智能呼吸凈化防霧霾口罩的設計

西安工業大學電子信息工程學院　章哲豪

陜西省中醫醫院針灸科　萬兆新　蘇同生

0.引言

目前，我國已經成為全球PM2.5污染最嚴重的地區之一，出行佩戴口罩已經成為了人們日益習慣的一種生活方式。傳統口罩的材質是棉布或無紡布面料，并無防霾功能，且冬天容易導致眼鏡起霧影響出行。而市面上的防霾口罩雖說已經是滿目琳瑯，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，又可以稱作主動呼吸式防霧霾口罩，依靠電動風機來幫助佩戴者呼吸，具有降低使用者呼吸負荷，改善使用者佩戴舒適度，提高防護可靠性等突出特點，尤其適用于條件惡劣的作業環境。

1.整體設計方案

與市面上其他產品相比，該口罩濾網的凈化效果達到了N99的級別，從大的顆粒到小的PM2.5都可以過濾，采用高凈化率、低阻的多層復合濾網技術，由活性炭蜂窩層、靜電棉過濾網、靜電吸附層、復合觸煤降解層、高效率HEPA 過濾網、負離子層等構成，實際空氣過濾凈化效率達到99.99%。迷你風扇結合電機送風，滿足劇烈運動時的呼吸需求量。根據佩戴用戶的呼吸壓差和頻率數據可智能調節風量，與皮膚接觸部分采用軟硅膠，舒適貼合，結合輕便的機身，長久佩戴也不會產生不適感，硅膠為可水洗耐高溫材質，可熱水蒸煮清潔殺菌后曬干，解決傳統口罩使用后經常出現的積灰發霉等衛士問題。人體工學曲線設計，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層，有效提高面部肌肉運動時的口罩密閉性。底部排氣閥設計，吸氣時閉合，呼氣時打開，實現一進一出的空氣循環，減少熱量積聚，實現內腔涼爽不潮濕，同時讓呼吸方式更輕松，適合高溫高濕度條件下長期使用。USB接口可直接充電，電池續航達8小時，相信可以滿足用戶日常工作生活需求。整體設計如圖1所示。

圖1　整體設計方案

2.硬件設計方案

采用AT89C52單片機作為核心處理器，搭載PWM調速內置的無刷直流電機，再利用高速WIFI模塊ESP8266連接手機APP，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，同時用戶也可通過APP實現對智能口罩的送風速度，定時等功能進行設置。硬件原理圖如圖2所示。

圖2　系統整體硬件原理圖

3.WIFI模塊設置

WIFI模塊采用的是ESP8266，該模塊集成了業界領先的 Tensilica L106 超低功耗 32 位微型 MCU，帶有 16 位精簡模式，主頻支持 80 MHz 和 160 MHz，支持 RTOS，集成 Wi-Fi MAC/ BB/RF/PA/LNA，板載天線。支持標準的 IEEE802.11 b/g/n 協議，完整的 TCP/IP 協議棧。用戶可以使用該模塊為現有的設備添加聯網功能，也可以構建獨立的網絡控制器。單片機與ESP8266通信方式采用AT命令方式，首先由單片機對esp8266進行初始化，再將手機連上ESP8266，通過手機端發送指令，ESP8266上一共有8個接口，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模塊通過路由器連接互聯網，手機或電腦通過互聯網實現對設備的遠程控制。AP模式即ESP8266模塊作為熱點，實現手機或電腦直接與模塊通信，實現局域網無線控制。STA+AP模式即以上兩種模式的共存模式，即可以通過互聯網控制可實現無縫切換，方便操作。在本設計中，采用AP模式，單片機的串口中斷的波特率設為9600，在將ESP8266模塊與單片機硬件連接之前，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.手機客戶端設計方案

手機客戶端的開發環境采用eclipse，準確的說它是一個開發工具框架，開發人員可以根據自己的需求，擴展各種插件定制屬于自己的開發環境以滿足自身開發需求，Android的軟件開發過程需要相應庫文件以及工具集的支持。庫文件、工具集以及操作系統、硬件系統相關內容已經封裝到了相應SDK，本文實現手機與WIFI模塊在同一局域網內，并于WIFI模塊配置好的IP地址與端口號進行匹配。

5.結束語

本文針對當前日益嚴重的霧霾問題，面向廣大人群，設計了一款新型智能控制呼吸凈化防霾口罩，實驗表面，該口罩的防護能力充分可行，無論是日常出行還是惡劣環境作業的工作者，該口罩都能提供較好的防護能力。因此該新型智能控制呼吸凈化防霾口罩極具醫療與商業推廣前景與實用價值。

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