智能呼吸凈化防霧霾口罩的設(shè)計(jì)

西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院　章哲豪

陜西省中醫(yī)醫(yī)院針灸科　萬(wàn)兆新　蘇同生

0.引言

目前，我國(guó)已經(jīng)成為全球PM2.5污染最嚴(yán)重的地區(qū)之一，出行佩戴口罩已經(jīng)成為了人們?nèi)找媪?xí)慣的一種生活方式。傳統(tǒng)口罩的材質(zhì)是棉布或無(wú)紡布面料，并無(wú)防霾功能，且冬天容易導(dǎo)致眼鏡起霧影響出行。而市面上的防霾口罩雖說(shuō)已經(jīng)是滿目琳瑯，但是卻也存在著各種缺陷，比如散熱散濕效果差佩戴時(shí)感覺憋悶，又如與面部貼合度較差塵霾易被吸入。本文提出的智能防霾口罩，又可以稱作主動(dòng)呼吸式防霧霾口罩，依靠電動(dòng)風(fēng)機(jī)來(lái)幫助佩戴者呼吸，具有降低使用者呼吸負(fù)荷，改善使用者佩戴舒適度，提高防護(hù)可靠性等突出特點(diǎn)，尤其適用于條件惡劣的作業(yè)環(huán)境。

1.整體設(shè)計(jì)方案

與市面上其他產(chǎn)品相比，該口罩濾網(wǎng)的凈化效果達(dá)到了N99的級(jí)別，從大的顆粒到小的PM2.5都可以過(guò)濾，采用高凈化率、低阻的多層復(fù)合濾網(wǎng)技術(shù)，由活性炭蜂窩層、靜電棉過(guò)濾網(wǎng)、靜電吸附層、復(fù)合觸煤降解層、高效率HEPA 過(guò)濾網(wǎng)、負(fù)離子層等構(gòu)成，實(shí)際空氣過(guò)濾凈化效率達(dá)到99.99%。迷你風(fēng)扇結(jié)合電機(jī)送風(fēng)，滿足劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)的呼吸需求量。根據(jù)佩戴用戶的呼吸壓差和頻率數(shù)據(jù)可智能調(diào)節(jié)風(fēng)量，與皮膚接觸部分采用軟硅膠，舒適貼合，結(jié)合輕便的機(jī)身，長(zhǎng)久佩戴也不會(huì)產(chǎn)生不適感，硅膠為可水洗耐高溫材質(zhì)，可熱水蒸煮清潔殺菌后曬干，解決傳統(tǒng)口罩使用后經(jīng)常出現(xiàn)的積灰發(fā)霉等衛(wèi)士問(wèn)題。人體工學(xué)曲線設(shè)計(jì)，彈力貼合面部減少漏氣率，粉塵不容易漏入硅膠形成的保護(hù)層，有效提高面部肌肉運(yùn)動(dòng)時(shí)的口罩密閉性。底部排氣閥設(shè)計(jì)，吸氣時(shí)閉合，呼氣時(shí)打開，實(shí)現(xiàn)一進(jìn)一出的空氣循環(huán)，減少熱量積聚，實(shí)現(xiàn)內(nèi)腔涼爽不潮濕，同時(shí)讓呼吸方式更輕松，適合高溫高濕度條件下長(zhǎng)期使用。USB接口可直接充電，電池續(xù)航達(dá)8小時(shí)，相信可以滿足用戶日常工作生活需求。整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1　整體設(shè)計(jì)方案

2.硬件設(shè)計(jì)方案

采用AT89C52單片機(jī)作為核心處理器，搭載PWM調(diào)速內(nèi)置的無(wú)刷直流電機(jī)，再利用高速WIFI模塊ESP8266連接手機(jī)APP，在能高效防塵的基礎(chǔ)上，濾芯外側(cè)的PM2.5感應(yīng)器能夠?qū)⒂脩羲幁h(huán)境中的環(huán)境情況通過(guò)手機(jī)APP實(shí)時(shí)反饋給用戶，同時(shí)用戶也可通過(guò)APP實(shí)現(xiàn)對(duì)智能口罩的送風(fēng)速度，定時(shí)等功能進(jìn)行設(shè)置。硬件原理圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)整體硬件原理圖

3.WIFI模塊設(shè)置

WIFI模塊采用的是ESP8266，該模塊集成了業(yè)界領(lǐng)先的 Tensilica L106 超低功耗 32 位微型 MCU，帶有 16 位精簡(jiǎn)模式，主頻支持 80 MHz 和 160 MHz，支持 RTOS，集成 Wi-Fi MAC/ BB/RF/PA/LNA，板載天線。支持標(biāo)準(zhǔn)的 IEEE802.11 b/g/n 協(xié)議，完整的 TCP/IP 協(xié)議棧。用戶可以使用該模塊為現(xiàn)有的設(shè)備添加聯(lián)網(wǎng)功能，也可以構(gòu)建獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)控制器。單片機(jī)與ESP8266通信方式采用AT命令方式，首先由單片機(jī)對(duì)esp8266進(jìn)行初始化，再將手機(jī)連上ESP8266，通過(guò)手機(jī)端發(fā)送指令，ESP8266上一共有8個(gè)接口，接口圖如圖3所示。

圖3　ESP8266接口圖

ESP8266模塊支持STA/AP/STA+AP 三種工作模式。

STA模式即ESP8266模塊通過(guò)路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，手機(jī)或電腦通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。AP模式即ESP8266模塊作為熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)或電腦直接與模塊通信，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)無(wú)線控制。STA+AP模式即以上兩種模式的共存模式，即可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)控制可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換，方便操作。在本設(shè)計(jì)中，采用AP模式，單片機(jī)的串口中斷的波特率設(shè)為9600，在將ESP8266模塊與單片機(jī)硬件連接之前，先用USB-TTL模塊連接好ESP8266模塊，將ESP8266模塊用AT命令改為9600的波特率。

使用的命令：

4.手機(jī)客戶端設(shè)計(jì)方案

手機(jī)客戶端的開發(fā)環(huán)境采用eclipse，準(zhǔn)確的說(shuō)它是一個(gè)開發(fā)工具框架，開發(fā)人員可以根據(jù)自己的需求，擴(kuò)展各種插件定制屬于自己的開發(fā)環(huán)境以滿足自身開發(fā)需求，Android的軟件開發(fā)過(guò)程需要相應(yīng)庫(kù)文件以及工具集的支持。庫(kù)文件、工具集以及操作系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容已經(jīng)封裝到了相應(yīng)SDK，本文實(shí)現(xiàn)手機(jī)與WIFI模塊在同一局域網(wǎng)內(nèi)，并于WIFI模塊配置好的IP地址與端口號(hào)進(jìn)行匹配。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前日益嚴(yán)重的霧霾問(wèn)題，面向廣大人群，設(shè)計(jì)了一款新型智能控制呼吸凈化防霾口罩，實(shí)驗(yàn)表面，該口罩的防護(hù)能力充分可行，無(wú)論是日常出行還是惡劣環(huán)境作業(yè)的工作者，該口罩都能提供較好的防護(hù)能力。因此該新型智能控制呼吸凈化防霾口罩極具醫(yī)療與商業(yè)推廣前景與實(shí)用價(jià)值。

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