基于單片機和逆卡諾循環的聯網人體降溫監控系統

唐靜

摘要：在高溫影響下，人容易出現體溫調節功能紊亂，特別是在氣溫高于35℃的環境中從事重體力活動，容易導致中暑。本文研究一款基于單片機和逆卡諾循環的聯網人體降溫監控系統，該系統由智能溫控系統和監測使用者生命體征系統兩大智能部分構成，其中智能溫控系統利用單片機做主控，溫度傳感器作調溫開關，由水冷制冷系統和熱交換穿著裝置構成。用于實時監控環境溫度、使用者體溫、與人體熱交換后水的溫度，確保高溫作業人員的健康安全。

關鍵詞：單片機;逆卡諾循環;聯網;人體降溫;監控系統

一、概述

（一）研究目的

在高溫影響下，人容易出現體溫調節功能紊亂，特別是在氣溫高于35℃的環境中從事重體力活動，容易導致中暑。本文研究一款基于單片機和逆卡諾循環的聯網人體降溫監控系統，用于實時監控環境溫度、使用者體溫、與人體熱交換后水的溫度，確保高溫作業人員的健康安全。

（二）研究意義

（1）利用電腦編程，智能監控所有在使用中的水冷制冷系統及使用者的體溫，并能警示和預警大范圍內試用者的生命體征異常情況。

（2）利用逆卡諾循環原理制作可穿戴在身上的智能制冷裝置，摒棄目前市面傳統制冷服需要管道拖拽的局限性，并且能根據外界溫度和人體溫度進行智能調溫。

（3）穿戴模式不局限于背心，還提供袖套及常用的圍脖模式。

二、研究方法

（一）現有人體制冷裝置技術調研

通過大量文獻表明，目前市面上主要的人體制冷裝置多為空調服，按調溫方式分為三個等級：第一類，被動式空調服：通過特殊材料實現自適應調節。它的缺點在于制冷時間短暫，吸放熱速度較快，溫度無法調節，降溫時間短;并且對皮膚的遮蓋透氣性差，容易發生材料泄露等安全隱患事件。第二類，散熱式散熱服：這是一種通過例如蒸發吸熱的特定方式來排放人體表面熱量的方式。但是傳統的風扇體積都比較大，不容易裝在衣服上，就算勉強能夠安裝也會使得衣服穿著不舒服，并且行動上也顯得不方便。第三類主動式降溫服：能根據熱環境的變化采取主動降溫操作，這一般需借助于制冷機實現。[1]此類降溫服質量重、體積大且管路限制在工作中使用的便利性。

（二）基于單片機和卡諾循環的聯網人體降溫監控系統原理

經過分析，我決定借鑒可穿在身上的空調衣的模式研制夏季戶外工作者的人體智能制冷裝置。它分為智能溫控系統和監測使用者生命體征系統兩大智能部分。

1.智能溫控系統

智能溫控系統系統由單片機做為主控，溫度傳感器作為調溫開關，與水冷制冷系統和冷水與人體進行熱交換系統構成。

單片機主控在智能溫控系統的作用表現為三個：實時收集從人體熱交換回來的熱水的溫度來調控水冷制冷系統的溫度;實時收集使用者的體溫，根據人體體溫自動通過調節電壓來調節輸出功率，達到自動調溫的效果;將收集到的使用者的體溫通過無線通信模塊與監測使用者生命體征系統進行數據交互。

2.基于卡諾循環的水冷制冷系統

1）逆卡諾循環基本原理：

①制冷劑原先處于低溫高壓狀態，經膨脹機后變成了低溫低壓的液態制冷劑后，進入蒸發器中進行蒸發吸熱。從空氣中吸收大量的熱量Q1，在T1溫度下進行等溫膨脹1-2;

②蒸發吸熱后的制冷劑變成了氣態物質后，接下來進入壓縮機。經過壓縮機的絕熱壓縮2-3后，又變回了高溫高壓的制冷劑（此時制冷劑中的熱量分為兩部分：空氣中吸收的熱量Q1及壓縮機在壓縮制冷劑過程中消耗的部分轉化為熱量的電能Q2;

③被壓縮后的高溫高壓制冷劑進入冷凝器，在T2溫度下進行等溫壓縮3-4，并將其所含熱量（Q1+Q2）釋放出去;

④放熱后的制冷劑以液態形式進入膨脹機，再進行絕熱膨脹4-1，使其溫度由T2降至T1，即使工質回到初始狀態1，如此不間斷進行循環。

⑤冷水獲得的熱量Q3=制冷劑從空氣中吸收的熱量Q2+驅動壓縮機的電能轉化成的熱量Q1，在標準工況下：Q2=3.6Q1，即消耗1份電能，得到4.6份的熱量。[3]

逆卡諾循環是一切蒸發式制冷的基礎。

2）基于逆卡諾循環原理，本水冷壓縮式制冷機（系統）主要由：壓縮機、冷凝器、節流毛細管和水冷蒸發器四部分組成，并用管道連接成一封閉循環系統。

①水冷蒸發器：這是一種使得制冷劑在低溫液態下與需要冷卻的水進行熱交換的換熱器，它由一組或幾組盤管組成。當低溫液態的制冷劑進入蒸發器盤管中時，由于它的溫度低于盤管周圍水的溫度，進而實現蒸發汽化過程，從而帶走盤管周邊的水的熱量，使得水保持低溫狀態，這就是水冷的制冷原理。

②壓縮機：從水冷蒸發器出來的低壓制冷劑蒸氣進入壓縮機被壓縮，氣體的壓力被增加，當增加到與冷凝溫度相對應的冷凝壓力相等時，就能使得制冷劑蒸氣進入冷凝器后在常溫下唄冷凝液化。

③冷凝器：氣態的制冷劑進入冷凝器向周圍的環境介質液化放熱重新變成液態的制冷劑進入新的循環使用。

④節流裝置：使冷凝器中出來的冷凝液進一步降壓降溫成為低溫低壓液態制冷劑的裝置。本項目采用常用的節流為毛細管。

3）制冷劑選擇。目前市場上的制冷劑普遍采用氟化烴，它具有成本低，易于獲取，無毒，不燃，具有較大的汽化潛熱等特點。它的組成為碳（基本成分）+H，Cl，F的化合物。資料表明，含Cl量越多，毒性越強，含H量越多，易燃性越強，含Cl和F的量的越多，完全被鹵化（大氣壽命長），本項目采用的制冷劑是r134a。

作為人體智能制冷裝置，最為重要的就是便攜，水冷制冷裝置作為整個裝置最重的部分，通過精簡設計僅有2.8KG。

3.冷水與人體進行熱交換系統

制作包含背心式，袖套式和脖套式三種熱交換穿著裝置，這些穿著裝置內置回旋盤狀水管，將水冷制冷系統制備的冷水通過這些回旋盤狀水管利用熱交換原理冷卻回心靜脈血，帶走人體因活動或外界環境升溫的熱量。熱交換后的熱水通過水泵再重新送往制冷系統的水冷蒸發器中進行冷卻。

4.監測使用者生命體征系統

監測使用者生命體征系統通過無線通信模塊與智能溫控系統進行數據交互，其電腦端可以監控一定工作范圍內所有工作中的智能溫控系統的實時狀態，從而監測每個使用者的生命體征，并根據其體征數據進行及時警示和報警，預防人體因高溫導致中暑等。

（三）夏季戶外工作者的人體智能制冷裝置使用模式

1.換熱管路循環結構

換熱管路循環結構采用多管路循環式，增加了管路布局的靈活性，盡可能的獲得更大的換熱面積，在分支管路相連處使用密封性能好的快速插頭，防止冷卻液泄露，獲得較好的冷卻效率。本項目采用尺寸為4*6mm的換熱管路。

2.穿戴模式多樣化

在溫度及風速改變的情況下，生理學規律中表示皮膚溫度隨著環境溫度的下降而降低，并隨著風速的減弱而增高頭頸部的變化量最小，其次為軀干，臂部、腿部及手部變化最大。根據體表熱流以及出汗量的分布，也可說明此規律。

因此，最穩定并且制冷效能最有效的部位是頭頸部和軀干部位。因此，本項目將人體穿戴模式生成三種有效降溫部位的模式，一是頸部，二是左手臂部（離心臟計近），三是軀體。使用者可以根據使用習慣自由搭配選擇。因此，對應三種穿戴模式：背心式——冷卻面積較大，制冷效果比較迅速;袖套式——直接冷卻左手臂靠近心臟的回心靜脈血，制冷有針對性，并且覆蓋身體面積最小;圍脖式——冷卻頸動脈血，制冷效果強，與工人日常降溫方式貼近。

三、研究結果

目前，夏季戶外工作者的人體智能制冷裝置已初步完成第一次研發，在小范圍人群內試用，制冷效果反應效果良好，并且裝置探測的人體溫度誤差較小，智能溫控系統及監測使用者生命體征系統能正常進行數據交互，監測使用者生命體征系統也能正常警示和報警。及下一階段將進行詳細數據測試，及試用工作。

它實現了通過特定的程序與監控水冷系統連接，從而清楚知道人體體溫變化，并能夠在體征異常時發布預警和報警;穿戴模式多種，包括背心、袖套、圍脖;可穿戴在身上，摒棄目前市面上傳統制冷服需管道拖拽的缺點。

目前本項目已通過教育部科技查新工作站的查新，通過泉州市一鳴交通電器有限公司的安全技術檢測，提交了國家知識產權局發明專利和實用新型專利。并于10月與福建省泉州市一鳴公司簽訂了開發協議。

參考文獻：

[1]曾彥彰，等.紡織學報[J].Vol.28，pp.100-105，2007.

[2]劉靜.熱學微系統技術[J].2008.

[3]振東.逆卡諾循環中熱量傳導與守恒[J].科技風，2016，（01）：12.

[4]牛麗，錢曉明，范金土.換熱管路間隔大小對可降溫消防服降溫效果的影響[J].紡織導報，2018（5）.