一種基于ARM的耳口一體高性能防檢霧霾口罩

梁付強(qiáng) 趙偉 吳泓怡 趙鑫 謝思映

摘要：如今，隨著社會工業(yè)的發(fā)展，空氣質(zhì)量問題日益嚴(yán)重，給人們生活帶來不便，甚至危害健康，防霧霾口罩應(yīng)運(yùn)而生。本文基于ARM處理器研究設(shè)計了一種耳口一體高性能防檢霧霾口罩，是一種具有低成本、佩戴舒適、隔離效果佳的智能防護(hù)口罩。采用ARM作為核心處理器，再通過高速WIFI模塊連接手機(jī)，根據(jù)口罩內(nèi)溫、濕度實際情況實時控制智能口罩的送風(fēng)模式，從而調(diào)節(jié)口罩內(nèi)環(huán)境參數(shù)，同時具有顯示功能。實驗結(jié)果表明，本智能口罩的研究與設(shè)計極具推廣價值。

關(guān)鍵詞：ARM處理器；防霧霾口罩；高速WIFI；參數(shù)調(diào)節(jié)

引言

傳統(tǒng)的防霧霾口罩只有單純的防霧霾功效，無法得知口罩內(nèi)部環(huán)境是否良好，溫濕度是否適宜，散熱散濕效果差，冬天易導(dǎo)致眼睛起霧等。針對以上問題，設(shè)計一個有效降低佩戴者使用負(fù)荷且能顯示口罩內(nèi)環(huán)境的防霧霾口罩是十分有必要的。因此，本文對智能防霧霾口罩的研究就非常具有現(xiàn)實意義。

1 ARM處理器

ARM（Advanced RISC Machine）處理器是一種以低成本低功耗功能強(qiáng)為特點的RISC微處理器。本文設(shè)計口罩使用的處理器擁有UART以及SPI（Serial PeriPheral Interface，串行外設(shè)接口）接口，而nRF2401用的是DRI、CLK和DATA三線傳輸。由于受到速率影響，本文使用SPI接口實現(xiàn)處理器與nRF2401的連接。MCU與各種諸如網(wǎng)絡(luò)控制器、Flash RAM、LCD顯示驅(qū)動器等外圍設(shè)備的通信可以使用SPI接口進(jìn)行，以交換通信信息。外圍設(shè)備包括和MUC等。如圖1所示，為典型的SPI接口主從式總線結(jié)構(gòu)。

本研究設(shè)計的口罩在最前端裝有風(fēng)扇通風(fēng)，內(nèi)部裝有STM32、藍(lán)牙、電池、溫濕度測量儀、無線充電圈以及灰塵測量儀，內(nèi)壁裝有OLED顯示屏，能夠顯示實時溫度濕度。

2 WIFI模塊

WIFI模塊使用ESP8266，它集成了業(yè)界領(lǐng)先的Tensilica L106超低功耗32位微型MCU。帶有16位精簡模式，主頻支持80MHz和160MHz，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。用戶可以使用此模塊向現(xiàn)有設(shè)備添加網(wǎng)絡(luò)功能或構(gòu)建單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)控制器。MCU與ESP8266之間的通信模式采用AT命令模式。通過移動終端發(fā)送指令，ESP8266共有8個接口，接口圖如圖2所示。

ESP8266模塊支持STA/AP/STA+AP 三種工作模式。STA模式，即ESP8266模塊，通過路由器連接到Internet，移動電話或計算機(jī)通過Internet遠(yuǎn)程控制設(shè)備。AP模式，即ESP8266模塊，充當(dāng)熱點，使移動電話或計算機(jī)能夠直接與模塊通信，實現(xiàn)局域網(wǎng)的無線控制。STA + AP模式是上述兩種模式的共存模式，即無縫控制可以通過Internet控制實現(xiàn)，操作方便。在本設(shè)計中，使用 AP模式，MCU的串口中斷波特率設(shè)置為9600。在將 ESP8266模塊連接到 MCU硬件之前，首先將 ESP8266模塊與 USB- TTL模塊連接，然后使用 AT命令將 ESP8266模塊更改為波特率9600。

3 實驗結(jié)果

本實驗通過手機(jī)軟件與藍(lán)牙模塊的連接，達(dá)到在OLED 顯示屏與手機(jī)軟件上的數(shù)據(jù)顯示，證明了口罩的實時監(jiān)控效果優(yōu)良。在人為調(diào)高溫濕度時，風(fēng)扇自動調(diào)整轉(zhuǎn)速，并平穩(wěn)轉(zhuǎn)動，使其達(dá)到舒適狀態(tài)，證明口罩的調(diào)控能力比較穩(wěn)定且精準(zhǔn)。圖3為口罩外壁上的OLED 顯示屏。

結(jié)論

本文針對廣大人群設(shè)計了一種基于ARM處理器的新型智能控制呼吸口罩，實驗證明口罩的保護(hù)能力是完全可行的，可以為日常和惡劣的環(huán)境工作者提供更好的保護(hù)能力，具有很大的醫(yī)療和商業(yè)推廣前景和實用價值。

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