低电梯按键的交叉感染。

1.3 现有技术存在的问题

（1）新生产的电梯设置较为容易，老旧电梯控制系统不同，改造的难度极大。需要对现有电梯进行较大的改动，成本高且不同厂家的电梯产品零件无通用性。

（2）价格高昂，安装不便，维护费用高昂。需要对每台电梯增加数据模块。

（3）扫描二维码需要配备手机，对没有携带手机习惯的老年人较为不便。

2 电梯轿厢内病毒传播方式及消杀方案

2.1 电梯轿厢内病毒传播方式

电梯具有封闭性、空间狭小、人员聚集的特点，电梯轿厢内病毒传播方式有飞沫传播和接触传播等方式[3]。研究表明，新型冠状病毒的传播距离可以达到约4 m[4]，来自感染者的飞沫和气溶胶相互伴随产生，飞沫不断蒸发，剩下蛋白质和病原微生物组成液核，可能飘浮在空气中，气溶胶的组成是空气中液体或固体的悬浮物，悬浮颗粒直径最小可达到亚微米级，可能长时间悬浮于空气而无法沉降[5]。减少飞沫和气溶胶的办法有保持良好通风、用通风气流尽快迫使其沉降、避免横向气流、降低室内相对湿度等办法。

2.2 电梯轿厢内病毒消杀方式比较

（1）酒精消杀。酒精可以溶解冠状病毒外膜，但酒精易挥发、易燃，经常性地安排专人对电梯轿厢进行酒精擦拭消毒需要的人力成本太高，使用喷雾的方式还容易造成火灾等安全事故，因此酒精消杀不适用于电梯轿厢。

（2）消毒液（粉）消杀。将消毒液（粉）根据一定的配比稀释后（融化后），再喷洒到需要消毒的区域可起到消杀的效果。缺点是喷洒仍需要人工完成操作，自动喷洒覆盖容易不均匀，死角区域不易覆盖，气味刺鼻可能产生二次污染，因此消毒液（粉）消杀不适用于电梯轿厢。

（3）紫外线消杀。紫外线消毒通常以紫外线灯管、紫外线消毒柜等设备进行消毒作业，作业范围广而迅速，尤其是深紫外LED 对病毒的杀灭可达到广谱性、快速性、无害性。缺点是没有持续消毒能力，照射盲区无法消毒，使用不当易造成紫外线灼伤事件。紫外线灼伤可造成暴露者皮肤灼伤、眼睑红肿、结膜充血、畏光、流泪和视物模糊等[6]，紫外线消杀适用于电梯轿厢，但要防止产生紫外线灼伤。

（4）臭氧消杀，臭氧有一定的毒性，浓度太低消毒效果不理想，臭氧浓度太高，对人体有害，因此臭氧消杀不适用于电梯轿厢。

（5）过氧化氢消杀，过氧化氢有很强的氧化能力，能破坏细菌菌体，分解产物是无任何毒害、无任何刺激作用的水和氧气，具有不会形成二次污染。过氧化氢消毒的时候需要将其制成干雾或蒸汽两种形态，过氧化氢干雾（aerosolized hydrogen peroxide，AHP）和过氧化氢蒸汽（hydrogen peroxide vapor，HPV）的消毒效果哪种最佳国内外尚有争论。用于电梯轿厢，特别是用于电梯按键的消毒，干雾里液滴含量极少，不会对电梯按键内部的电路板产生腐蚀，因此过氧化氢干雾消杀适用于电梯轿厢。

3 基于三轴加速度传感器的电梯智能防疫消杀装置原理及组成

3.1 基于三轴加速度传感器的电梯智能防疫消杀装置研究的必要性

根据中国电梯协会公开数据显示，截至2020年年底，国内电梯注册总量达到779万台。2023年中国电梯保有量将超过千万台。电梯数量较多，如果采用人力免疫消杀，应根据电梯使用频率，每2～4 h 需要对电梯进行一次常规消毒工作。这种方式极大地增加了物业管理人员的工作强度，占用大量人力资源。新生产的电梯设置免疫功能较为容易，现存的几百万台老旧电梯由于控制系统不同，进行厂家“免疫电梯”改造的难度极大，需要前期对每台电梯增加数据模块，改造费用高昂，安装不便。简易、价廉、方便的电梯轿厢智能消杀净化装置的研制成功和使用将带来较大的社会效益。

3.2 基于三轴加速度传感器的电梯智能防疫消杀装置原理及组成

电梯上下运动工作时，其加减速度不小于0.5 m/s。三轴加速度传感器的检测系统可通过加速度、振动的检测，判断出电梯的工作状态，电梯上下运动时，电梯智能消杀净化装置只有空气消毒、过滤模块工作。空气消毒、过滤模块通过轴流风机抽取电梯内的空气，进入螺旋石英玻璃管，用深紫外进行消毒，深紫外消毒设备由紫外发光二极管（UV-LED）排列成阵列，紫外线被设备在的壳体密闭住，避免了向外泄漏。

消杀后的空气经过两个转盘喷头、两个喷雾喷头形成的水幕洗涤，去除空气中的悬浮粒子及飞沫，湿润的空气经过一级除水帘、二级除水帘去除空气中的水滴，经过单层丝网滤料除雾，消毒、洗涤、除湿后的空气采用上送下回的气流组织送回电梯，上送下回可充分发挥横向气流遏制作用，使局部污染尽快沉降，减少飞沫、气云飘移、扩散，减小水平横向气流，抑制推移气云四处飘移，稀释置换轿厢内污染空气，达到消毒洁净空气目的，图1为电梯轿厢智能消杀净化装置结构示意图。

图1 电梯轿厢智能消杀净化装置结构示意图

为节省能源，1 h 内三轴加速度传感器连续检测不到电梯动作，水幕过滤及紫外线照射停止工作。在疫情严重的非常规状态下，或是医院等高风险区域的电梯，可在循环水里加入消毒剂以加强消杀效果并设置成水幕过滤及紫外线照射始终工作的状态。

电梯静止待机时，红外传感器检测电梯里有无人员，如无人员，嵌入式系统中的计时控制器开始工作，常规状态下，计时5 min 内电梯仍在待机状态，过氧化氢消毒干雾系统启动，通过柔性汽化过氧化氢喷射管对电梯按键完成一遍小剂量喷射过氧化氢干雾消毒，柔性汽化过氧化氢喷射管的方向、位置可进行调节以适应不同电梯的按键。喷射消毒的过程中，如三轴加速度传感器检测到电梯动作，电梯按键喷射消毒动作马上终止。电梯静止待机计时30 min 后，过氧化氢消毒干雾系统启动，对电梯内部完成一遍喷射大剂量过氧化氢干雾消毒。喷射消毒的过程中，如三轴加速度传感器检测到电梯动作，喷射消毒马上终止。根据当地疫情情况，可调整减少或增加待机时间，以提高或减少消杀的次数。

4 基于三轴加速度传感器的电梯智能防疫消杀装置的优势

不同场所的电梯，对于轿厢消杀净化的要求是不一样的，环境不同、客流量不同、消杀要求不同，这些变化使得传统的定时消毒制度不能达到满意效果。传统的电梯内紫外线灯消毒，存在着极易误开、紫外线灼伤、消杀不彻底等问题，如只是用红外传感器控制紫外线灯，可能出现人已经进入电梯，紫外线灯才关闭的情况，仍然可能对人体造成伤害，甚至可能留下后遗症。文章设计的电梯智能防疫消杀装置，根据三轴加速度传感器、红外传感器自动判断出电梯工作状态及内部是否有人，使消杀工作的过程更趋于智能化。可大幅度减少人力免疫消杀占用的资源，对现有电梯基本不用改造，可带来较大的社会效益。从维护公共卫生安全的角度来说，该系统的应用具有很大的市场潜在需求，可以在疫情结束后长期使用。