一種多功能智能防護(hù)口罩的設(shè)計

魏其全，程民鵬，林克炫，任曉瑞，賀無名

（湖州師范學(xué)院 信息工程學(xué)院，浙江 湖州 313000）

0 引 言

隨著我國對生態(tài)環(huán)境的重視程度日益提高，空氣質(zhì)量得到了顯著的改善。但治理大氣污染是一個漫長的過程，人們依然有可能直接暴露在空氣質(zhì)量較差的環(huán)境中。在中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部公布的《2019中國生態(tài)環(huán)境公報》中指出，2019年全國337個地級及以上城市中180個城市環(huán)境空氣質(zhì)量超標(biāo)，占53.4%。而以PM、O、PM、NO和CO為首要污染物的超標(biāo)天數(shù)分別占總超標(biāo)天數(shù)的45.0%、41.7%、12.8%、0.7%和不足0.1%。這種空氣狀況促使越來越多的人開始佩戴口罩；受新冠疫情的影響，佩戴口罩出門也成為了一種重要的防疫措施。而市面上的口罩雖然種類很多，但是也存在著各種缺陷，比如功能簡單、空氣流通不暢、散濕散熱效果差、呼吸阻力大，不適合長時間佩戴。傳統(tǒng)口罩已經(jīng)不適合當(dāng)下逐漸智能化的生活。

本文將智能電子系統(tǒng)與口罩相結(jié)合，設(shè)計一種智能防護(hù)型口罩。該系統(tǒng)擁有降低呼吸負(fù)荷、檢測環(huán)境空氣質(zhì)量、智能新風(fēng)、監(jiān)測呼吸情況和健康狀況的功能，給使用者提供更加舒適、智能的使用體驗。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由傳感器、微控制器、藍(lán)牙模塊、微型渦輪、上位機、電源構(gòu)成。使用者佩戴好口罩后開啟電源，通過藍(lán)牙將口罩與移動端設(shè)備連接。由傳感器讀取口罩內(nèi)溫濕度、二氧化碳濃度、VOCs濃度和氣壓數(shù)據(jù)，經(jīng)微控制器處理后由藍(lán)牙傳輸至上位機，并通過控制渦輪轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)智能新風(fēng)功能。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

將溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器和氣體壓力傳感器置于口罩內(nèi)側(cè)，用于監(jiān)測口罩的內(nèi)環(huán)境，并將測得的數(shù)據(jù)發(fā)送給處理器。通過檢測呼吸時產(chǎn)生的氣體壓力變化、溫度、濕度或二氧化碳濃度計算出口罩內(nèi)環(huán)境狀況；利用單片機控制換氣風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)最低能耗的無阻呼吸，提升使用者的舒適度。

人體呼吸時會在口罩內(nèi)產(chǎn)生有規(guī)律的氣壓變化，經(jīng)過抽樣后表現(xiàn)為一個時間序列信號，通過氣壓傳感器可以監(jiān)測這樣的變化，分析呼吸序列可以判斷人體健康狀況。同時，呼出氣體中的VOCs濃度能在一定程度上反映人體胃部和口腔的健康狀況，具有比較理想的敏感性、可重復(fù)性和客觀性?？谇粴怏w中VOCs的濃度以數(shù)值的形式表現(xiàn)出來，可作為口臭的一個客觀判定指標(biāo)。智能口罩上的氣壓傳感器和VOCs傳感器將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給MCU，盡管系統(tǒng)的檢測精度不及醫(yī)用復(fù)雜精密儀器，但其便攜性和普及性高，可以幫助使用者及時發(fā)現(xiàn)病患。

空氣質(zhì)量傳感器實時獲取外界的空氣狀況，如NOX濃度、PM濃度。如果這些污染氣體或顆粒濃度過高，會通過處理器向上位機發(fā)送警報，提醒使用者遠(yuǎn)離空氣質(zhì)量較差的區(qū)域。

單片機與上位機采用藍(lán)牙通信方式。藍(lán)牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)語音通信的開放性全球規(guī)范。它是基于低成本的近距離無線連接，為固定和移動設(shè)備建立通信環(huán)境的一種特殊的近距離無線技術(shù)連接。本文設(shè)計采用BLE技術(shù)，可極大程度地減少設(shè)備功耗。

上位機使用手機APP，可實現(xiàn)控制電子系統(tǒng)的啟停、報警參數(shù)設(shè)置、控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢等功能。傳感器采集的呼吸數(shù)據(jù)會在上位機中以文本文件的形式保存，并且能夠繪制出數(shù)據(jù)變化趨勢。

2 硬件電路設(shè)計

智能口罩系統(tǒng)的主要組成模塊如圖2所示。

圖2 硬件電路設(shè)計原理

2.1 微處理器

為實現(xiàn)高速信息處理和數(shù)據(jù)通信，處理器采用STM32F103RCT6。作為MCU，這款處理器擁有72 MHz時鐘頻率、48 KB SRAM、256 KB FLASH、8個定時器、51個通用I/O、2個SPI接口，在完全滿足需求的同時具有極高的性價比。

2.2 傳感器模塊

根據(jù)需求，系統(tǒng)須采集溫濕度、二氧化碳濃度、VOCs濃度、PM濃度、呼吸氣壓數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)選用半導(dǎo)體式傳感器，可大大減小系統(tǒng)體積和質(zhì)量。經(jīng)過比較，系統(tǒng)選用CJMCU-8118模塊。該模塊集成了2個傳感器芯片CCS811和HDC1080，可用于檢測等效二氧化碳（eCO）等級或總揮發(fā)性有機化合物（TVOC）指標(biāo)以及環(huán)境溫濕度。將模塊SCL和SDA經(jīng)過上拉后連接處理器引腳，采用軟件模擬IC讀取數(shù)據(jù)。

在空氣污染檢測方面，選用MICS-4514傳感器。該傳感器可對產(chǎn)生的特定氣體（如CO和碳?xì)浠衔铮┖脱趸詺怏w（如NO）做檢測，且具有低加熱電流、高檢測范圍和高精度的特點。MICS-4514特性曲線如圖3所示。

圖3 MICS-4514特性曲線

呼吸數(shù)據(jù)采集使用BMP280傳感器。BMP280是一款專為移動應(yīng)用設(shè)計的絕對氣壓傳感器。模塊封裝十分緊湊，僅為2.0 mm×2.5 mm。根據(jù)呼吸時在口罩內(nèi)產(chǎn)生的氣壓變化可以直接了解使用者的呼吸狀況。

2.3 藍(lán)牙模塊

本系統(tǒng)作為一個可穿戴設(shè)備，與上位機的通信距離很短，且不需要很高的數(shù)據(jù)傳輸速度，低功耗是首要考慮的問題。因此，系統(tǒng)采用HC-42藍(lán)牙模塊，該藍(lán)牙通信模塊基于藍(lán)牙5.0協(xié)議，工作電流低至1.2 mA，停機電流僅為0.3 μA。在完成配對后，可作為標(biāo)準(zhǔn)UART使用，通過串口發(fā)送AT指令以實現(xiàn)模塊配置。

2.4 渦輪控制模塊

渦輪最大功率為5 W，為給渦輪提供足夠的能量，還須額外接入一個電機驅(qū)動模塊。此處采用TB6612H橋集成電路，該電路單個通道可輸出最高1.2 A的連續(xù)驅(qū)動電流。由于風(fēng)扇不需要反轉(zhuǎn)，因此將AIN2與AIN1分別連接到VCC和GND以節(jié)省I/O，僅通過PWMA控制轉(zhuǎn)速。

2.5 電源模塊

電池采用12 V鋰電池，經(jīng)過以LM2596為核心構(gòu)成的DC-DC降壓電路降壓至5 V供特定的傳感器使用，再通過AMS1117線性穩(wěn)壓源降壓至3.3 V以滿足主控制器供電需求。

3 軟件設(shè)計

3.1 傳感器數(shù)據(jù)獲取

口罩內(nèi)溫濕度、VOCs濃度不會發(fā)生劇烈變化，因此每5 s讀取一次即可，將處理器的時間資源分配給其他對實時性要求更高的任務(wù)。為獲得較為準(zhǔn)確的呼吸數(shù)據(jù)，氣壓傳感器每100 ms讀取一次，并在APP中顯示氣壓變化過程。BMP280讀取流程如圖4所示。

圖4 BMP280讀取數(shù)據(jù)流程

APP在連接藍(lán)牙后解析藍(lán)牙串口數(shù)據(jù)，并將氣壓變化過程以波形圖的形式顯示。APP界面如圖5所示。

圖5 APP界面

3.2 呼吸信號處理

氣壓傳感器讀取到的呼吸數(shù)據(jù)會根據(jù)呼吸壓力和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變化，成年人在平靜狀態(tài)下的呼吸為12～20次/min。由于風(fēng)扇產(chǎn)生的噪聲頻率較低，因此可以通過高通濾波器濾除低頻噪聲。為減小隨機誤差，還須將分離后的信號進(jìn)行平滑濾波處理。此處采用均值濾波法，在每100 ms時，連續(xù)讀取5次數(shù)據(jù)并取平均值。經(jīng)過處理后的信號即為高質(zhì)量的呼吸信號。處理后的數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 呼吸信號波形

3.3 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制

風(fēng)扇轉(zhuǎn)速有自動和手動兩種方式。在手動模式下，使用者可以通過APP界面中的滑動條進(jìn)行調(diào)整。在自動模式下，處理器首先讀取口罩內(nèi)的溫濕度、二氧化碳濃度，根據(jù)傳感器的讀數(shù)確定風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。調(diào)整規(guī)則如圖7所示。

圖7 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速調(diào)整子程序流程

3.4 系統(tǒng)整體程序設(shè)計

系統(tǒng)開機后首先進(jìn)行與硬件相關(guān)的初始化，包括I/O配置、定時器、串口、ADC、時鐘樹等。然后通過UART向藍(lán)牙模塊發(fā)送AT命令進(jìn)行配置，接著進(jìn)入主循環(huán)，執(zhí)行數(shù)據(jù)讀取和傳輸、風(fēng)扇控制等過程。處理流程如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)整體流程

4 結(jié) 語

本設(shè)計集呼吸信號檢測、空氣污染檢測、口罩內(nèi)溫濕度監(jiān)測、智能新風(fēng)等功能于一體，能夠提醒使用者避開空氣污染地區(qū)，減少不必要的身體損傷；能夠有效地監(jiān)測口罩內(nèi)環(huán)境，并快速調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)最低能耗的無阻呼吸；能監(jiān)測呼吸信號和呼出氣體的VOCs濃度，進(jìn)而判斷人體健康狀況。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高速發(fā)展的背景下有著廣闊的應(yīng)用前景。