基于WSN技術(shù)的新型防護(hù)口罩

杜雪梅 韋森林 周鵬 柴艷 章華 王亓劍

摘 要：隨著我國(guó)工業(yè)化的發(fā)展，大氣污染不斷加劇，市面上傳統(tǒng)的口罩功能單一，不能滿足人們的需求，基于此設(shè)計(jì)了一款新型防護(hù)口罩。該口罩由微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、藍(lán)牙模塊、電源模塊和APP組成，利用無線通信和大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互?；诨ヂ?lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)方面的發(fā)展以及目前市面上各種傳感器的出現(xiàn)，該新型防護(hù)口罩功能解決了人們?cè)谌粘Ｉ钪杏龅降臒?，可?shí)現(xiàn)性高，在未來投入市場(chǎng)將會(huì)有利于人們的健康。

關(guān)鍵詞：新型防護(hù)口罩;傳感器;互聯(lián)網(wǎng)技術(shù);藍(lán)牙技術(shù);大數(shù)據(jù)技術(shù);人機(jī)交互

中圖分類號(hào)：TP212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）06-0-03

0 引 言

隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展以及目前私家車的增長(zhǎng)，大氣污染主要是煙煤氣體以及汽車尾氣所排放的一氧化碳、二氧化硫等有毒有害氣體。我國(guó)多地出現(xiàn)霧霾天氣，并且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。長(zhǎng)期處于該環(huán)境中不僅影響人們的出行，還影響人們的身體健康。為了保護(hù)人體的健康，市面上出現(xiàn)了各種各樣的口罩。目前，傳統(tǒng)口罩已經(jīng)不能滿足人們的日常生活需要，例如：市面上的普通棉布口罩多次使用容易導(dǎo)致污染或細(xì)菌感染;帶有各種圖案以及色彩的口罩含有一些對(duì)人體有害的材料;醫(yī)用口罩密封性不好等?；诖嗽O(shè)計(jì)新型防護(hù)口罩。該口罩不僅具備對(duì)灰塵的過濾功能，還具有皮膚檢測(cè)、空氣凈化、燃?xì)鈾z測(cè)等功能，讓人們的出行更加安全。這些優(yōu)點(diǎn)解決了人們?cè)谌粘Ｉ钪兴龅降碾y題，對(duì)人們的健康以及生活品質(zhì)的提高有很好的改善。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

新型口罩設(shè)計(jì)的總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)以STM32F103C8T6為核心，利用傳感器采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)信息通過HC-06藍(lán)牙模塊傳到手機(jī)終端進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的措施來實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)的多種功能，口罩內(nèi)部利用HLK-5M12電源模塊進(jìn)行供電。本設(shè)計(jì)擁有獨(dú)立的后臺(tái)云端、大數(shù)據(jù)技術(shù)，能夠與手機(jī)連接，幫助用戶及時(shí)監(jiān)測(cè)各種情況，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)溫御寒、凈化有害物質(zhì)、檢測(cè)皮膚狀態(tài)以及氣體含量檢測(cè)功能。當(dāng)家中空氣質(zhì)量較差或者燃?xì)庑孤r(shí)，可以通過APP實(shí)現(xiàn)門窗的開關(guān)，減少安全隱患。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 微處理器模塊

STM32F103C8T6是一款集成電路主控芯片，芯體尺寸為32位，程序存儲(chǔ)器容量是64 KB，需要工作電壓為2～3.6 V，

工作溫度為-40～85 ℃，是一種家庭嵌入式-微控制器[1]，速度一般為72 MHz，外圍設(shè)備是DMA，電機(jī)控制PWM，程序存儲(chǔ)器類型FLASH數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器為A/D 10×12 b，內(nèi)部振蕩器型。芯片結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

通過口罩內(nèi)的傳感器對(duì)多路數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集到的信息經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后通過FPGA和ARM控制電路對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣，通過SPI總線經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)模塊HC-06輸出數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)與手機(jī)APP的通信。數(shù)據(jù)采集電路如圖3所示。

2.3 藍(lán)牙模塊

本設(shè)計(jì)選用HC-06藍(lán)牙模塊，其外置8 Mb FLASH，內(nèi)部頻率2.4 GHz，優(yōu)點(diǎn)是功耗低，有高性能無線收發(fā)系統(tǒng)，并且其外圍電路簡(jiǎn)單，制作成本低，支持UART接口， 只須外接就可以實(shí)現(xiàn)所需通信功能。手機(jī)只要打開藍(lán)牙就可以與其相連，手機(jī)APP根據(jù)各類傳感器檢測(cè)到的情況而寫入相應(yīng)的指令到藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊與微處理器STM32之間通過串口相連接，實(shí)現(xiàn)口罩內(nèi)的信息與手機(jī)APP相連接，進(jìn)而可以做出相應(yīng)的處理。用戶可以在遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取，并對(duì)家居內(nèi)的窗門進(jìn)行控制。

2.4 大數(shù)據(jù)技術(shù)

本設(shè)計(jì)利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過皮膚傳感器即時(shí)測(cè)出皮膚的各種水油平衡以及在紫外線照射下皮膚所引起的如各種色斑、皮膚病等潛在病變危險(xiǎn)，通過無線通信技術(shù)將獲取的數(shù)據(jù)傳到手機(jī)APP上，分析個(gè)體用戶的皮膚數(shù)據(jù)、空氣安全指數(shù)，將用戶的皮膚狀態(tài)與手機(jī)APP內(nèi)預(yù)先的狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，從而給出用戶不同的護(hù)膚方案，以及在生活飲食等方面為用戶提供護(hù)膚指南，使口罩代替?zhèn)鹘y(tǒng)的皮膚測(cè)試儀，讓人們可以隨時(shí)隨地進(jìn)行皮膚管理，及時(shí)有效地為人們的皮膚提供更好的指導(dǎo)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

新型防護(hù)口罩軟件采用C和Java語言編程，編程工具為Keil5。人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)手機(jī)客戶端與口罩的服務(wù)器端的通信、顯示及人機(jī)互動(dòng)。通過APP可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢及根據(jù)各人需要選擇個(gè)性化服務(wù)。主程序流程如圖4所示。

首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，隨后分布在口罩內(nèi)部的傳感器可以實(shí)時(shí)采集各種數(shù)據(jù)，當(dāng)空氣中有害氣體含量超過正常設(shè)定的閾值時(shí)可以通過口罩內(nèi)部的特殊材料分子篩凈化，在使用燃?xì)獾膱?chǎng)所如家里時(shí)，當(dāng)做飯時(shí)佩戴口罩檢測(cè)到燃?xì)庑孤r(shí)，反饋到手機(jī)APP上，可以通過APP及時(shí)打開門窗。

通過DS18B20溫度傳感器檢測(cè)皮膚與環(huán)境的溫度，若溫度低于設(shè)定的最低溫度，通過儲(chǔ)熱調(diào)溫纖維或儲(chǔ)熱調(diào)溫膠囊實(shí)現(xiàn)溫度升高，反之降低。并且通過皮膚傳感器可以檢測(cè)皮膚的狀態(tài)，將所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)利用串口通信與手機(jī)APP相連，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)為個(gè)人配備最適合她的皮膚護(hù)理、護(hù)膚品和飲食方案。該口罩通過藍(lán)牙通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)與手機(jī)連接，由控制器向口罩下達(dá)數(shù)據(jù)交換命令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)口罩的遠(yuǎn)程控制，口罩也可以向手機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)信息。

3.2 功能實(shí)現(xiàn)

3.2.1 面部御寒

智能調(diào)溫功能為儲(chǔ)熱調(diào)溫纖維織物、非織造物或由無紡布格子狀填充儲(chǔ)熱調(diào)溫膠囊制成。溫度傳感器選擇DS18B20，其是常用的數(shù)字溫度傳感器，輸出的是數(shù)字信號(hào)，具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高的

特點(diǎn)[2]。通過編程事先設(shè)定適應(yīng)人面部溫度的范圍，將程序?qū)懭隨TM32單片機(jī)內(nèi)，根據(jù)外界溫度與口罩內(nèi)溫度的一個(gè)差量來觸發(fā)相應(yīng)的高溫與低溫觸發(fā)器，通過調(diào)溫膠囊來吸收與放出熱量，實(shí)現(xiàn)一個(gè)面部御寒的功能。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.2.2 檢測(cè)皮膚狀態(tài)

人工柔性皮膚傳感器通過與佩戴者的皮膚直接接觸將皮膚狀態(tài)信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在單片機(jī)內(nèi)，再通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)信息傳到終端分析。這種創(chuàng)新型的傳感器使用柔軟和極端輕薄的材料，其機(jī)械性質(zhì)和延展性與人體表皮相似，因此也被稱為表皮傳感器[3]。

3.2.3 空氣凈化

大氣中的各種氣體與口罩內(nèi)的半導(dǎo)體氣敏傳感器相接觸，不同種類的氣體以及氣體含量會(huì)相應(yīng)地改變傳感器內(nèi)材料的電阻率，對(duì)外表現(xiàn)為電壓或者電流的改變，進(jìn)而檢測(cè)出氣體。通過氣敏傳感器檢測(cè)到的電壓或電流信號(hào)經(jīng)過整形電路和多路調(diào)制器后能夠?qū)⒂性肼曈绊懙男盘?hào)變換送到放大器放大，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換送到單片機(jī)。微處理器將包含有氣體種類及其與濃度有關(guān)的電信號(hào)信息通過藍(lán)牙傳到手機(jī)APP后就可以獲得與待測(cè)氣體在環(huán)境中的存在情況有關(guān)的信息，從而可以進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警，還可以通過接口電路與計(jì)算機(jī)組成自動(dòng)檢測(cè)、控制和報(bào)警系統(tǒng)[4]。氣體檢測(cè)流程如圖6所示。

3.2.4 燃?xì)鈾z測(cè)

該功能包括口罩內(nèi)的傳感器的檢測(cè)、室內(nèi)處理以及室外報(bào)警系統(tǒng)。首先通過口罩內(nèi)的半導(dǎo)體氣敏傳感器檢測(cè)燃?xì)獾臐舛鹊葰怏w含量，通過HC-06藍(lán)牙通信實(shí)時(shí)地傳到終端進(jìn)行分析，若有毒有害氣體含量超過閾值后，終端采取措施分別將通向室內(nèi)設(shè)備的門窗以及排風(fēng)口打開，同時(shí)將報(bào)警信號(hào)發(fā)送到用戶和小區(qū)監(jiān)控中心;當(dāng)屋內(nèi)氣體含量低于設(shè)定閾值后會(huì)自動(dòng)將門窗關(guān)閉。功能圖如圖7所示。

4 結(jié) 語

隨著5G的到來，物聯(lián)網(wǎng)會(huì)進(jìn)入一個(gè)更高的平臺(tái)，在社會(huì)的方方面面都會(huì)起到重要作用。在傳感器、大數(shù)據(jù)以及無線通信技術(shù)的良好發(fā)展背景下，設(shè)計(jì)基于WSN技術(shù)的新型防護(hù)口罩。這款智能的新型口罩可實(shí)現(xiàn)性高，在未來投入市場(chǎng)將會(huì)大大有利于人們的健康。人們認(rèn)為口罩要智能起來，首先需要具備保溫，繼而是智能連接、數(shù)據(jù)處理、運(yùn)用傳感器等功能?？谡值囊饬x就在于便利，而一款優(yōu)秀的智能口罩不僅可以給予人們傳統(tǒng)意義上的保溫，還可以拓展安全的領(lǐng)域與范圍，而這也正是智能口罩作為智能產(chǎn)品的核心優(yōu)勢(shì)所在。

該口罩不僅可以成為人們居家做飯和出行的好幫手，還可以應(yīng)用于工作在各種環(huán)境中的工作者。本新型口罩改正了傳統(tǒng)口罩功能單一的缺點(diǎn)，而且具備了現(xiàn)代人對(duì)功能以及美的追求，適用于各個(gè)年齡階層的人。

注：本文通訊作者為王亓劍。

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