基于單片機和逆卡諾循環(huán)的聯(lián)網(wǎng)人體降溫監(jiān)控系統(tǒng)

唐靜

摘要：在高溫影響下，人容易出現(xiàn)體溫調(diào)節(jié)功能紊亂，特別是在氣溫高于35℃的環(huán)境中從事重體力活動，容易導(dǎo)致中暑。本文研究一款基于單片機和逆卡諾循環(huán)的聯(lián)網(wǎng)人體降溫監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由智能溫控系統(tǒng)和監(jiān)測使用者生命體征系統(tǒng)兩大智能部分構(gòu)成，其中智能溫控系統(tǒng)利用單片機做主控，溫度傳感器作調(diào)溫開關(guān)，由水冷制冷系統(tǒng)和熱交換穿著裝置構(gòu)成。用于實時監(jiān)控環(huán)境溫度、使用者體溫、與人體熱交換后水的溫度，確保高溫作業(yè)人員的健康安全。

關(guān)鍵詞：單片機;逆卡諾循環(huán);聯(lián)網(wǎng);人體降溫;監(jiān)控系統(tǒng)

一、概述

（一）研究目的

在高溫影響下，人容易出現(xiàn)體溫調(diào)節(jié)功能紊亂，特別是在氣溫高于35℃的環(huán)境中從事重體力活動，容易導(dǎo)致中暑。本文研究一款基于單片機和逆卡諾循環(huán)的聯(lián)網(wǎng)人體降溫監(jiān)控系統(tǒng)，用于實時監(jiān)控環(huán)境溫度、使用者體溫、與人體熱交換后水的溫度，確保高溫作業(yè)人員的健康安全。

（二）研究意義

（1）利用電腦編程，智能監(jiān)控所有在使用中的水冷制冷系統(tǒng)及使用者的體溫，并能警示和預(yù)警大范圍內(nèi)試用者的生命體征異常情況。

（2）利用逆卡諾循環(huán)原理制作可穿戴在身上的智能制冷裝置，摒棄目前市面?zhèn)鹘y(tǒng)制冷服需要管道拖拽的局限性，并且能根據(jù)外界溫度和人體溫度進行智能調(diào)溫。

（3）穿戴模式不局限于背心，還提供袖套及常用的圍脖模式。

二、研究方法

（一）現(xiàn)有人體制冷裝置技術(shù)調(diào)研

通過大量文獻表明，目前市面上主要的人體制冷裝置多為空調(diào)服，按調(diào)溫方式分為三個等級：第一類，被動式空調(diào)服：通過特殊材料實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)。它的缺點在于制冷時間短暫，吸放熱速度較快，溫度無法調(diào)節(jié)，降溫時間短;并且對皮膚的遮蓋透氣性差，容易發(fā)生材料泄露等安全隱患事件。第二類，散熱式散熱服：這是一種通過例如蒸發(fā)吸熱的特定方式來排放人體表面熱量的方式。但是傳統(tǒng)的風(fēng)扇體積都比較大，不容易裝在衣服上，就算勉強能夠安裝也會使得衣服穿著不舒服，并且行動上也顯得不方便。第三類主動式降溫服：能根據(jù)熱環(huán)境的變化采取主動降溫操作，這一般需借助于制冷機實現(xiàn)。[1]此類降溫服質(zhì)量重、體積大且管路限制在工作中使用的便利性。

（二）基于單片機和卡諾循環(huán)的聯(lián)網(wǎng)人體降溫監(jiān)控系統(tǒng)原理

經(jīng)過分析，我決定借鑒可穿在身上的空調(diào)衣的模式研制夏季戶外工作者的人體智能制冷裝置。它分為智能溫控系統(tǒng)和監(jiān)測使用者生命體征系統(tǒng)兩大智能部分。

1.智能溫控系統(tǒng)

智能溫控系統(tǒng)系統(tǒng)由單片機做為主控，溫度傳感器作為調(diào)溫開關(guān)，與水冷制冷系統(tǒng)和冷水與人體進行熱交換系統(tǒng)構(gòu)成。

單片機主控在智能溫控系統(tǒng)的作用表現(xiàn)為三個：實時收集從人體熱交換回來的熱水的溫度來調(diào)控水冷制冷系統(tǒng)的溫度;實時收集使用者的體溫，根據(jù)人體體溫自動通過調(diào)節(jié)電壓來調(diào)節(jié)輸出功率，達到自動調(diào)溫的效果;將收集到的使用者的體溫通過無線通信模塊與監(jiān)測使用者生命體征系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互。

2.基于卡諾循環(huán)的水冷制冷系統(tǒng)

1）逆卡諾循環(huán)基本原理：

①制冷劑原先處于低溫高壓狀態(tài)，經(jīng)膨脹機后變成了低溫低壓的液態(tài)制冷劑后，進入蒸發(fā)器中進行蒸發(fā)吸熱。從空氣中吸收大量的熱量Q1，在T1溫度下進行等溫膨脹1-2;

②蒸發(fā)吸熱后的制冷劑變成了氣態(tài)物質(zhì)后，接下來進入壓縮機。經(jīng)過壓縮機的絕熱壓縮2-3后，又變回了高溫高壓的制冷劑（此時制冷劑中的熱量分為兩部分：空氣中吸收的熱量Q1及壓縮機在壓縮制冷劑過程中消耗的部分轉(zhuǎn)化為熱量的電能Q2;

③被壓縮后的高溫高壓制冷劑進入冷凝器，在T2溫度下進行等溫壓縮3-4，并將其所含熱量（Q1+Q2）釋放出去;

④放熱后的制冷劑以液態(tài)形式進入膨脹機，再進行絕熱膨脹4-1，使其溫度由T2降至T1，即使工質(zhì)回到初始狀態(tài)1，如此不間斷進行循環(huán)。

⑤冷水獲得的熱量Q3=制冷劑從空氣中吸收的熱量Q2+驅(qū)動壓縮機的電能轉(zhuǎn)化成的熱量Q1，在標準工況下：Q2=3.6Q1，即消耗1份電能，得到4.6份的熱量。[3]

逆卡諾循環(huán)是一切蒸發(fā)式制冷的基礎(chǔ)。

2）基于逆卡諾循環(huán)原理，本水冷壓縮式制冷機（系統(tǒng)）主要由：壓縮機、冷凝器、節(jié)流毛細管和水冷蒸發(fā)器四部分組成，并用管道連接成一封閉循環(huán)系統(tǒng)。

①水冷蒸發(fā)器：這是一種使得制冷劑在低溫液態(tài)下與需要冷卻的水進行熱交換的換熱器，它由一組或幾組盤管組成。當?shù)蜏匾簯B(tài)的制冷劑進入蒸發(fā)器盤管中時，由于它的溫度低于盤管周圍水的溫度，進而實現(xiàn)蒸發(fā)汽化過程，從而帶走盤管周邊的水的熱量，使得水保持低溫狀態(tài)，這就是水冷的制冷原理。

②壓縮機：從水冷蒸發(fā)器出來的低壓制冷劑蒸氣進入壓縮機被壓縮，氣體的壓力被增加，當增加到與冷凝溫度相對應(yīng)的冷凝壓力相等時，就能使得制冷劑蒸氣進入冷凝器后在常溫下唄冷凝液化。

③冷凝器：氣態(tài)的制冷劑進入冷凝器向周圍的環(huán)境介質(zhì)液化放熱重新變成液態(tài)的制冷劑進入新的循環(huán)使用。

④節(jié)流裝置：使冷凝器中出來的冷凝液進一步降壓降溫成為低溫低壓液態(tài)制冷劑的裝置。本項目采用常用的節(jié)流為毛細管。

3）制冷劑選擇。目前市場上的制冷劑普遍采用氟化烴，它具有成本低，易于獲取，無毒，不燃，具有較大的汽化潛熱等特點。它的組成為碳（基本成分）+H，Cl，F(xiàn)的化合物。資料表明，含Cl量越多，毒性越強，含H量越多，易燃性越強，含Cl和F的量的越多，完全被鹵化（大氣壽命長），本項目采用的制冷劑是r134a。

作為人體智能制冷裝置，最為重要的就是便攜，水冷制冷裝置作為整個裝置最重的部分，通過精簡設(shè)計僅有2.8KG。

3.冷水與人體進行熱交換系統(tǒng)

制作包含背心式，袖套式和脖套式三種熱交換穿著裝置，這些穿著裝置內(nèi)置回旋盤狀水管，將水冷制冷系統(tǒng)制備的冷水通過這些回旋盤狀水管利用熱交換原理冷卻回心靜脈血，帶走人體因活動或外界環(huán)境升溫的熱量。熱交換后的熱水通過水泵再重新送往制冷系統(tǒng)的水冷蒸發(fā)器中進行冷卻。

4.監(jiān)測使用者生命體征系統(tǒng)

監(jiān)測使用者生命體征系統(tǒng)通過無線通信模塊與智能溫控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，其電腦端可以監(jiān)控一定工作范圍內(nèi)所有工作中的智能溫控系統(tǒng)的實時狀態(tài)，從而監(jiān)測每個使用者的生命體征，并根據(jù)其體征數(shù)據(jù)進行及時警示和報警，預(yù)防人體因高溫導(dǎo)致中暑等。

（三）夏季戶外工作者的人體智能制冷裝置使用模式

1.換熱管路循環(huán)結(jié)構(gòu)

換熱管路循環(huán)結(jié)構(gòu)采用多管路循環(huán)式，增加了管路布局的靈活性，盡可能的獲得更大的換熱面積，在分支管路相連處使用密封性能好的快速插頭，防止冷卻液泄露，獲得較好的冷卻效率。本項目采用尺寸為4*6mm的換熱管路。

2.穿戴模式多樣化

在溫度及風(fēng)速改變的情況下，生理學(xué)規(guī)律中表示皮膚溫度隨著環(huán)境溫度的下降而降低，并隨著風(fēng)速的減弱而增高頭頸部的變化量最小，其次為軀干，臂部、腿部及手部變化最大。根據(jù)體表熱流以及出汗量的分布，也可說明此規(guī)律。

因此，最穩(wěn)定并且制冷效能最有效的部位是頭頸部和軀干部位。因此，本項目將人體穿戴模式生成三種有效降溫部位的模式，一是頸部，二是左手臂部（離心臟計近），三是軀體。使用者可以根據(jù)使用習(xí)慣自由搭配選擇。因此，對應(yīng)三種穿戴模式：背心式——冷卻面積較大，制冷效果比較迅速;袖套式——直接冷卻左手臂靠近心臟的回心靜脈血，制冷有針對性，并且覆蓋身體面積最小;圍脖式——冷卻頸動脈血，制冷效果強，與工人日常降溫方式貼近。

三、研究結(jié)果

目前，夏季戶外工作者的人體智能制冷裝置已初步完成第一次研發(fā)，在小范圍人群內(nèi)試用，制冷效果反應(yīng)效果良好，并且裝置探測的人體溫度誤差較小，智能溫控系統(tǒng)及監(jiān)測使用者生命體征系統(tǒng)能正常進行數(shù)據(jù)交互，監(jiān)測使用者生命體征系統(tǒng)也能正常警示和報警。及下一階段將進行詳細數(shù)據(jù)測試，及試用工作。

它實現(xiàn)了通過特定的程序與監(jiān)控水冷系統(tǒng)連接，從而清楚知道人體體溫變化，并能夠在體征異常時發(fā)布預(yù)警和報警;穿戴模式多種，包括背心、袖套、圍脖;可穿戴在身上，摒棄目前市面上傳統(tǒng)制冷服需管道拖拽的缺點。

目前本項目已通過教育部科技查新工作站的查新，通過泉州市一鳴交通電器有限公司的安全技術(shù)檢測，提交了國家知識產(chǎn)權(quán)局發(fā)明專利和實用新型專利。并于10月與福建省泉州市一鳴公司簽訂了開發(fā)協(xié)議。

參考文獻：

[1]曾彥彰，等.紡織學(xué)報[J].Vol.28，pp.100-105，2007.

[2]劉靜.熱學(xué)微系統(tǒng)技術(shù)[J].2008.

[3]振東.逆卡諾循環(huán)中熱量傳導(dǎo)與守恒[J].科技風(fēng)，2016，（01）：12.

[4]牛麗，錢曉明，范金土.換熱管路間隔大小對可降溫消防服降溫效果的影響[J].紡織導(dǎo)報，2018（5）.