智能呼吸净化防雾霾口罩的设计

西安工业大学电子信息工程学院　章哲豪

陕西省中医医院针灸科　万兆新　苏同生

0.引言

目前，我国已经成为全球PM2.5污染最严重的地区之一，出行佩戴口罩已经成为了人们日益习惯的一种生活方式。传统口罩的材质是棉布或无纺布面料，并无防霾功能，且冬天容易导致眼镜起雾影响出行。而市面上的防霾口罩虽说已经是满目琳琅，但是却也存在着各种缺陷，比如散热散湿效果差佩戴时感觉憋闷，又如与面部贴合度较差尘霾易被吸入。本文提出的智能防霾口罩，又可以称作主动呼吸式防雾霾口罩，依靠电动风机来帮助佩戴者呼吸，具有降低使用者呼吸负荷，改善使用者佩戴舒适度，提高防护可靠性等突出特点，尤其适用于条件恶劣的作业环境。

1.整体设计方案

与市面上其他产品相比，该口罩滤网的净化效果达到了N99的级别，从大的颗粒到小的PM2.5都可以过滤，采用高净化率、低阻的多层复合滤网技术，由活性炭蜂窝层、静电棉过滤网、静电吸附层、复合触煤降解层、高效率HEPA 过滤网、负离子层等构成，实际空气过滤净化效率达到99.99%。迷你风扇结合电机送风，满足剧烈运动时的呼吸需求量。根据佩戴用户的呼吸压差和频率数据可智能调节风量，与皮肤接触部分采用软硅胶，舒适贴合，结合轻便的机身，长久佩戴也不会产生不适感，硅胶为可水洗耐高温材质，可热水蒸煮清洁杀菌后晒干，解决传统口罩使用后经常出现的积灰发霉等卫士问题。人体工学曲线设计，弹力贴合面部减少漏气率，粉尘不容易漏入硅胶形成的保护层，有效提高面部肌肉运动时的口罩密闭性。底部排气阀设计，吸气时闭合，呼气时打开，实现一进一出的空气循环，减少热量积聚，实现内腔凉爽不潮湿，同时让呼吸方式更轻松，适合高温高湿度条件下长期使用。USB接口可直接充电，电池续航达8小时，相信可以满足用户日常工作生活需求。整体设计如图1所示。

图1　整体设计方案

2.硬件设计方案

采用AT89C52单片机作为核心处理器，搭载PWM调速内置的无刷直流电机，再利用高速WIFI模块ESP8266连接手机APP，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，同时用户也可通过APP实现对智能口罩的送风速度，定时等功能进行设置。硬件原理图如图2所示。

图2　系统整体硬件原理图

3.WIFI模块设置

WIFI模块采用的是ESP8266，该模块集成了业界领先的 Tensilica L106 超低功耗 32 位微型 MCU，带有 16 位精简模式，主频支持 80 MHz 和 160 MHz，支持 RTOS，集成 Wi-Fi MAC/ BB/RF/PA/LNA，板载天线。支持标准的 IEEE802.11 b/g/n 协议，完整的 TCP/IP 协议栈。用户可以使用该模块为现有的设备添加联网功能，也可以构建独立的网络控制器。单片机与ESP8266通信方式采用AT命令方式，首先由单片机对esp8266进行初始化，再将手机连上ESP8266，通过手机端发送指令，ESP8266上一共有8个接口，接口图如图3所示。

图3　ESP8266接口图

ESP8266模块支持STA/AP/STA+AP 三种工作模式。

STA模式即ESP8266模块通过路由器连接互联网，手机或电脑通过互联网实现对设备的远程控制。AP模式即ESP8266模块作为热点，实现手机或电脑直接与模块通信，实现局域网无线控制。STA+AP模式即以上两种模式的共存模式，即可以通过互联网控制可实现无缝切换，方便操作。在本设计中，采用AP模式，单片机的串口中断的波特率设为9600，在将ESP8266模块与单片机硬件连接之前，先用USB-TTL模块连接好ESP8266模块，将ESP8266模块用AT命令改为9600的波特率。

使用的命令：

4.手机客户端设计方案

手机客户端的开发环境采用eclipse，准确的说它是一个开发工具框架，开发人员可以根据自己的需求，扩展各种插件定制属于自己的开发环境以满足自身开发需求，Android的软件开发过程需要相应库文件以及工具集的支持。库文件、工具集以及操作系统、硬件系统相关内容已经封装到了相应SDK，本文实现手机与WIFI模块在同一局域网内，并于WIFI模块配置好的IP地址与端口号进行匹配。

5.结束语

本文针对当前日益严重的雾霾问题，面向广大人群，设计了一款新型智能控制呼吸净化防霾口罩，实验表面，该口罩的防护能力充分可行，无论是日常出行还是恶劣环境作业的工作者，该口罩都能提供较好的防护能力。因此该新型智能控制呼吸净化防霾口罩极具医疗与商业推广前景与实用价值。

[1]许冰昕,蒋馨荷,韩克军,李鹏宣,刘俊杰,沈行良.基“互联网+”智能家居的远程控制实现[J].智能计算机与应用,2016,6(5):100-104.

[2]武一,南京娅,刘排.基于WIFI的家电智能控制系统研究[J].电视技术,2015,39(8):22-26.

[3]兰冰芯,谌海云.基于单片机的PM2.5测试仪的设计与实现[J].物联网技术,2014(11).

[4]田军.防PM2.5口罩现状及发展方向[J].中国安全生产科学技术,2015(5).

[5]吴楠,刘才容,王康建.防尘口罩密合性检测方法及相关标准[J].轻工科技,2015(1).

[6]彭明军,曾其莉.市场抽样口罩对空气PM2.5防护效果研究[J].中国消毒学杂志,2014(9).

[7]李蓉,赵艳梅.PM2.5个人防护用品现状与发展趋势[J].中国个体防护装备,2014(6).

[8]吴云周.基于Android和PHP的Web数据库应用系统的开发[J].福建电脑,2017,9(10):116-118.

[9]邵鑫玉,王亮,王宇涛.基于WIFI的智能家居控制[J].福建电脑,2016,6(10):29-31.

[10]郑桂林,桂初晴.“互联网+”IOS智能家居系统设计与实现[J].电视技术,2016,40(5):26-29.