一種基于ARM的耳口一體高性能防檢霧霾口罩

梁付強 趙偉 吳泓怡 趙鑫 謝思映

摘要：如今，隨著社會工業的發展，空氣質量問題日益嚴重，給人們生活帶來不便，甚至危害健康，防霧霾口罩應運而生。本文基于ARM處理器研究設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口罩。采用ARM作為核心處理器，再通過高速WIFI模塊連接手機，根據口罩內溫、濕度實際情況實時控制智能口罩的送風模式，從而調節口罩內環境參數，同時具有顯示功能。實驗結果表明，本智能口罩的研究與設計極具推廣價值。

關鍵詞：ARM處理器；防霧霾口罩；高速WIFI；參數調節

引言

傳統的防霧霾口罩只有單純的防霧霾功效，無法得知口罩內部環境是否良好，溫濕度是否適宜，散熱散濕效果差，冬天易導致眼睛起霧等。針對以上問題，設計一個有效降低佩戴者使用負荷且能顯示口罩內環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為特點的RISC微處理器。本文設計口罩使用的處理器擁有UART以及SPI（Serial PeriPheral Interface，串行外設接口）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接口實現處理器與nRF2401的連接。MCU與各種諸如網絡控制器、Flash RAM、LCD顯示驅動器等外圍設備的通信可以使用SPI接口進行，以交換通信信息。外圍設備包括和MUC等。如圖1所示，為典型的SPI接口主從式總線結構。

本研究設計的口罩在最前端裝有風扇通風，內部裝有STM32、藍牙、電池、溫濕度測量儀、無線充電圈以及灰塵測量儀，內壁裝有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80MHz和160MHz，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。用戶可以使用此模塊向現有設備添加網絡功能或構建單獨的網絡控制器。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，移動電話或計算機通過Internet遠程控制設備。AP模式，即ESP8266模塊，充當熱點，使移動電話或計算機能夠直接與模塊通信，實現局域網的無線控制。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，操作方便。在本設計中，使用 AP模式，MCU的串口中斷波特率設置為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 實驗結果

本實驗通過手機軟件與藍牙模塊的連接，達到在OLED 顯示屏與手機軟件上的數據顯示，證明了口罩的實時監控效果優良。在人為調高溫濕度時，風扇自動調整轉速，并平穩轉動，使其達到舒適狀態，證明口罩的調控能力比較穩定且精準。圖3為口罩外壁上的OLED 顯示屏。

結論

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

參考文獻

[1]章哲豪，萬兆新，蘇同生.智能呼吸凈化防霧霾口罩的設計[J].電子世界.2018（05）

[2]胡汪洋.口罩防霧霾效果與原理研究[J].中國戰略新興產業.2018（04）

[3]徐磊，周淵平，黃思遠，劉權.一種防霧霾智能口罩的設計[J].信息技術與網絡安全.2018（08）.