一種新型智能口罩的設計

魏佳濱　曾沁妍　袁亞非

摘 要：當前，隨著社會經濟的持續發展，在高速發展的同時，日益惡劣的空氣質量給廣大人民的工作和生活帶來不便，甚至嚴重威脅健康。基于此，筆者設計了一款新型智能口罩。該口罩能大幅降低對空氣中有害顆粒的吸入量。在能高效防塵的基礎上，濾芯外側的PM2.5感應器能夠將用戶所處環境中的環境情況通過手機APP實時反饋給用戶，由濾芯中內外感應器構成的監測系統能夠通過數據比較達到當濾芯失效后的報警功能，通過這項功能來避免使用者二次吸入粉塵的現象發生。針對大范圍，多層次的人群，該產品能滿足廣大用戶日常出行、工作的需要。

關鍵詞：DID口罩；高粉塵環境；智能；健康

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）33-0001-02

1 概 述

當前，隨著社會經濟的持續發展，在獲得高速發展的同時，人們的生存環境質量也隨之變得越來越差，給廣大人民的工作和生活帶來不便，甚至嚴重威脅健康。一方面，隨著空氣中PM2.5濃度的持續增加，人們患呼吸系統和心血管系統疾病的機率越來越高。另一方面，我國有大量工作于粉塵環境的產業工人，此類特殊人群罹患塵肺病等呼吸系統疾病的機率更高于普通人群。每年塵肺病給國家造成的直接經濟損失達幾十億元。因此，防治粉塵危害、預防塵肺病是當前亟待解決的課題。針對當前的情況，目前國內常見的防護措施多采用自吸式防塵口罩，其特點是結構簡單、成本低，口罩密合性較差，如果口罩與面部接觸不嚴，就會泄漏而降低防塵效果。同時，這種口罩會隨著濾塵量的增多而增大吸氣阻力，使佩戴者產生憋氣感，會造成工人不愿佩戴防塵口罩，從而加大了工人罹患塵肺病的概率。由此看來，現有口罩并無法實現廣大用戶的日常需求，也無法達到特殊人群的需要。因此，筆者將開發一種舒適的、濾塵效果好的智能口罩，解決現有防塵口罩防塵效果差等問題。

2 常見口罩防護效果

目前我國顆粒物防護口罩有不同的過濾效率級別，不同級別由產品所適用的標準所規定。根據中國國家標準GB2626-2006，防顆粒物口罩被分為KN和KP類。KN類的口罩只能過濾非油性顆粒物，比如：粉塵、酸霧、漆霧、微生物等。KP類口罩則既可過濾非油性顆粒物，又可過濾油性顆粒物。油性顆粒物比如：油煙、油霧等。此外，還有國際上還有美國NIOSH （國家職業安全健康研究所）認證 、歐洲標準（EN）認證 。而能達到此類標準的已經是專業級別的防塵口罩，通過原理是在風機的作用下，氣體從入風口進入測量腔中，檢測儀可以檢測測量腔中的PM2.5值的實驗發現，3M口罩N95級別的產品過濾效率可以達到98%。帶夾層濾芯的口罩，由于空氣不但從濾芯中穿過，而且從周圍的布料上穿過，過濾效率達到47%。醫用一次性口罩因其價格低廉、佩戴方便、質地輕盈、無需清洗等優點而受到很多人的選擇，濾性是43%。棉口罩，幾乎沒有過濾PM2.5的效果，過濾效率僅為4%。

3 方案設計

針對以上情況，筆者設計了一款智能產品——DID智能口罩。DID智能口罩能夠大大降低對空氣中有害顆粒的吸入量。在能高效防塵的基礎上，濾芯外側的PM2.5感應器能夠將用戶所處環境中的環境情況通過手機APP實時反饋給用戶，由濾芯中內外感應器構成的監測系統能夠通過數據比較達到當濾芯失效后的報警功能，通過這項功能來避免使用者二次吸入粉塵的現象發生。

另外，由于口罩帶的柔性織物特殊材質，能夠實現監測使用者心率的功能并且通過手機APP向用戶進行反饋。為了方便用戶使用，口罩濾芯和口罩可分離，隨時進行濾芯的更換，口罩再也不是一次性的消耗品了，更加環保符合市場需求。

另外為了避免口罩無法及時更換造成二次吸入污染物，通過采集口內外設置的兩個PM2.5傳感器模塊進行實時數據監測，當內外傳感器計量接近一致時說明口罩失效，對人們發出更換濾芯的信號。

此外，DID智能口罩的口罩綁帶采用了柔性織物材料，能夠對人體機能進行檢測，通過手機APP向用戶提供數據。綜上所述，DID智能口罩能夠向大眾人群提供：監測，預警，防護三項服務。

4 傳感器模塊主要技術指標

本設計方案的核心部件為夏普公司的GP2Y1010AU0F 粉塵傳感器模塊。GP2Y1010AU0F 是一款光學空氣質量傳感器，設計用來感應空氣中的塵埃粒子，能檢測出室內空氣中的灰塵和煙塵含量。用夏普GP2Y1010AU0F灰塵傳感器價格較低廉，可有效降低產品成本。GP2Y1010AU0F 粉塵傳感器電路結構，如圖1所示。

檢測原理：

其內部對角安放紅外線發光二極管和光電晶體管，使得其能夠探測到空氣中塵埃反射光，即使非常細小的如煙草煙霧顆粒也能夠被檢測到。傳感器中心有個孔可以讓空氣自由流過。發光二極管定向發射LED光，通過檢測經過空氣中灰塵折射過后的光線來判斷灰塵的含量。如圖2所示。

GP2Y1010AU0F 粉塵傳感器主要參數：

①靈敏度：0.5 V/（0.1 mg/m3）；

②輸出電壓（無灰塵）：0.9 V（TYP）；

③消耗電流：11 mA；

該傳感器具有非常低的電流消耗（最大20 mA，典型值

11 mA），可使用高達7VDC。該傳感器輸出為模擬電壓，其值與粉塵濃度成正比。可測量0.8微米以上的微小粒子，感知煙氣、花粉，房屋粉塵等.體積小，重量輕，便于安裝。

5 關鍵部件設計與實現

5.1 過濾材料

DID智能口罩以無紡布作為基本材料，母體由抗菌面料形成的保護層，材質為碳纖維氈墊、高分子織物、多層超細纖維、無紡布。口罩濾芯是由內外PM2.5感應器及PM2.5感應器之間的多層織物構成，多層織物由碳釬維布和過濾布構成，碳纖維布是加入了無粉塵顆粒活性炭、經過納米銀殺菌劑技術處理的濾片。每個濾片都經過微靜電處理細微顆粒主動吸附在過濾片上，能夠達到多層過濾，的效果，從而起到防氣味、防低毒、防油煙、防灰塵、防霧霾、防PM2.5的作用。

5.2 智能傳感材料

DID智能口罩的口罩采用不同于傳統口罩帶的SOFTCEPTOR柔性織物材料。SOFTCEPTOR柔性織物是珠海安潤普公司基于新型柔性織物傳感技術而開發的。SOFTCEPTOR技術將傳感技術與柔性織物融合，將碳基導電材料涂層在彈性織物基底上，通過織物的拉伸、壓縮等形變以及生物電的采集，可以連續監測人體呼吸、心率、運動、睡眠、步態等信息。相比于傳統的半導體、金屬等硬的傳感器，不僅具有靈敏度高、彈性好、穩定性好、耐疲勞、材料體系安全等優點，還可以像普通衣服一樣折疊、水洗、甩干。在DID口罩的設計中，通過該柔性織物與傳感芯片連接，可對過濾器所采集到的數據進行分析，并將結果發送至移動終端，實現數據統一管理。該柔性織物材料的性能和價格較為適中，加之制造口罩做采用的材料較少，因此SOFTCEPTOR柔性織物符合本設計方案的要求。

6 目標用戶

當前預防粉塵吸入的主要手段是個體防護，即從業人員佩戴口罩等防護設備。個體防護是職業健康防護的最后一道防線，是有效預防塵肺病的重要手段。隨著機械化水平提高，在提高工作效率的同時，產塵量和粉塵濃度也大大提高，雖然工人作業時佩戴普通防塵口罩，防塵效果亦差強人意。針對粉塵環境工作的特殊工人，患呼吸系統疾病的機率更高于普通人群。DID智能口罩的材質特殊，透氣性較好，在保證防塵功能的情況下同時能夠保證工人不會因為佩戴口罩出現缺氧的狀況。另外，口罩能夠及時提醒工人更換濾芯避免二次吸入粉塵，還能向管理人員進行實時提供工人身體機能數據，以便于合理的進行工作安排。

7 結 語

本文針對當前霧霾問題愈來愈嚴重的現狀，面對大范圍，多層次的人群，設計了一款新型智能口罩。通過對該新型智能口罩的設計與分析，充分證明了該設計的可行性，具有廣闊的應用前景。這種基于GP2Y1010AU0F 粉塵傳感器和SOFTCEPTOR柔性織物材料的新型口罩對當前處于惡劣環境作業或出行的人群提供了較好的的防護力，能滿足廣大用戶日常出行、工作的需要。因此，該新型只能口罩設計方案具有很高的實用價值。

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