实时检测监控式防毒面罩的构思与研发

郝璐瑶 刘宇栋 尹 赫 牛陆君 李新龙

（吉林建筑大学应急科学与工程学院，吉林 长春 130118）

0 引言

近年来，全国职业病人数正在呈现上涨趋势，其中尘肺病为最为严重的职业病。随着科技的不断进步，我国职业病防治工作对于各类防护设备提出更高的要求，个人面部防护需要更加安全可靠的呼吸防护设备。

为响应国家职业病防治工作的号召，积极贯彻落实《职业病防治法》和《“健康中国2030”规划纲要》，秉承我国职业病防护方针“预防为主，防治结合”的原则，加快推动职业健康法律体系和治理能力现代化，该项目通过建立长期监测人体技能数据的平台以及监测设备—防毒头盔，来针对处于慢性中毒危险的作业人群进行防护，降低慢性中毒对人体造成的危害，实时保障从业人员的生命健康，提高工业安全体系。

1 防毒头盔的设计

1.1 检测设备—防毒头盔结构设计

该智能头盔是以基本的防毒面具为基础，配合身体电子检测设备以及相关的环境监测设备为终端检测设备。图1为检测终端防毒头盔设备图，系统框架包括面屏、过滤净化端、信息采集端、无线通信端、充电式电池五个部件。

图1 智能防毒头盔结构设计

防毒头盔设计结构是通过在普通的防毒面具基础上加上尘毒传感器和电机送风机，当尘毒浓度达到一定程度时，尘毒传感器传送数据信号到单片机控制器，控制电动送风机工作，给予面罩内部清新空气。

其中，尘毒、温湿、空气质量、身体机能等各类传感器以及摄像定位设备都与单片机控制器相连，单片机控制器模块与无线传输模块相连，无线传输模块可以将数字信号转化成无线电信号与监控平台的无线传感器相互联，提供实时的数据。

1.2 防毒头盔的功能

防毒头盔应用更加趋向于高科技形式，追求科技先进的步伐，该防毒面具具备以下几个功能：

（1）尘毒净化，当尘毒浓度达到一定程度时，尘毒传感器便会传送信号到单片机控制系统，控制电动式送风机开启空气净化送风模式，配合头盔内壁的温湿传感器来合理调节电动式送风机的风量和过滤面罩的过滤效果。

（2）实时信息采集，通过温湿传感器、空气质量传感器以及身体机能传感器配合单片机控制系统与无线传输系统传送到监控平台，给予精准的实时监测。头盔额头部位安装摄像头与定位系统，如遇危险紧急情况，监控中心能够及时采取紧急救助措施。

（3）无线通信，在头盔内部安装麦克风与扩音式小喇叭，以方便于与监控中心汇报情况以及方便与其他作业人员沟通，及时了解实情。

（4）身体健康状况监测，通过身体机能传感器能够采集身体各项指标并通过无线传输系统传输，监控中心能够及时了解作业人员的危险情况的身体指标。

1.3 防毒头盔的创新点

在普通防毒头盔过滤净化的基础上，该防毒面具具备以下几个创新点：

（1）“一具多用”，应用广泛，能够针对各项环境性能指标，采用合适的过滤净化滤芯。

（2）穿戴方便快捷，一套设备具备多项功能，相对于其他功能性设备，穿戴相对快捷。

（3）可重复使用，相比于传统防毒头盔而言，过滤净化滤芯为一次性滤芯，利于更换，且其他结构设备可以消毒后再次使用。

（4）实时环境与身体机能检测，能够及时了解作业区域人员的实际情况，为高风险作业区域人员作业提供安全保障。

2 监控平台设计

图2是监控平台硬件设备图，该监控平台主要是处理检测终端——防毒头盔的信息数据，呈现在显示屏上，并根据实际情况及时回馈作业人员。

监控平台硬件设备包括PIC控制器、A/D转换器、接触显示器、无线传输器、供电系统五大部分组成。

（1）PIC控制器是当前应用较为广泛的一种微处理器。选用ZK3U型PIC控制器[2]，ZK3U型PIC是一种低成本、高性能、低功耗的微处理器。与传统的PLC控制器相比，ZK3U型PLC控制器硬件更为丰富、价格更为低廉、功能更加强悍，可更加快速处理检测终端传输的信息数据。

（2）A/D转换器是用于将PIC控制器处理的数字信号转换成接触显示器显示的信号。

图2 监控系统硬件设备结构图

（3）接触显示器可供呈现无线检测终端检测的信息数据，更加直观的呈现相关数据。

（4）无线传输器采用瑞典Datek无线数据传输器，能够结合PIC控制器、各项传感器的点对点传输，Datek需要独一无二的数码协议和双处理器验证技术，保证系统的安全可靠。

（5）供电系统采用蓄电池供电模式，PIC控制器与接触显示器的标准电压为24 V，应准备24 V与220 V的变压器充电设备。

3 检测终端与监控系统之间的通信

其检测终端——防毒头盔与监控系统之间采用两个无线传输设备：一个是安装于检测终端——防毒头盔中，将数字信号转化成无线电信号；另一个是安装于监控系统中，将接受的无线电信号转化成数字信号，提供给PIC控制器处理数据信息。

不在这一范围时，电动式送风机再次启动，并控制尘毒过滤器改变过滤效果，增大过滤效率，保持空气清新程度。

当空气质量传感器监测到空气质量瞬间发生变化，且变化速度迅速，无线传输器将检测数据及时传输到监控平台，监控平台显示器上及时发生报警效果，操作工作人员及时通过后台对讲提醒作业人员，并开启视频与定位系统及时观察作业人员情况，给予最有效的解决办法。

当遇到危险紧急情况时，能够通过语音沟通，及时与监控平台操作人员沟通，或与其他作业人员交流，提供更加准确实时的数据。

4 作业人员对防毒头盔的使用

首先，作业人员在使用前观察防毒头盔的充电式电池是否充满电。其次，防毒头盔的面罩对于各类作业人员不同的脸型类型预设多个不同类型的面罩类型，作业人员可以根据自己的脸型情况选择不同的适合自己的面罩，并且安装合适的过滤一次性滤芯（可以根据作业区域情况自行选择）。然后正确佩戴防毒头盔，将充电式电池挂在腰间，正确佩戴身体机能传感器手环，调节扣带使面罩的硅胶垫与面部紧密接触。工作结束后，拆下电源，将其置于消毒柜消毒20～30 min，封装供下次使用。

5 应用推广前景

该项防护设备的推广要追求于其防护性能、沟通交流、摄像定位于一体的智能防护设备。

5.1 尘肺病等职业病的防护

尘肺病是由于职业活动中长期吸入粉尘所引起的肺组织弥漫性纤维化为主的疾病。从新中国成立至2018年年低，我国职业病达到97万余例，尘肺病占职业病总数的90%[3]。迄今为止，尘肺病尚无特效的药物或完全治愈的疗法，只能通过综合疾病管理改善症状，或者通过洗肺进行缓解。

该防护设备可以应用于建筑施工和接尘行业的个体呼吸系统的防护中，有效预防尘肺病等各类职业病的发生。

5.2 突发性传染病的预防

突发性传染病基本上都呈现出飞沫传播的形式，该防护设备可显著降低呼吸道高频发传染性疾病的发生频率，能够更有效地预防和控制突发性传染病的发生。

对于各项传染病防控中心的防疫人员能够提供更高的安全保障体系。

6 结语

本项目基于个人防护、身体机能检测、空气质量采集、无线通信为一体的智能防护设备进行设计与研发介绍，包括检测设备——防毒头盔与监控平台的各部位结构设计与材料的应用、工作流程的讲述、防毒头盔使用、保存与维护以及该项设备的应用推广。个人面部防护是保护工业作业人员生命健康的有效保护方式，能够极大程度地预防职业病、传染病等呼吸道疾病以及救助作业人员，为实时保护作业人员身体健康具有重要的现实性意义。