一種防霧霾智能口罩的設計

徐 磊，周淵平，黃思遠，劉 權

(四川大學 電子信息學院，四川 成都 610000)

0 引言

當前，隨著我國經濟的高速持續發展，日益惡劣的空氣質量給廣大人民的工作和生活帶來不便,甚至嚴重威脅人們的健康。我國已經有許多城市出現了較為嚴重的霧霾，在大街上也有越來越多的人穿戴口罩出門，目前市面上的口罩大多只有防霧霾功能一種，并且不會把人們呼出的廢氣及時地排出保持空氣流通。調查發現，許多人在穿戴口罩時接聽電話會對通話質量有一定影響。為了消除這一影響，人們或者選擇提高音量，或者選擇摘下口罩。而且許多年輕人在穿戴口罩的同時還有使用耳機聽音樂的習慣。無論是使用藍牙耳機還是有線耳機，它們都有各自的弊端。人們在使用無線藍牙耳機時會有耳機丟失的擔憂；在使用有線耳機時又會有耳機線纏繞帶來的煩惱。為此，本文設計了一種防霧霾的智能口罩，擬解決上述的問題，并給使用者創造一種新的實用型口罩體驗。

1 系統總體設計

1.1 系統結構的主要構成部分

智能口罩主要由PCB主控板、電源、風扇、麥克風、耳機、口罩和可更換濾芯組成，如圖1所示。

智能口罩以PCB主控板為核心，包括藍牙控制模塊、電源模塊和風扇及按鍵。使用者在穿戴口罩后開啟電源，系統啟動并與移動端通過藍牙連接，風扇開啟主動排氣，能夠把口罩內呼出的廢氣全部排掉，促進新鮮空氣從其他方向經過濾片過濾后流進，以達到持續新風的目的。在口罩外部嵌入有高拾音的麥克風和高品質的耳機，使用者在防霧霾的同時也能享受到動聽的音樂，在通話時也可以有更好的通話質量。另外為口罩專配有長度較短的高品質耳機從而解決了耳機線纏繞帶來的煩惱。整個系統均安裝在口罩右外側，在右外側開了一個2 cm2的小口并將風扇嵌入密閉，由于盡量采用較小的器件，減少不必要的配件，最后將整個系統安裝在口罩上后，并不會影響到使用者的舒適度。

圖1 口罩整體結構框圖

1.2 系統設計的可行性對比分析

與當前流行的口罩相比，該智能口罩在以下兩個方面具有明顯的優勢：一是具有風扇支持的空氣循環系統，可以給用戶更舒適的體驗；二是具有藍牙功能，可以支持藍牙接聽電話和播放音樂，可以給用戶更全面的實用體驗。文獻[1]采用了防霧霾面罩，同時也有風扇循環口罩內空氣，但并未整合藍牙，不能接聽電話和播放音樂。文獻[2]結構復雜，生產成本過高。

2 硬件電路設計

圖2 藍牙控制模塊電路

2.1 C8051F020介紹

C8051F020的內部電路包括CIP-51微控制器內核及RAM、ROM、I/O口、定時/計數器、ADC、DAC、SPI和SMBus等部件，即把計算機的基本組成單元以及模擬和數字外設集成在一個芯片上，構成一個完整的片上系統。雖然其與80C51在指令系統上完全一樣，但是其在運行速度、I/O端口配置方式、內部功能和外部接口上都有著很大程度的改進和提高，從而廣泛應用于工業控制、數據采集、網絡通信等領域[3]。

2.2 藍牙控制模塊

藍牙控制模塊電路圖如圖2所示。藍牙控制模塊主要由藍牙芯片、音頻輸出部分和音頻獲取部分組成。藍牙芯片選用BEKEN的BK8000L芯片[4-5]，該塊芯片不僅具有成本低、性價比高的優點，還為藍牙模塊提供了更高品質的音樂和兼容性。該芯片的藍牙規格為Bluetooth2.0。出于耳機功率放大的考慮，選用了TPA6132芯片，該芯片為一款立體聲耳機放大器。其特點是無需使用外部直流阻隔電容器，擁有卓越的低頻保真度，并能抑制喀噠/噼啪噪聲。為了能識別藍牙連接狀態，設計了一藍一紅兩個LED(D2、D3)，當兩燈交替閃爍時表示藍牙未連接并正在嘗試連接，當藍牙已連接時，藍燈慢閃。S6-S10為藍牙的控制按鍵，在播放音樂時分別控制音樂的上一曲、下一曲、音量增、音量減、播放與暫停功能；來電時由播放與暫停鍵負責接聽功能，并由播放與接聽鍵負責語音監聽的開啟。C13-C25起到隔絕直流噪聲的作用。耳機功放電路如圖3所示。

2.3 風扇、按鍵及LED

口罩右部嵌有微型風扇，采用+5 V驅動。此風扇用戶將使用者呼出的廢氣排出，起到清新空氣的作用。PCB主控板內具有5個按鍵與2個LED。所有的按鍵及LED都集成在PCB主控板上，其中有5個按鍵位于藍牙控制模塊，分別為上一曲、下一曲、音量增、音量減和暫停/接通[6]，其中暫停按鍵兼具接通鍵和語音監聽，會自動根據場景選擇不同功能。其余5個用于單片機的控制，最后4個作為PCB主控板的外圍控件，用于以后的功能擴展。一個LED燈作為系統啟動指示燈，在通電開啟時保持常亮。此LED指示PCB主控板是否工作，為了降低功耗，另外兩個LED燈(一藍一紅)作為連接藍牙芯片指示燈，在藍牙未連接(即搜索狀態)時兩燈交替閃爍，當藍牙連接上時轉換為一個藍燈慢閃爍。將常亮的藍牙指示燈變為閃爍式的指示燈可以有效地減少能源的消耗。

圖3 耳機功放電路

2.4 電源模塊

智能口罩的電源模塊負責風扇的驅動和PCB主控板的電源供給，電源模塊采用+5 V的直流電源，在向PCB主控板供電時，為了盡可能減少功耗，一是通過降低電壓可以成平方級別地降低電能消耗，所以采用AMS111芯片將+5 V轉變為+3.3 V，該芯片輸出電流為100 mA；二是可以進行手動控制風扇的開啟與關閉，減少電能消耗；三是將藍牙連接狀態指示燈設計成慢閃形式，摒棄長亮模式從而減少功耗。以上三點均為低功耗設計。考慮到口罩需要頻繁使用，在電源模塊內有USB接口的充電模塊，能夠為口罩提供續航。5 V轉3.3 V電源轉換電路如圖4所示。

圖4 5 V轉3.3 V電源轉換電路

3 系統軟件設計

PCB主控板軟件流程圖如圖5所示，PCB主控板開啟后，首先進行晶振初始化、引腳初始化和串口初始化與使能。之后程序進入循環，對按鍵的觸發做出響應，當有按鍵按下時，會對按鍵進行識別，當識別為語音按鍵時，系統會先發送SPP數傳開啟指令給移動端開啟數據傳輸，之后若有數據從移動端通過藍牙發送過來，藍牙會將數據通過串口發送給單片機，此時會引起串口中斷，串口中斷時會引起程序中斷并執行串口中斷子程序[7]。該程序會將發送過來的數據以字節的形式全部接收并保存，退出子程序后會繼續主程序的執行，主程序將保存的數據進行解析，通過解析提取里面的有用信息，若有用信息有與之對應的指令，則執行指令完成語音控制；當識別為風扇控制按鍵時，按鍵按下會把控制開關倒置達到控制風扇開閉的效果。

圖5 PCB主控板軟件流程圖

4 實驗驗證

在系統完成后，進行了一系列的實驗驗證。完成后的口罩如圖6所示。分別對通風情況、藍牙連接情況、音樂播放效果和麥克風通信等功能進行了驗證。實驗結果表明:使用者對通風效果給予了高度評價，藍牙連接的成功率非常高，只需一次手動連接，之后便可以自動連接且不會發生連接中斷的情況，移動端音樂播放后使用者可以通過耳機聽到高品質的音樂，用戶體驗較好。最后驗證了藍牙連接下的通話質量，結果表明此系統完全支持正常的通話。

圖6 口罩成果圖

5 結論

本文設計了一種防霧霾的智能口罩。該系統由移動端、PCB主控板、風扇、麥克風、電源和耳機等部件組成。本文給出了整體結構圖，并對該系統的硬件電路設計和軟件設計等難點進行了必要的闡述說明，在硬件中選擇了易于調試的CF8051F020單片機模塊和BK8000L藍牙芯片。該智能口罩一方面可以有效地防止霧霾，并排出呼出的廢氣給使用者更舒適的新風體驗；另一方面可實現更加可靠的通話指令和更舒適的音樂享受。本系統因其基本脫離了對手部的過分依賴，適合于很多場景，例如手腳不便的殘障人士、正在駕駛的快遞人員等，因此具有較好的實用性[8]。