實(shí)時(shí)檢測(cè)監(jiān)控式防毒面罩的構(gòu)思與研發(fā)

郝璐瑤 劉宇棟 尹 赫 牛陸君 李新龍

（吉林建筑大學(xué)應(yīng)急科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118）

0 引言

近年來，全國(guó)職業(yè)病人數(shù)正在呈現(xiàn)上漲趨勢(shì)，其中塵肺病為最為嚴(yán)重的職業(yè)病。隨著科技的不斷進(jìn)步，我國(guó)職業(yè)病防治工作對(duì)于各類防護(hù)設(shè)備提出更高的要求，個(gè)人面部防護(hù)需要更加安全可靠的呼吸防護(hù)設(shè)備。

為響應(yīng)國(guó)家職業(yè)病防治工作的號(hào)召，積極貫徹落實(shí)《職業(yè)病防治法》和《“健康中國(guó)2030”規(guī)劃綱要》，秉承我國(guó)職業(yè)病防護(hù)方針“預(yù)防為主，防治結(jié)合”的原則，加快推動(dòng)職業(yè)健康法律體系和治理能力現(xiàn)代化，該項(xiàng)目通過建立長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)人體技能數(shù)據(jù)的平臺(tái)以及監(jiān)測(cè)設(shè)備—防毒頭盔，來針對(duì)處于慢性中毒危險(xiǎn)的作業(yè)人群進(jìn)行防護(hù)，降低慢性中毒對(duì)人體造成的危害，實(shí)時(shí)保障從業(yè)人員的生命健康，提高工業(yè)安全體系。

1 防毒頭盔的設(shè)計(jì)

1.1 檢測(cè)設(shè)備—防毒頭盔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該智能頭盔是以基本的防毒面具為基礎(chǔ)，配合身體電子檢測(cè)設(shè)備以及相關(guān)的環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備為終端檢測(cè)設(shè)備。圖1為檢測(cè)終端防毒頭盔設(shè)備圖，系統(tǒng)框架包括面屏、過濾凈化端、信息采集端、無線通信端、充電式電池五個(gè)部件。

圖1 智能防毒頭盔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防毒頭盔設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是通過在普通的防毒面具基礎(chǔ)上加上塵毒傳感器和電機(jī)送風(fēng)機(jī)，當(dāng)塵毒濃度達(dá)到一定程度時(shí)，塵毒傳感器傳送數(shù)據(jù)信號(hào)到單片機(jī)控制器，控制電動(dòng)送風(fēng)機(jī)工作，給予面罩內(nèi)部清新空氣。

其中，塵毒、溫濕、空氣質(zhì)量、身體機(jī)能等各類傳感器以及攝像定位設(shè)備都與單片機(jī)控制器相連，單片機(jī)控制器模塊與無線傳輸模塊相連，無線傳輸模塊可以將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成無線電信號(hào)與監(jiān)控平臺(tái)的無線傳感器相互聯(lián)，提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。

1.2 防毒頭盔的功能

防毒頭盔應(yīng)用更加趨向于高科技形式，追求科技先進(jìn)的步伐，該防毒面具具備以下幾個(gè)功能：

（1）塵毒凈化，當(dāng)塵毒濃度達(dá)到一定程度時(shí)，塵毒傳感器便會(huì)傳送信號(hào)到單片機(jī)控制系統(tǒng)，控制電動(dòng)式送風(fēng)機(jī)開啟空氣凈化送風(fēng)模式，配合頭盔內(nèi)壁的溫濕傳感器來合理調(diào)節(jié)電動(dòng)式送風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和過濾面罩的過濾效果。

（2）實(shí)時(shí)信息采集，通過溫濕傳感器、空氣質(zhì)量傳感器以及身體機(jī)能傳感器配合單片機(jī)控制系統(tǒng)與無線傳輸系統(tǒng)傳送到監(jiān)控平臺(tái)，給予精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。頭盔額頭部位安裝攝像頭與定位系統(tǒng)，如遇危險(xiǎn)緊急情況，監(jiān)控中心能夠及時(shí)采取緊急救助措施。

（3）無線通信，在頭盔內(nèi)部安裝麥克風(fēng)與擴(kuò)音式小喇叭，以方便于與監(jiān)控中心匯報(bào)情況以及方便與其他作業(yè)人員溝通，及時(shí)了解實(shí)情。

（4）身體健康狀況監(jiān)測(cè)，通過身體機(jī)能傳感器能夠采集身體各項(xiàng)指標(biāo)并通過無線傳輸系統(tǒng)傳輸，監(jiān)控中心能夠及時(shí)了解作業(yè)人員的危險(xiǎn)情況的身體指標(biāo)。

1.3 防毒頭盔的創(chuàng)新點(diǎn)

在普通防毒頭盔過濾凈化的基礎(chǔ)上，該防毒面具具備以下幾個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）“一具多用”，應(yīng)用廣泛，能夠針對(duì)各項(xiàng)環(huán)境性能指標(biāo)，采用合適的過濾凈化濾芯。

（2）穿戴方便快捷，一套設(shè)備具備多項(xiàng)功能，相對(duì)于其他功能性設(shè)備，穿戴相對(duì)快捷。

（3）可重復(fù)使用，相比于傳統(tǒng)防毒頭盔而言，過濾凈化濾芯為一次性濾芯，利于更換，且其他結(jié)構(gòu)設(shè)備可以消毒后再次使用。

（4）實(shí)時(shí)環(huán)境與身體機(jī)能檢測(cè)，能夠及時(shí)了解作業(yè)區(qū)域人員的實(shí)際情況，為高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)區(qū)域人員作業(yè)提供安全保障。

2 監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

圖2是監(jiān)控平臺(tái)硬件設(shè)備圖，該監(jiān)控平臺(tái)主要是處理檢測(cè)終端——防毒頭盔的信息數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)在顯示屏上，并根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)回饋?zhàn)鳂I(yè)人員。

監(jiān)控平臺(tái)硬件設(shè)備包括PIC控制器、A/D轉(zhuǎn)換器、接觸顯示器、無線傳輸器、供電系統(tǒng)五大部分組成。

（1）PIC控制器是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的一種微處理器。選用ZK3U型PIC控制器[2]，ZK3U型PIC是一種低成本、高性能、低功耗的微處理器。與傳統(tǒng)的PLC控制器相比，ZK3U型PLC控制器硬件更為豐富、價(jià)格更為低廉、功能更加強(qiáng)悍，可更加快速處理檢測(cè)終端傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)。

（2）A/D轉(zhuǎn)換器是用于將PIC控制器處理的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成接觸顯示器顯示的信號(hào)。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

（3）接觸顯示器可供呈現(xiàn)無線檢測(cè)終端檢測(cè)的信息數(shù)據(jù)，更加直觀的呈現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)。

（4）無線傳輸器采用瑞典Datek無線數(shù)據(jù)傳輸器，能夠結(jié)合PIC控制器、各項(xiàng)傳感器的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，Datek需要獨(dú)一無二的數(shù)碼協(xié)議和雙處理器驗(yàn)證技術(shù)，保證系統(tǒng)的安全可靠。

（5）供電系統(tǒng)采用蓄電池供電模式，PIC控制器與接觸顯示器的標(biāo)準(zhǔn)電壓為24 V，應(yīng)準(zhǔn)備24 V與220 V的變壓器充電設(shè)備。

3 檢測(cè)終端與監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信

其檢測(cè)終端——防毒頭盔與監(jiān)控系統(tǒng)之間采用兩個(gè)無線傳輸設(shè)備：一個(gè)是安裝于檢測(cè)終端——防毒頭盔中，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成無線電信號(hào)；另一個(gè)是安裝于監(jiān)控系統(tǒng)中，將接受的無線電信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，提供給PIC控制器處理數(shù)據(jù)信息。

不在這一范圍時(shí)，電動(dòng)式送風(fēng)機(jī)再次啟動(dòng)，并控制塵毒過濾器改變過濾效果，增大過濾效率，保持空氣清新程度。

當(dāng)空氣質(zhì)量傳感器監(jiān)測(cè)到空氣質(zhì)量瞬間發(fā)生變化，且變化速度迅速，無線傳輸器將檢測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺(tái)，監(jiān)控平臺(tái)顯示器上及時(shí)發(fā)生報(bào)警效果，操作工作人員及時(shí)通過后臺(tái)對(duì)講提醒作業(yè)人員，并開啟視頻與定位系統(tǒng)及時(shí)觀察作業(yè)人員情況，給予最有效的解決辦法。

當(dāng)遇到危險(xiǎn)緊急情況時(shí)，能夠通過語(yǔ)音溝通，及時(shí)與監(jiān)控平臺(tái)操作人員溝通，或與其他作業(yè)人員交流，提供更加準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。

4 作業(yè)人員對(duì)防毒頭盔的使用

首先，作業(yè)人員在使用前觀察防毒頭盔的充電式電池是否充滿電。其次，防毒頭盔的面罩對(duì)于各類作業(yè)人員不同的臉型類型預(yù)設(shè)多個(gè)不同類型的面罩類型，作業(yè)人員可以根據(jù)自己的臉型情況選擇不同的適合自己的面罩，并且安裝合適的過濾一次性濾芯（可以根據(jù)作業(yè)區(qū)域情況自行選擇）。然后正確佩戴防毒頭盔，將充電式電池掛在腰間，正確佩戴身體機(jī)能傳感器手環(huán)，調(diào)節(jié)扣帶使面罩的硅膠墊與面部緊密接觸。工作結(jié)束后，拆下電源，將其置于消毒柜消毒20～30 min，封裝供下次使用。

5 應(yīng)用推廣前景

該項(xiàng)防護(hù)設(shè)備的推廣要追求于其防護(hù)性能、溝通交流、攝像定位于一體的智能防護(hù)設(shè)備。

5.1 塵肺病等職業(yè)病的防護(hù)

塵肺病是由于職業(yè)活動(dòng)中長(zhǎng)期吸入粉塵所引起的肺組織彌漫性纖維化為主的疾病。從新中國(guó)成立至2018年年低，我國(guó)職業(yè)病達(dá)到97萬(wàn)余例，塵肺病占職業(yè)病總數(shù)的90%[3]。迄今為止，塵肺病尚無特效的藥物或完全治愈的療法，只能通過綜合疾病管理改善癥狀，或者通過洗肺進(jìn)行緩解。

該防護(hù)設(shè)備可以應(yīng)用于建筑施工和接塵行業(yè)的個(gè)體呼吸系統(tǒng)的防護(hù)中，有效預(yù)防塵肺病等各類職業(yè)病的發(fā)生。

5.2 突發(fā)性傳染病的預(yù)防

突發(fā)性傳染病基本上都呈現(xiàn)出飛沫傳播的形式，該防護(hù)設(shè)備可顯著降低呼吸道高頻發(fā)傳染性疾病的發(fā)生頻率，能夠更有效地預(yù)防和控制突發(fā)性傳染病的發(fā)生。

對(duì)于各項(xiàng)傳染病防控中心的防疫人員能夠提供更高的安全保障體系。

6 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目基于個(gè)人防護(hù)、身體機(jī)能檢測(cè)、空氣質(zhì)量采集、無線通信為一體的智能防護(hù)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)與研發(fā)介紹，包括檢測(cè)設(shè)備——防毒頭盔與監(jiān)控平臺(tái)的各部位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料的應(yīng)用、工作流程的講述、防毒頭盔使用、保存與維護(hù)以及該項(xiàng)設(shè)備的應(yīng)用推廣。個(gè)人面部防護(hù)是保護(hù)工業(yè)作業(yè)人員生命健康的有效保護(hù)方式，能夠極大程度地預(yù)防職業(yè)病、傳染病等呼吸道疾病以及救助作業(yè)人員，為實(shí)時(shí)保護(hù)作業(yè)人員身體健康具有重要的現(xiàn)實(shí)性意義。