基于WSN技术的新型防护口罩

2020-06-24杜雪梅韦森林周鹏柴艳章华王亓剑

物联网技术 2020年6期

杜雪梅韦森林周鹏柴艳章华王亓剑

摘要：随着我国工业化的发展，大气污染不断加剧，市面上传统的口罩功能单一，不能满足人们的需求，基于此设计了一款新型防护口罩。该口罩由微处理器模块、数据采集模块、蓝牙模块、电源模块和APP组成，利用无线通信和大数据技术实现人机交互。基于互联网、大数据技术方面的发展以及目前市面上各种传感器的出现，该新型防护口罩功能解决了人们在日常生活中遇到的烦恼，可实现性高，在未来投入市场将会有利于人们的健康。

关键词：新型防护口罩;传感器;互联网技术;蓝牙技术;大数据技术;人机交互

中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）06-0-03

0 引言

随着我国工业的发展以及目前私家车的增长，大气污染主要是烟煤气体以及汽车尾气所排放的一氧化碳、二氧化硫等有毒有害气体。我国多地出现雾霾天气，并且持续时间长。长期处于该环境中不仅影响人们的出行，还影响人们的身体健康。为了保护人体的健康，市面上出现了各种各样的口罩。目前，传统口罩已经不能满足人们的日常生活需要，例如：市面上的普通棉布口罩多次使用容易导致污染或细菌感染;带有各种图案以及色彩的口罩含有一些对人体有害的材料;医用口罩密封性不好等。基于此设计新型防护口罩。该口罩不仅具备对灰尘的过滤功能，还具有皮肤检测、空气净化、燃气检测等功能，让人们的出行更加安全。这些优点解决了人们在日常生活中所遇到的难题，对人们的健康以及生活品质的提高有很好的改善。

1 系统总体设计

新型口罩設计的总体框图如图1所示。系统以STM32F103C8T6为核心，利用传感器采集相关数据，并将数据信息通过HC-06蓝牙模块传到手机终端进行实时分析，根据实际情况采取相应的措施来实现该设计的多种功能，口罩内部利用HLK-5M12电源模块进行供电。本设计拥有独立的后台云端、大数据技术，能够与手机连接，帮助用户及时监测各种情况，可以实现调温御寒、净化有害物质、检测皮肤状态以及气体含量检测功能。当家中空气质量较差或者燃气泄漏时，可以通过APP实现门窗的开关，减少安全隐患。

2 硬件设计

2.1 微处理器模块

STM32F103C8T6是一款集成电路主控芯片，芯体尺寸为32位，程序存储器容量是64 KB，需要工作电压为2～3.6 V，

工作温度为-40～85 ℃，是一种家庭嵌入式-微控制器[1]，速度一般为72 MHz，外围设备是DMA，电机控制PWM，程序存储器类型FLASH数据转换器为A/D 10×12 b，内部振荡器型。芯片结构如图2所示。

2.2 数据采集模块

通过口罩内的传感器对多路数据进行采集，采集到的信息经过A/D转换器，将模拟量转换为数字量后通过FPGA和ARM控制电路对采集到的数据进行抽样，通过SPI总线经无线网络模块HC-06输出数据实现与手机APP的通信。数据采集电路如图3所示。

2.3 蓝牙模块

本设计选用HC-06蓝牙模块，其外置8 Mb FLASH，内部频率2.4 GHz，优点是功耗低，有高性能无线收发系统，并且其外围电路简单，制作成本低，支持UART接口，只须外接就可以实现所需通信功能。手机只要打开蓝牙就可以与其相连，手机APP根据各类传感器检测到的情况而写入相应的指令到蓝牙模块，蓝牙模块与微处理器STM32之间通过串口相连接，实现口罩内的信息与手机APP相连接，进而可以做出相应的处理。用户可以在远距离实现数据的读取，并对家居内的窗门进行控制。

2.4 大数据技术

本设计利用大数据技术，通过皮肤传感器即时测出皮肤的各种水油平衡以及在紫外线照射下皮肤所引起的如各种色斑、皮肤病等潜在病变危险，通过无线通信技术将获取的数据传到手机APP上，分析个体用户的皮肤数据、空气安全指数，将用户的皮肤状态与手机APP内预先的状态相对应，从而给出用户不同的护肤方案，以及在生活饮食等方面为用户提供护肤指南，使口罩代替传统的皮肤测试仪，让人们可以随时随地进行皮肤管理，及时有效地为人们的皮肤提供更好的指导。

3 软件设计

3.1 主程序设计

新型防护口罩软件采用C和Java语言编程，编程工具为Keil5。人机交互实现手机客户端与口罩的服务器端的通信、显示及人机互动。通过APP可以方便地进行数据的查询及根据各人需要选择个性化服务。主程序流程如图4所示。

首先进行系统初始化，随后分布在口罩内部的传感器可以实时采集各种数据，当空气中有害气体含量超过正常设定的阈值时可以通过口罩内部的特殊材料分子筛净化，在使用燃气的场所如家里时，当做饭时佩戴口罩检测到燃气泄漏时，反馈到手机APP上，可以通过APP及时打开门窗。

通过DS18B20温度传感器检测皮肤与环境的温度，若温度低于设定的最低温度，通过储热调温纤维或储热调温胶囊实现温度升高，反之降低。并且通过皮肤传感器可以检测皮肤的状态，将所检测到的数据利用串口通信与手机APP相连，利用大数据技术为个人配备最适合她的皮肤护理、护肤品和饮食方案。该口罩通过蓝牙通信技术可以实现与手机连接，由控制器向口罩下达数据交换命令，从而实现对口罩的远程控制，口罩也可以向手机发送数据信息。

3.2 功能实现

3.2.1 面部御寒

智能调温功能为储热调温纤维织物、非织造物或由无纺布格子状填充储热调温胶囊制成。温度传感器选择DS18B20，其是常用的数字温度传感器，输出的是数字信号，具有体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、精度高的

特点[2]。通过编程事先设定适应人面部温度的范围，将程序写入STM32单片机内，根据外界温度与口罩内温度的一个差量来触发相应的高温与低温触发器，通过调温胶囊来吸收与放出热量，实现一个面部御寒的功能。DS18B20内部结构如图5所示。

3.2.2 检测皮肤状态

人工柔性皮肤传感器通过与佩戴者的皮肤直接接触将皮肤状态信息数据存储在单片机内，再通过蓝牙将数据信息传到终端分析。这种创新型的传感器使用柔软和极端轻薄的材料，其机械性质和延展性与人体表皮相似，因此也被称为表皮传感器[3]。

3.2.3 空气净化

大气中的各种气体与口罩内的半导体气敏传感器相接触，不同种类的气体以及气体含量会相应地改变传感器内材料的电阻率，对外表现为电压或者电流的改变，进而检测出气体。通过气敏传感器检测到的电压或电流信号经过整形电路和多路调制器后能够将有噪声影响的信号变换送到放大器放大，经过模数转换送到单片机。微处理器将包含有气体种类及其与浓度有关的电信号信息通过蓝牙传到手机APP后就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警，还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统[4]。气体检测流程如图6所示。

3.2.4 燃气检测

该功能包括口罩内的传感器的检测、室内处理以及室外报警系统。首先通过口罩内的半导体气敏传感器检测燃气的浓度等气体含量，通过HC-06蓝牙通信实时地传到终端进行分析，若有毒有害气体含量超过阈值后，终端采取措施分别将通向室内设备的门窗以及排风口打开，同时将报警信号发送到用户和小区监控中心;当屋内气体含量低于设定阈值后会自动将门窗关闭。功能图如图7所示。

4 结语

随着5G的到来，物联网会进入一个更高的平台，在社会的方方面面都会起到重要作用。在传感器、大数据以及无线通信技术的良好发展背景下，设计基于WSN技术的新型防护口罩。这款智能的新型口罩可实现性高，在未来投入市场将会大大有利于人们的健康。人们认为口罩要智能起来，首先需要具备保温，继而是智能连接、数据处理、运用传感器等功能。口罩的意义就在于便利，而一款优秀的智能口罩不仅可以给予人们传统意义上的保温，还可以拓展安全的领域与范围，而这也正是智能口罩作为智能产品的核心优势所在。

该口罩不仅可以成为人们居家做饭和出行的好帮手，还可以应用于工作在各种环境中的工作者。本新型口罩改正了传统口罩功能单一的缺点，而且具备了现代人对功能以及美的追求，适用于各个年龄阶层的人。

注：本文通讯作者为王亓剑。

参考文献

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