一種多功能智能防護口罩的設計

魏其全，程民鵬，林克炫，任曉瑞，賀無名

（湖州師范學院 信息工程學院，浙江 湖州 313000）

0 引 言

隨著我國對生態環境的重視程度日益提高，空氣質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量較差的環境中。在中華人民共和國生態環境部公布的《2019中國生態環境公報》中指出，2019年全國337個地級及以上城市中180個城市環境空氣質量超標，占53.4%。而以PM、O、PM、NO和CO為首要污染物的超標天數分別占總超標天數的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。傳統口罩已經不適合當下逐漸智能化的生活。

本文將智能電子系統與口罩相結合，設計一種智能防護型口罩。該系統擁有降低呼吸負荷、檢測環境空氣質量、智能新風、監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 系統結構

系統主要由傳感器、微控制器、藍牙模塊、微型渦輪、上位機、電源構成。使用者佩戴好口罩后開啟電源，通過藍牙將口罩與移動端設備連接。由傳感器讀取口罩內溫濕度、二氧化碳濃度、VOCs濃度和氣壓數據，經微控制器處理后由藍牙傳輸至上位機，并通過控制渦輪轉速來實現智能新風功能。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統整體框圖

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側，用于監測口罩的內環境，并將測得的數據發送給處理器。通過檢測呼吸時產生的氣體壓力變化、溫度、濕度或二氧化碳濃度計算出口罩內環境狀況；利用單片機控制換氣風扇的轉速，從而實現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產生有規律的氣壓變化，經過抽樣后表現為一個時間序列信號，通過氣壓傳感器可以監測這樣的變化，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、可重復性和客觀性。口腔氣體中VOCs的濃度以數值的形式表現出來，可作為口臭的一個客觀判定指標。智能口罩上的氣壓傳感器和VOCs傳感器將采集到的數據發送給MCU，盡管系統的檢測精度不及醫用復雜精密儀器，但其便攜性和普及性高，可以幫助使用者及時發現病患。

空氣質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送警報，提醒使用者遠離空氣質量較差的區域。

單片機與上位機采用藍牙通信方式。藍牙技術是一種無線數據語音通信的開放性全球規范。它是基于低成本的近距離無線連接，為固定和移動設備建立通信環境的一種特殊的近距離無線技術連接。本文設計采用BLE技術，可極大程度地減少設備功耗。

上位機使用手機APP，可實現控制電子系統的啟停、報警參數設置、控制風扇轉速、監測數據查詢等功能。傳感器采集的呼吸數據會在上位機中以文本文件的形式保存，并且能夠繪制出數據變化趨勢。

2 硬件電路設計

智能口罩系統的主要組成模塊如圖2所示。

圖2 硬件電路設計原理

2.1 微處理器

為實現高速信息處理和數據通信，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

根據需求，系統須采集溫濕度、二氧化碳濃度、VOCs濃度、PM濃度、呼吸氣壓數據。本系統選用半導體式傳感器，可大大減小系統體積和質量。經過比較，系統選用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）等級或總揮發性有機化合物（TVOC）指標以及環境溫濕度。將模塊SCL和SDA經過上拉后連接處理器引腳，采用軟件模擬IC讀取數據。

在空氣污染檢測方面，選用MICS-4514傳感器。該傳感器可對產生的特定氣體（如CO和碳氫化合物）和氧化性氣體（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

呼吸數據采集使用BMP280傳感器。BMP280是一款專為移動應用設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。根據呼吸時在口罩內產生的氣壓變化可以直接了解使用者的呼吸狀況。

2.3 藍牙模塊

本系統作為一個可穿戴設備，與上位機的通信距離很短，且不需要很高的數據傳輸速度，低功耗是首要考慮的問題。因此，系統采用HC-42藍牙模塊，該藍牙通信模塊基于藍牙5.0協議，工作電流低至1.2 mA，停機電流僅為0.3 μA。在完成配對后，可作為標準UART使用，通過串口發送AT指令以實現模塊配置。

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的連續驅動電流。由于風扇不需要反轉，因此將AIN2與AIN1分別連接到VCC和GND以節省I/O，僅通過PWMA控制轉速。

2.5 電源模塊

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

3 軟件設計

3.1 傳感器數據獲取

口罩內溫濕度、VOCs濃度不會發生劇烈變化，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。為獲得較為準確的呼吸數據，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讀取數據流程

APP在連接藍牙后解析藍牙串口數據，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據會根據呼吸壓力和風扇轉速變化，成年人在平靜狀態下的呼吸為12～20次/min。由于風扇產生的噪聲頻率較低，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行平滑濾波處理。此處采用均值濾波法，在每100 ms時，連續讀取5次數據并取平均值。經過處理后的信號即為高質量的呼吸信號。處理后的數據如圖6所示。

圖6 呼吸信號波形

3.3 風扇轉速控制

風扇轉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界面中的滑動條進行調整。在自動模式下，處理器首先讀取口罩內的溫濕度、二氧化碳濃度，根據傳感器的讀數確定風扇轉速。調整規則如圖7所示。

圖7 風扇轉速調整子程序流程

3.4 系統整體程序設計

系統開機后首先進行與硬件相關的初始化，包括I/O配置、定時器、串口、ADC、時鐘樹等。然后通過UART向藍牙模塊發送AT命令進行配置，接著進入主循環，執行數據讀取和傳輸、風扇控制等過程。處理流程如圖8所示。

圖8 系統整體流程

4 結 語

本設計集呼吸信號檢測、空氣污染檢測、口罩內溫濕度監測、智能新風等功能于一體，能夠提醒使用者避開空氣污染地區，減少不必要的身體損傷；能夠有效地監測口罩內環境，并快速調整風扇轉速，實現最低能耗的無阻呼吸；能監測呼吸信號和呼出氣體的VOCs濃度，進而判斷人體健康狀況。在物聯網技術高速發展的背景下有著廣闊的應用前景。