一种新型智能口罩的设计

魏佳滨　曾沁妍　袁亚非

摘 要：当前，随着社会经济的持续发展，在高速发展的同时，日益恶劣的空气质量给广大人民的工作和生活带来不便，甚至严重威胁健康。基于此，笔者设计了一款新型智能口罩。该口罩能大幅降低对空气中有害颗粒的吸入量。在能高效防尘的基础上，滤芯外侧的PM2.5感应器能够将用户所处环境中的环境情况通过手机APP实时反馈给用户，由滤芯中内外感应器构成的监测系统能够通过数据比较达到当滤芯失效后的报警功能，通过这项功能来避免使用者二次吸入粉尘的现象发生。针对大范围，多层次的人群，该产品能满足广大用户日常出行、工作的需要。

关键词：DID口罩；高粉尘环境；智能；健康

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）33-0001-02

1 概 述

当前，随着社会经济的持续发展，在获得高速发展的同时，人们的生存环境质量也随之变得越来越差，给广大人民的工作和生活带来不便，甚至严重威胁健康。一方面，随着空气中PM2.5浓度的持续增加，人们患呼吸系统和心血管系统疾病的机率越来越高。另一方面，我国有大量工作于粉尘环境的产业工人，此类特殊人群罹患尘肺病等呼吸系统疾病的机率更高于普通人群。每年尘肺病给国家造成的直接经济损失达几十亿元。因此，防治粉尘危害、预防尘肺病是当前亟待解决的课题。针对当前的情况，目前国内常见的防护措施多采用自吸式防尘口罩，其特点是结构简单、成本低，口罩密合性较差，如果口罩与面部接触不严，就会泄漏而降低防尘效果。同时，这种口罩会随着滤尘量的增多而增大吸气阻力，使佩戴者产生憋气感，会造成工人不愿佩戴防尘口罩，从而加大了工人罹患尘肺病的概率。由此看来，现有口罩并无法实现广大用户的日常需求，也无法达到特殊人群的需要。因此，笔者将开发一种舒适的、滤尘效果好的智能口罩，解决现有防尘口罩防尘效果差等问题。

2 常见口罩防护效果

目前我国颗粒物防护口罩有不同的过滤效率级别，不同级别由产品所适用的标准所规定。根据中国国家标准GB2626-2006，防颗粒物口罩被分为KN和KP类。KN类的口罩只能过滤非油性颗粒物，比如：粉尘、酸雾、漆雾、微生物等。KP类口罩则既可过滤非油性颗粒物，又可过滤油性颗粒物。油性颗粒物比如：油烟、油雾等。此外，还有国际上还有美国NIOSH （国家职业安全健康研究所）认证 、欧洲标准（EN）认证 。而能达到此类标准的已经是专业级别的防尘口罩，通过原理是在风机的作用下，气体从入风口进入测量腔中，检测仪可以检测测量腔中的PM2.5值的实验发现，3M口罩N95级别的产品过滤效率可以达到98%。带夹层滤芯的口罩，由于空气不但从滤芯中穿过，而且从周围的布料上穿过，过滤效率达到47%。医用一次性口罩因其价格低廉、佩戴方便、质地轻盈、无需清洗等优点而受到很多人的选择，滤性是43%。棉口罩，几乎没有过滤PM2.5的效果，过滤效率仅为4%。

3 方案设计

针对以上情况，笔者设计了一款智能产品——DID智能口罩。DID智能口罩能够大大降低对空气中有害颗粒的吸入量。在能高效防尘的基础上，滤芯外侧的PM2.5感应器能够将用户所处环境中的环境情况通过手机APP实时反馈给用户，由滤芯中内外感应器构成的监测系统能够通过数据比较达到当滤芯失效后的报警功能，通过这项功能来避免使用者二次吸入粉尘的现象发生。

另外，由于口罩带的柔性织物特殊材质，能够实现监测使用者心率的功能并且通过手机APP向用户进行反馈。为了方便用户使用，口罩滤芯和口罩可分离，随时进行滤芯的更换，口罩再也不是一次性的消耗品了，更加环保符合市场需求。

另外为了避免口罩无法及时更换造成二次吸入污染物，通过采集口内外设置的两个PM2.5传感器模块进行实时数据监测，当内外传感器计量接近一致时说明口罩失效，对人们发出更换滤芯的信号。

此外，DID智能口罩的口罩绑带采用了柔性织物材料，能够对人体机能进行检测，通过手机APP向用户提供数据。综上所述，DID智能口罩能够向大众人群提供：监测，预警，防护三项服务。

4 传感器模块主要技术指标

本设计方案的核心部件为夏普公司的GP2Y1010AU0F 粉尘传感器模块。GP2Y1010AU0F 是一款光学空气质量传感器，设计用来感应空气中的尘埃粒子，能检测出室内空气中的灰尘和烟尘含量。用夏普GP2Y1010AU0F灰尘传感器价格较低廉，可有效降低产品成本。GP2Y1010AU0F 粉尘传感器电路结构，如图1所示。

检测原理：

其内部对角安放红外线发光二极管和光电晶体管，使得其能够探测到空气中尘埃反射光，即使非常细小的如烟草烟雾颗粒也能够被检测到。传感器中心有个孔可以让空气自由流过。发光二极管定向发射LED光，通过检测经过空气中灰尘折射过后的光线来判断灰尘的含量。如图2所示。

GP2Y1010AU0F 粉尘传感器主要参数：

①灵敏度：0.5 V/（0.1 mg/m3）；

②输出电压（无灰尘）：0.9 V（TYP）；

③消耗电流：11 mA；

该传感器具有非常低的电流消耗（最大20 mA，典型值

11 mA），可使用高达7VDC。该传感器输出为模拟电压，其值与粉尘浓度成正比。可测量0.8微米以上的微小粒子，感知烟气、花粉，房屋粉尘等.体积小，重量轻，便于安装。

5 关键部件设计与实现

5.1 过滤材料

DID智能口罩以无纺布作为基本材料，母体由抗菌面料形成的保护层，材质为碳纤维毡垫、高分子织物、多层超细纤维、无纺布。口罩滤芯是由内外PM2.5感应器及PM2.5感应器之间的多层织物构成，多层织物由碳钎维布和过滤布构成，碳纤维布是加入了无粉尘颗粒活性炭、经过纳米银杀菌剂技术处理的滤片。每个滤片都经过微静电处理细微颗粒主动吸附在过滤片上，能够达到多层过滤，的效果，从而起到防气味、防低毒、防油烟、防灰尘、防雾霾、防PM2.5的作用。

5.2 智能传感材料

DID智能口罩的口罩采用不同于传统口罩带的SOFTCEPTOR柔性织物材料。SOFTCEPTOR柔性织物是珠海安润普公司基于新型柔性织物传感技术而开发的。SOFTCEPTOR技术将传感技术与柔性织物融合，将碳基导电材料涂层在弹性织物基底上，通过织物的拉伸、压缩等形变以及生物电的采集，可以连续监测人体呼吸、心率、运动、睡眠、步态等信息。相比于传统的半导体、金属等硬的传感器，不仅具有灵敏度高、弹性好、稳定性好、耐疲劳、材料体系安全等优点，还可以像普通衣服一样折叠、水洗、甩干。在DID口罩的设计中，通过该柔性织物与传感芯片连接，可对过滤器所采集到的数据进行分析，并将结果发送至移动终端，实现数据统一管理。该柔性织物材料的性能和价格较为适中，加之制造口罩做采用的材料较少，因此SOFTCEPTOR柔性织物符合本设计方案的要求。

6 目标用户

当前预防粉尘吸入的主要手段是个体防护，即从业人员佩戴口罩等防护设备。个体防护是职业健康防护的最后一道防线，是有效预防尘肺病的重要手段。随着机械化水平提高，在提高工作效率的同时，产尘量和粉尘浓度也大大提高，虽然工人作业时佩戴普通防尘口罩，防尘效果亦差强人意。针对粉尘环境工作的特殊工人，患呼吸系统疾病的机率更高于普通人群。DID智能口罩的材质特殊，透气性较好，在保证防尘功能的情况下同时能够保证工人不会因为佩戴口罩出现缺氧的状况。另外，口罩能够及时提醒工人更换滤芯避免二次吸入粉尘，还能向管理人员进行实时提供工人身体机能数据，以便于合理的进行工作安排。

7 结 语

本文针对当前雾霾问题愈来愈严重的现状，面对大范围，多层次的人群，设计了一款新型智能口罩。通过对该新型智能口罩的设计与分析，充分证明了该设计的可行性，具有广阔的应用前景。这种基于GP2Y1010AU0F 粉尘传感器和SOFTCEPTOR柔性织物材料的新型口罩对当前处于恶劣环境作业或出行的人群提供了较好的的防护力，能满足广大用户日常出行、工作的需要。因此，该新型只能口罩设计方案具有很高的实用价值。

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