基于WSN技術的新型防護口罩

杜雪梅 韋森林 周鵬 柴艷 章華 王亓劍

摘 要：隨著我國工業化的發展，大氣污染不斷加劇，市面上傳統的口罩功能單一，不能滿足人們的需求，基于此設計了一款新型防護口罩。該口罩由微處理器模塊、數據采集模塊、藍牙模塊、電源模塊和APP組成，利用無線通信和大數據技術實現人機交互。基于互聯網、大數據技術方面的發展以及目前市面上各種傳感器的出現，該新型防護口罩功能解決了人們在日常生活中遇到的煩惱，可實現性高，在未來投入市場將會有利于人們的健康。

關鍵詞：新型防護口罩;傳感器;互聯網技術;藍牙技術;大數據技術;人機交互

中圖分類號：TP212文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）06-0-03

0 引 言

隨著我國工業的發展以及目前私家車的增長，大氣污染主要是煙煤氣體以及汽車尾氣所排放的一氧化碳、二氧化硫等有毒有害氣體。我國多地出現霧霾天氣，并且持續時間長。長期處于該環境中不僅影響人們的出行，還影響人們的身體健康。為了保護人體的健康，市面上出現了各種各樣的口罩。目前，傳統口罩已經不能滿足人們的日常生活需要，例如：市面上的普通棉布口罩多次使用容易導致污染或細菌感染;帶有各種圖案以及色彩的口罩含有一些對人體有害的材料;醫用口罩密封性不好等。基于此設計新型防護口罩。該口罩不僅具備對灰塵的過濾功能，還具有皮膚檢測、空氣凈化、燃氣檢測等功能，讓人們的出行更加安全。這些優點解決了人們在日常生活中所遇到的難題，對人們的健康以及生活品質的提高有很好的改善。

1 系統總體設計

新型口罩設計的總體框圖如圖1所示。系統以STM32F103C8T6為核心，利用傳感器采集相關數據，并將數據信息通過HC-06藍牙模塊傳到手機終端進行實時分析，根據實際情況采取相應的措施來實現該設計的多種功能，口罩內部利用HLK-5M12電源模塊進行供電。本設計擁有獨立的后臺云端、大數據技術，能夠與手機連接，幫助用戶及時監測各種情況，可以實現調溫御寒、凈化有害物質、檢測皮膚狀態以及氣體含量檢測功能。當家中空氣質量較差或者燃氣泄漏時，可以通過APP實現門窗的開關，減少安全隱患。

2 硬件設計

2.1 微處理器模塊

STM32F103C8T6是一款集成電路主控芯片，芯體尺寸為32位，程序存儲器容量是64 KB，需要工作電壓為2～3.6 V，

工作溫度為-40～85 ℃，是一種家庭嵌入式-微控制器[1]，速度一般為72 MHz，外圍設備是DMA，電機控制PWM，程序存儲器類型FLASH數據轉換器為A/D 10×12 b，內部振蕩器型。芯片結構如圖2所示。

2.2 數據采集模塊

通過口罩內的傳感器對多路數據進行采集，采集到的信息經過A/D轉換器，將模擬量轉換為數字量后通過FPGA和ARM控制電路對采集到的數據進行抽樣，通過SPI總線經無線網絡模塊HC-06輸出數據實現與手機APP的通信。數據采集電路如圖3所示。

2.3 藍牙模塊

本設計選用HC-06藍牙模塊，其外置8 Mb FLASH，內部頻率2.4 GHz，優點是功耗低，有高性能無線收發系統，并且其外圍電路簡單，制作成本低，支持UART接口， 只須外接就可以實現所需通信功能。手機只要打開藍牙就可以與其相連，手機APP根據各類傳感器檢測到的情況而寫入相應的指令到藍牙模塊，藍牙模塊與微處理器STM32之間通過串口相連接，實現口罩內的信息與手機APP相連接，進而可以做出相應的處理。用戶可以在遠距離實現數據的讀取，并對家居內的窗門進行控制。

2.4 大數據技術

本設計利用大數據技術，通過皮膚傳感器即時測出皮膚的各種水油平衡以及在紫外線照射下皮膚所引起的如各種色斑、皮膚病等潛在病變危險，通過無線通信技術將獲取的數據傳到手機APP上，分析個體用戶的皮膚數據、空氣安全指數，將用戶的皮膚狀態與手機APP內預先的狀態相對應，從而給出用戶不同的護膚方案，以及在生活飲食等方面為用戶提供護膚指南，使口罩代替傳統的皮膚測試儀，讓人們可以隨時隨地進行皮膚管理，及時有效地為人們的皮膚提供更好的指導。

3 軟件設計

3.1 主程序設計

新型防護口罩軟件采用C和Java語言編程，編程工具為Keil5。人機交互實現手機客戶端與口罩的服務器端的通信、顯示及人機互動。通過APP可以方便地進行數據的查詢及根據各人需要選擇個性化服務。主程序流程如圖4所示。

首先進行系統初始化，隨后分布在口罩內部的傳感器可以實時采集各種數據，當空氣中有害氣體含量超過正常設定的閾值時可以通過口罩內部的特殊材料分子篩凈化，在使用燃氣的場所如家里時，當做飯時佩戴口罩檢測到燃氣泄漏時，反饋到手機APP上，可以通過APP及時打開門窗。

通過DS18B20溫度傳感器檢測皮膚與環境的溫度，若溫度低于設定的最低溫度，通過儲熱調溫纖維或儲熱調溫膠囊實現溫度升高，反之降低。并且通過皮膚傳感器可以檢測皮膚的狀態，將所檢測到的數據利用串口通信與手機APP相連，利用大數據技術為個人配備最適合她的皮膚護理、護膚品和飲食方案。該口罩通過藍牙通信技術可以實現與手機連接，由控制器向口罩下達數據交換命令，從而實現對口罩的遠程控制，口罩也可以向手機發送數據信息。

3.2 功能實現

3.2.1 面部御寒

智能調溫功能為儲熱調溫纖維織物、非織造物或由無紡布格子狀填充儲熱調溫膠囊制成。溫度傳感器選擇DS18B20，其是常用的數字溫度傳感器，輸出的是數字信號，具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強、精度高的

特點[2]。通過編程事先設定適應人面部溫度的范圍，將程序寫入STM32單片機內，根據外界溫度與口罩內溫度的一個差量來觸發相應的高溫與低溫觸發器，通過調溫膠囊來吸收與放出熱量，實現一個面部御寒的功能。DS18B20內部結構如圖5所示。

3.2.2 檢測皮膚狀態

人工柔性皮膚傳感器通過與佩戴者的皮膚直接接觸將皮膚狀態信息數據存儲在單片機內，再通過藍牙將數據信息傳到終端分析。這種創新型的傳感器使用柔軟和極端輕薄的材料，其機械性質和延展性與人體表皮相似，因此也被稱為表皮傳感器[3]。

3.2.3 空氣凈化

大氣中的各種氣體與口罩內的半導體氣敏傳感器相接觸，不同種類的氣體以及氣體含量會相應地改變傳感器內材料的電阻率，對外表現為電壓或者電流的改變，進而檢測出氣體。通過氣敏傳感器檢測到的電壓或電流信號經過整形電路和多路調制器后能夠將有噪聲影響的信號變換送到放大器放大，經過模數轉換送到單片機。微處理器將包含有氣體種類及其與濃度有關的電信號信息通過藍牙傳到手機APP后就可以獲得與待測氣體在環境中的存在情況有關的信息，從而可以進行檢測、監控、報警，還可以通過接口電路與計算機組成自動檢測、控制和報警系統[4]。氣體檢測流程如圖6所示。

3.2.4 燃氣檢測

該功能包括口罩內的傳感器的檢測、室內處理以及室外報警系統。首先通過口罩內的半導體氣敏傳感器檢測燃氣的濃度等氣體含量，通過HC-06藍牙通信實時地傳到終端進行分析，若有毒有害氣體含量超過閾值后，終端采取措施分別將通向室內設備的門窗以及排風口打開，同時將報警信號發送到用戶和小區監控中心;當屋內氣體含量低于設定閾值后會自動將門窗關閉。功能圖如圖7所示。

4 結 語

隨著5G的到來，物聯網會進入一個更高的平臺，在社會的方方面面都會起到重要作用。在傳感器、大數據以及無線通信技術的良好發展背景下，設計基于WSN技術的新型防護口罩。這款智能的新型口罩可實現性高，在未來投入市場將會大大有利于人們的健康。人們認為口罩要智能起來，首先需要具備保溫，繼而是智能連接、數據處理、運用傳感器等功能。口罩的意義就在于便利，而一款優秀的智能口罩不僅可以給予人們傳統意義上的保溫，還可以拓展安全的領域與范圍，而這也正是智能口罩作為智能產品的核心優勢所在。

該口罩不僅可以成為人們居家做飯和出行的好幫手，還可以應用于工作在各種環境中的工作者。本新型口罩改正了傳統口罩功能單一的缺點，而且具備了現代人對功能以及美的追求，適用于各個年齡階層的人。

注：本文通訊作者為王亓劍。

參考文獻

[1]陶曾杰，宋春雨，黃攀，等.基于STM32的智能澆水系統[J].西華大學學報（自然科學版），2019，38（5）：84-88.

[2]趙汝和，黃暉，李小平，等.一種基于DS18B20傳感器的溫度測量系統的設計[J].科學技術創新，2018（31）：132-133.

[3]黃慧宇.人工皮膚柔性觸覺傳感器的設計制備及傳感特性研究[D].揚州：揚州大學，2017.

[4]孫波，劉士彩，郭帥，等.基于AT89C51單片機的煙霧報警裝置設計[J].實驗室科學，2018，21（6）：45-50.

[5]劉冊.基于STM32和FPGA聯合構建的特種設備行業高精度數據采集系統[J].河北省科學院學報，2019，36（2）：7-14.

[6]張定萍，郭勇.基于DS18B20的電纜溫度在線監測的設計[J].信息通信，2015（2）：83-84.

[7]滑潔，王晗，李欣.DS18B20在多點分布環境溫度監測系統中的設計[J].科技創業家，2013（8）：152-153.

[8]童明暉，江建文，袁秀娟，等.基于DS18B20的溫室控制系統[J].科技信息，2011（32）：183-184.

[9]袁靜.基于STM32的計算機教室溫濕度監控設計和研究[J].繼續醫學教育，2019（8）：34-36.

[10]林楚婷，王建.基于STM32與串/網口轉換器的數據采集系統設計[J]. 電子技術與軟件工程，2019（15）：76-77.