一種新型智能口罩的設(shè)計(jì)

魏佳濱　曾沁妍　袁亞非

摘 要：當(dāng)前，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，在高速發(fā)展的同時(shí)，日益惡劣的空氣質(zhì)量給廣大人民的工作和生活帶來(lái)不便，甚至嚴(yán)重威脅健康?；诖?，筆者設(shè)計(jì)了一款新型智能口罩。該口罩能大幅降低對(duì)空氣中有害顆粒的吸入量。在能高效防塵的基礎(chǔ)上，濾芯外側(cè)的PM2.5感應(yīng)器能夠?qū)⒂脩?hù)所處環(huán)境中的環(huán)境情況通過(guò)手機(jī)APP實(shí)時(shí)反饋給用戶(hù)，由濾芯中內(nèi)外感應(yīng)器構(gòu)成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠通過(guò)數(shù)據(jù)比較達(dá)到當(dāng)濾芯失效后的報(bào)警功能，通過(guò)這項(xiàng)功能來(lái)避免使用者二次吸入粉塵的現(xiàn)象發(fā)生。針對(duì)大范圍，多層次的人群，該產(chǎn)品能滿(mǎn)足廣大用戶(hù)日常出行、工作的需要。

關(guān)鍵詞：DID口罩；高粉塵環(huán)境；智能；健康

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）33-0001-02

1 概 述

當(dāng)前，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，在獲得高速發(fā)展的同時(shí)，人們的生存環(huán)境質(zhì)量也隨之變得越來(lái)越差，給廣大人民的工作和生活帶來(lái)不便，甚至嚴(yán)重威脅健康。一方面，隨著空氣中PM2.5濃度的持續(xù)增加，人們患呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)疾病的機(jī)率越來(lái)越高。另一方面，我國(guó)有大量工作于粉塵環(huán)境的產(chǎn)業(yè)工人，此類(lèi)特殊人群罹患?jí)m肺病等呼吸系統(tǒng)疾病的機(jī)率更高于普通人群。每年塵肺病給國(guó)家造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)幾十億元。因此，防治粉塵危害、預(yù)防塵肺病是當(dāng)前亟待解決的課題。針對(duì)當(dāng)前的情況，目前國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的防護(hù)措施多采用自吸式防塵口罩，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，口罩密合性較差，如果口罩與面部接觸不嚴(yán)，就會(huì)泄漏而降低防塵效果。同時(shí)，這種口罩會(huì)隨著濾塵量的增多而增大吸氣阻力，使佩戴者產(chǎn)生憋氣感，會(huì)造成工人不愿佩戴防塵口罩，從而加大了工人罹患?jí)m肺病的概率。由此看來(lái)，現(xiàn)有口罩并無(wú)法實(shí)現(xiàn)廣大用戶(hù)的日常需求，也無(wú)法達(dá)到特殊人群的需要。因此，筆者將開(kāi)發(fā)一種舒適的、濾塵效果好的智能口罩，解決現(xiàn)有防塵口罩防塵效果差等問(wèn)題。

2 常見(jiàn)口罩防護(hù)效果

目前我國(guó)顆粒物防護(hù)口罩有不同的過(guò)濾效率級(jí)別，不同級(jí)別由產(chǎn)品所適用的標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定。根據(jù)中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB2626-2006，防顆粒物口罩被分為KN和KP類(lèi)。KN類(lèi)的口罩只能過(guò)濾非油性顆粒物，比如：粉塵、酸霧、漆霧、微生物等。KP類(lèi)口罩則既可過(guò)濾非油性顆粒物，又可過(guò)濾油性顆粒物。油性顆粒物比如：油煙、油霧等。此外，還有國(guó)際上還有美國(guó)NIOSH （國(guó)家職業(yè)安全健康研究所）認(rèn)證 、歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN）認(rèn)證 。而能達(dá)到此類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的已經(jīng)是專(zhuān)業(yè)級(jí)別的防塵口罩，通過(guò)原理是在風(fēng)機(jī)的作用下，氣體從入風(fēng)口進(jìn)入測(cè)量腔中，檢測(cè)儀可以檢測(cè)測(cè)量腔中的PM2.5值的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，3M口罩N95級(jí)別的產(chǎn)品過(guò)濾效率可以達(dá)到98%。帶夾層濾芯的口罩，由于空氣不但從濾芯中穿過(guò)，而且從周?chē)牟剂仙洗┻^(guò)，過(guò)濾效率達(dá)到47%。醫(yī)用一次性口罩因其價(jià)格低廉、佩戴方便、質(zhì)地輕盈、無(wú)需清洗等優(yōu)點(diǎn)而受到很多人的選擇，濾性是43%。棉口罩，幾乎沒(méi)有過(guò)濾PM2.5的效果，過(guò)濾效率僅為4%。

3 方案設(shè)計(jì)

針對(duì)以上情況，筆者設(shè)計(jì)了一款智能產(chǎn)品——DID智能口罩。DID智能口罩能夠大大降低對(duì)空氣中有害顆粒的吸入量。在能高效防塵的基礎(chǔ)上，濾芯外側(cè)的PM2.5感應(yīng)器能夠?qū)⒂脩?hù)所處環(huán)境中的環(huán)境情況通過(guò)手機(jī)APP實(shí)時(shí)反饋給用戶(hù)，由濾芯中內(nèi)外感應(yīng)器構(gòu)成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠通過(guò)數(shù)據(jù)比較達(dá)到當(dāng)濾芯失效后的報(bào)警功能，通過(guò)這項(xiàng)功能來(lái)避免使用者二次吸入粉塵的現(xiàn)象發(fā)生。

另外，由于口罩帶的柔性織物特殊材質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測(cè)使用者心率的功能并且通過(guò)手機(jī)APP向用戶(hù)進(jìn)行反饋。為了方便用戶(hù)使用，口罩濾芯和口罩可分離，隨時(shí)進(jìn)行濾芯的更換，口罩再也不是一次性的消耗品了，更加環(huán)保符合市場(chǎng)需求。

另外為了避免口罩無(wú)法及時(shí)更換造成二次吸入污染物，通過(guò)采集口內(nèi)外設(shè)置的兩個(gè)PM2.5傳感器模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，當(dāng)內(nèi)外傳感器計(jì)量接近一致時(shí)說(shuō)明口罩失效，對(duì)人們發(fā)出更換濾芯的信號(hào)。

此外，DID智能口罩的口罩綁帶采用了柔性織物材料，能夠?qū)θ梭w機(jī)能進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)手機(jī)APP向用戶(hù)提供數(shù)據(jù)。綜上所述，DID智能口罩能夠向大眾人群提供：監(jiān)測(cè)，預(yù)警，防護(hù)三項(xiàng)服務(wù)。

4 傳感器模塊主要技術(shù)指標(biāo)

本設(shè)計(jì)方案的核心部件為夏普公司的GP2Y1010AU0F 粉塵傳感器模塊。GP2Y1010AU0F 是一款光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器，設(shè)計(jì)用來(lái)感應(yīng)空氣中的塵埃粒子，能檢測(cè)出室內(nèi)空氣中的灰塵和煙塵含量。用夏普GP2Y1010AU0F灰塵傳感器價(jià)格較低廉，可有效降低產(chǎn)品成本。GP2Y1010AU0F 粉塵傳感器電路結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

檢測(cè)原理：

其內(nèi)部對(duì)角安放紅外線(xiàn)發(fā)光二極管和光電晶體管，使得其能夠探測(cè)到空氣中塵埃反射光，即使非常細(xì)小的如煙草煙霧顆粒也能夠被檢測(cè)到。傳感器中心有個(gè)孔可以讓空氣自由流過(guò)。發(fā)光二極管定向發(fā)射LED光，通過(guò)檢測(cè)經(jīng)過(guò)空氣中灰塵折射過(guò)后的光線(xiàn)來(lái)判斷灰塵的含量。如圖2所示。

GP2Y1010AU0F 粉塵傳感器主要參數(shù)：

①靈敏度：0.5 V/（0.1 mg/m3）；

②輸出電壓（無(wú)灰塵）：0.9 V（TYP）；

③消耗電流：11 mA；

該傳感器具有非常低的電流消耗（最大20 mA，典型值

11 mA），可使用高達(dá)7VDC。該傳感器輸出為模擬電壓，其值與粉塵濃度成正比。可測(cè)量0.8微米以上的微小粒子，感知煙氣、花粉，房屋粉塵等.體積小，重量輕，便于安裝。

5 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

5.1 過(guò)濾材料

DID智能口罩以無(wú)紡布作為基本材料，母體由抗菌面料形成的保護(hù)層，材質(zhì)為碳纖維氈墊、高分子織物、多層超細(xì)纖維、無(wú)紡布?？谡譃V芯是由內(nèi)外PM2.5感應(yīng)器及PM2.5感應(yīng)器之間的多層織物構(gòu)成，多層織物由碳釬維布和過(guò)濾布構(gòu)成，碳纖維布是加入了無(wú)粉塵顆?；钚蕴俊⒔?jīng)過(guò)納米銀殺菌劑技術(shù)處理的濾片。每個(gè)濾片都經(jīng)過(guò)微靜電處理細(xì)微顆粒主動(dòng)吸附在過(guò)濾片上，能夠達(dá)到多層過(guò)濾，的效果，從而起到防氣味、防低毒、防油煙、防灰塵、防霧霾、防PM2.5的作用。

5.2 智能傳感材料

DID智能口罩的口罩采用不同于傳統(tǒng)口罩帶的SOFTCEPTOR柔性織物材料。SOFTCEPTOR柔性織物是珠海安潤(rùn)普公司基于新型柔性織物傳感技術(shù)而開(kāi)發(fā)的。SOFTCEPTOR技術(shù)將傳感技術(shù)與柔性織物融合，將碳基導(dǎo)電材料涂層在彈性織物基底上，通過(guò)織物的拉伸、壓縮等形變以及生物電的采集，可以連續(xù)監(jiān)測(cè)人體呼吸、心率、運(yùn)動(dòng)、睡眠、步態(tài)等信息。相比于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體、金屬等硬的傳感器，不僅具有靈敏度高、彈性好、穩(wěn)定性好、耐疲勞、材料體系安全等優(yōu)點(diǎn)，還可以像普通衣服一樣折疊、水洗、甩干。在DID口罩的設(shè)計(jì)中，通過(guò)該柔性織物與傳感芯片連接，可對(duì)過(guò)濾器所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將結(jié)果發(fā)送至移動(dòng)終端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理。該柔性織物材料的性能和價(jià)格較為適中，加之制造口罩做采用的材料較少，因此SOFTCEPTOR柔性織物符合本設(shè)計(jì)方案的要求。

6 目標(biāo)用戶(hù)

當(dāng)前預(yù)防粉塵吸入的主要手段是個(gè)體防護(hù)，即從業(yè)人員佩戴口罩等防護(hù)設(shè)備。個(gè)體防護(hù)是職業(yè)健康防護(hù)的最后一道防線(xiàn)，是有效預(yù)防塵肺病的重要手段。隨著機(jī)械化水平提高，在提高工作效率的同時(shí)，產(chǎn)塵量和粉塵濃度也大大提高，雖然工人作業(yè)時(shí)佩戴普通防塵口罩，防塵效果亦差強(qiáng)人意。針對(duì)粉塵環(huán)境工作的特殊工人，患呼吸系統(tǒng)疾病的機(jī)率更高于普通人群。DID智能口罩的材質(zhì)特殊，透氣性較好，在保證防塵功能的情況下同時(shí)能夠保證工人不會(huì)因?yàn)榕宕骺谡殖霈F(xiàn)缺氧的狀況。另外，口罩能夠及時(shí)提醒工人更換濾芯避免二次吸入粉塵，還能向管理人員進(jìn)行實(shí)時(shí)提供工人身體機(jī)能數(shù)據(jù)，以便于合理的進(jìn)行工作安排。

7 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前霧霾問(wèn)題愈來(lái)愈嚴(yán)重的現(xiàn)狀，面對(duì)大范圍，多層次的人群，設(shè)計(jì)了一款新型智能口罩。通過(guò)對(duì)該新型智能口罩的設(shè)計(jì)與分析，充分證明了該設(shè)計(jì)的可行性，具有廣闊的應(yīng)用前景。這種基于GP2Y1010AU0F 粉塵傳感器和SOFTCEPTOR柔性織物材料的新型口罩對(duì)當(dāng)前處于惡劣環(huán)境作業(yè)或出行的人群提供了較好的的防護(hù)力，能滿(mǎn)足廣大用戶(hù)日常出行、工作的需要。因此，該新型只能口罩設(shè)計(jì)方案具有很高的實(shí)用價(jià)值。

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