實時檢測監控式防毒面罩的構思與研發

郝璐瑤 劉宇棟 尹 赫 牛陸君 李新龍

（吉林建筑大學應急科學與工程學院，吉林 長春 130118）

0 引言

近年來，全國職業病人數正在呈現上漲趨勢，其中塵肺病為最為嚴重的職業病。隨著科技的不斷進步，我國職業病防治工作對于各類防護設備提出更高的要求，個人面部防護需要更加安全可靠的呼吸防護設備。

為響應國家職業病防治工作的號召，積極貫徹落實《職業病防治法》和《“健康中國2030”規劃綱要》，秉承我國職業病防護方針“預防為主，防治結合”的原則，加快推動職業健康法律體系和治理能力現代化，該項目通過建立長期監測人體技能數據的平臺以及監測設備—防毒頭盔，來針對處于慢性中毒危險的作業人群進行防護，降低慢性中毒對人體造成的危害，實時保障從業人員的生命健康，提高工業安全體系。

1 防毒頭盔的設計

1.1 檢測設備—防毒頭盔結構設計

該智能頭盔是以基本的防毒面具為基礎，配合身體電子檢測設備以及相關的環境監測設備為終端檢測設備。圖1為檢測終端防毒頭盔設備圖，系統框架包括面屏、過濾凈化端、信息采集端、無線通信端、充電式電池五個部件。

圖1 智能防毒頭盔結構設計

防毒頭盔設計結構是通過在普通的防毒面具基礎上加上塵毒傳感器和電機送風機，當塵毒濃度達到一定程度時，塵毒傳感器傳送數據信號到單片機控制器，控制電動送風機工作，給予面罩內部清新空氣。

其中，塵毒、溫濕、空氣質量、身體機能等各類傳感器以及攝像定位設備都與單片機控制器相連，單片機控制器模塊與無線傳輸模塊相連，無線傳輸模塊可以將數字信號轉化成無線電信號與監控平臺的無線傳感器相互聯，提供實時的數據。

1.2 防毒頭盔的功能

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

（1）塵毒凈化，當塵毒濃度達到一定程度時，塵毒傳感器便會傳送信號到單片機控制系統，控制電動式送風機開啟空氣凈化送風模式，配合頭盔內壁的溫濕傳感器來合理調節電動式送風機的風量和過濾面罩的過濾效果。

（2）實時信息采集，通過溫濕傳感器、空氣質量傳感器以及身體機能傳感器配合單片機控制系統與無線傳輸系統傳送到監控平臺，給予精準的實時監測。頭盔額頭部位安裝攝像頭與定位系統，如遇危險緊急情況，監控中心能夠及時采取緊急救助措施。

（3）無線通信，在頭盔內部安裝麥克風與擴音式小喇叭，以方便于與監控中心匯報情況以及方便與其他作業人員溝通，及時了解實情。

（4）身體健康狀況監測，通過身體機能傳感器能夠采集身體各項指標并通過無線傳輸系統傳輸，監控中心能夠及時了解作業人員的危險情況的身體指標。

1.3 防毒頭盔的創新點

在普通防毒頭盔過濾凈化的基礎上，該防毒面具具備以下幾個創新點：

（1）“一具多用”，應用廣泛，能夠針對各項環境性能指標，采用合適的過濾凈化濾芯。

（2）穿戴方便快捷，一套設備具備多項功能，相對于其他功能性設備，穿戴相對快捷。

（3）可重復使用，相比于傳統防毒頭盔而言，過濾凈化濾芯為一次性濾芯，利于更換，且其他結構設備可以消毒后再次使用。

（4）實時環境與身體機能檢測，能夠及時了解作業區域人員的實際情況，為高風險作業區域人員作業提供安全保障。

2 監控平臺設計

圖2是監控平臺硬件設備圖，該監控平臺主要是處理檢測終端——防毒頭盔的信息數據，呈現在顯示屏上，并根據實際情況及時回饋作業人員。

監控平臺硬件設備包括PIC控制器、A/D轉換器、接觸顯示器、無線傳輸器、供電系統五大部分組成。

（1）PIC控制器是當前應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。與傳統的PLC控制器相比，ZK3U型PLC控制器硬件更為豐富、價格更為低廉、功能更加強悍，可更加快速處理檢測終端傳輸的信息數據。

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

圖2 監控系統硬件設備結構圖

（3）接觸顯示器可供呈現無線檢測終端檢測的信息數據，更加直觀的呈現相關數據。

（4）無線傳輸器采用瑞典Datek無線數據傳輸器，能夠結合PIC控制器、各項傳感器的點對點傳輸，Datek需要獨一無二的數碼協議和雙處理器驗證技術，保證系統的安全可靠。

（5）供電系統采用蓄電池供電模式，PIC控制器與接觸顯示器的標準電壓為24 V，應準備24 V與220 V的變壓器充電設備。

3 檢測終端與監控系統之間的通信

其檢測終端——防毒頭盔與監控系統之間采用兩個無線傳輸設備：一個是安裝于檢測終端——防毒頭盔中，將數字信號轉化成無線電信號；另一個是安裝于監控系統中，將接受的無線電信號轉化成數字信號，提供給PIC控制器處理數據信息。

不在這一范圍時，電動式送風機再次啟動，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。

當空氣質量傳感器監測到空氣質量瞬間發生變化，且變化速度迅速，無線傳輸器將檢測數據及時傳輸到監控平臺，監控平臺顯示器上及時發生報警效果，操作工作人員及時通過后臺對講提醒作業人員，并開啟視頻與定位系統及時觀察作業人員情況，給予最有效的解決辦法。

當遇到危險緊急情況時，能夠通過語音溝通，及時與監控平臺操作人員溝通，或與其他作業人員交流，提供更加準確實時的數據。

4 作業人員對防毒頭盔的使用

首先，作業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，防毒頭盔的面罩對于各類作業人員不同的臉型類型預設多個不同類型的面罩類型，作業人員可以根據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（可以根據作業區域情況自行選擇）。然后正確佩戴防毒頭盔，將充電式電池掛在腰間，正確佩戴身體機能傳感器手環，調節扣帶使面罩的硅膠墊與面部緊密接觸。工作結束后，拆下電源，將其置于消毒柜消毒20～30 min，封裝供下次使用。

5 應用推廣前景

該項防護設備的推廣要追求于其防護性能、溝通交流、攝像定位于一體的智能防護設備。

5.1 塵肺病等職業病的防護

塵肺病是由于職業活動中長期吸入粉塵所引起的肺組織彌漫性纖維化為主的疾病。從新中國成立至2018年年低，我國職業病達到97萬余例，塵肺病占職業病總數的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，或者通過洗肺進行緩解。

該防護設備可以應用于建筑施工和接塵行業的個體呼吸系統的防護中，有效預防塵肺病等各類職業病的發生。

5.2 突發性傳染病的預防

突發性傳染病基本上都呈現出飛沫傳播的形式，該防護設備可顯著降低呼吸道高頻發傳染性疾病的發生頻率，能夠更有效地預防和控制突發性傳染病的發生。

對于各項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 結語

本項目基于個人防護、身體機能檢測、空氣質量采集、無線通信為一體的智能防護設備進行設計與研發介紹，包括檢測設備——防毒頭盔與監控平臺的各部位結構設計與材料的應用、工作流程的講述、防毒頭盔使用、保存與維護以及該項設備的應用推廣。個人面部防護是保護工業作業人員生命健康的有效保護方式，能夠極大程度地預防職業病、傳染病等呼吸道疾病以及救助作業人員，為實時保護作業人員身體健康具有重要的現實性意義。