魏其全，程民鹏，林克炫，任晓瑞，贺无名

（湖州师范学院 信息工程学院，浙江 湖州 313000）

0 引 言

随着我国对生态环境的重视程度日益提高，空气质量得到了显著的改善。但治理大气污染是一个漫长的过程，人们依然有可能直接暴露在空气质量较差的环境中。在中华人民共和国生态环境部公布的《2019中国生态环境公报》中指出，2019年全国337个地级及以上城市中180个城市环境空气质量超标，占53.4%。而以PM、O、PM、NO和CO为首要污染物的超标天数分别占总超标天数的45.0%、41.7%、12.8%、0.7%和不足0.1%。这种空气状况促使越来越多的人开始佩戴口罩；受新冠疫情的影响，佩戴口罩出门也成为了一种重要的防疫措施。而市面上的口罩虽然种类很多，但是也存在着各种缺陷，比如功能简单、空气流通不畅、散湿散热效果差、呼吸阻力大，不适合长时间佩戴。传统口罩已经不适合当下逐渐智能化的生活。

本文将智能电子系统与口罩相结合，设计一种智能防护型口罩。该系统拥有降低呼吸负荷、检测环境空气质量、智能新风、监测呼吸情况和健康状况的功能，给使用者提供更加舒适、智能的使用体验。

1 系统结构

系统主要由传感器、微控制器、蓝牙模块、微型涡轮、上位机、电源构成。使用者佩戴好口罩后开启电源，通过蓝牙将口罩与移动端设备连接。由传感器读取口罩内温湿度、二氧化碳浓度、VOCs浓度和气压数据，经微控制器处理后由蓝牙传输至上位机，并通过控制涡轮转速来实现智能新风功能。系统框图如图1所示。

图1 系统整体框图

将温湿度传感器、二氧化碳传感器和气体压力传感器置于口罩内侧，用于监测口罩的内环境，并将测得的数据发送给处理器。通过检测呼吸时产生的气体压力变化、温度、湿度或二氧化碳浓度计算出口罩内环境状况；利用单片机控制换气风扇的转速，从而实现最低能耗的无阻呼吸，提升使用者的舒适度。

人体呼吸时会在口罩内产生有规律的气压变化，经过抽样后表现为一个时间序列信号，通过气压传感器可以监测这样的变化，分析呼吸序列可以判断人体健康状况。同时，呼出气体中的VOCs浓度能在一定程度上反映人体胃部和口腔的健康状况，具有比较理想的敏感性、可重复性和客观性。口腔气体中VOCs的浓度以数值的形式表现出来，可作为口臭的一个客观判定指标。智能口罩上的气压传感器和VOCs传感器将采集到的数据发送给MCU，尽管系统的检测精度不及医用复杂精密仪器，但其便携性和普及性高，可以帮助使用者及时发现病患。

空气质量传感器实时获取外界的空气状况，如NOX浓度、PM浓度。如果这些污染气体或颗粒浓度过高，会通过处理器向上位机发送警报，提醒使用者远离空气质量较差的区域。

单片机与上位机采用蓝牙通信方式。蓝牙技术是一种无线数据语音通信的开放性全球规范。它是基于低成本的近距离无线连接，为固定和移动设备建立通信环境的一种特殊的近距离无线技术连接。本文设计采用BLE技术，可极大程度地减少设备功耗。

上位机使用手机APP，可实现控制电子系统的启停、报警参数设置、控制风扇转速、监测数据查询等功能。传感器采集的呼吸数据会在上位机中以文本文件的形式保存，并且能够绘制出数据变化趋势。

2 硬件电路设计

智能口罩系统的主要组成模块如图2所示。

图2 硬件电路设计原理

2.1 微处理器

为实现高速信息处理和数据通信，处理器采用STM32F103RCT6。作为MCU，这款处理器拥有72 MHz时钟频率、48 KB SRAM、256 KB FLASH、8个定时器、51个通用I/O、2个SPI接口，在完全满足需求的同时具有极高的性价比。

2.2 传感器模块

根据需求，系统须采集温湿度、二氧化碳浓度、VOCs浓度、PM浓度、呼吸气压数据。本系统选用半导体式传感器，可大大减小系统体积和质量。经过比较，系统选用CJMCU-8118模块。该模块集成了2个传感器芯片CCS811和HDC1080，可用于检测等效二氧化碳（eCO）等级或总挥发性有机化合物（TVOC）指标以及环境温湿度。将模块SCL和SDA经过上拉后连接处理器引脚，采用软件模拟IC读取数据。

在空气污染检测方面，选用MICS-4514传感器。该传感器可对产生的特定气体（如CO和碳氢化合物）和氧化性气体（如NO）做检测，且具有低加热电流、高检测范围和高精度的特点。MICS-4514特性曲线如图3所示。

图3 MICS-4514特性曲线

呼吸数据采集使用BMP280传感器。BMP280是一款专为移动应用设计的绝对气压传感器。模块封装十分紧凑，仅为2.0 mm×2.5 mm。根据呼吸时在口罩内产生的气压变化可以直接了解使用者的呼吸状况。

2.3 蓝牙模块

本系统作为一个可穿戴设备，与上位机的通信距离很短，且不需要很高的数据传输速度，低功耗是首要考虑的问题。因此，系统采用HC-42蓝牙模块，该蓝牙通信模块基于蓝牙5.0协议，工作电流低至1.2 mA，停机电流仅为0.3 μA。在完成配对后，可作为标准UART使用，通过串口发送AT指令以实现模块配置。

2.4 涡轮控制模块

涡轮最大功率为5 W，为给涡轮提供足够的能量，还须额外接入一个电机驱动模块。此处采用TB6612H桥集成电路，该电路单个通道可输出最高1.2 A的连续驱动电流。由于风扇不需要反转，因此将AIN2与AIN1分别连接到VCC和GND以节省I/O，仅通过PWMA控制转速。

2.5 电源模块

电池采用12 V锂电池，经过以LM2596为核心构成的DC-DC降压电路降压至5 V供特定的传感器使用，再通过AMS1117线性稳压源降压至3.3 V以满足主控制器供电需求。

3 软件设计

3.1 传感器数据获取

口罩内温湿度、VOCs浓度不会发生剧烈变化，因此每5 s读取一次即可，将处理器的时间资源分配给其他对实时性要求更高的任务。为获得较为准确的呼吸数据，气压传感器每100 ms读取一次，并在APP中显示气压变化过程。BMP280读取流程如图4所示。

图4 BMP280读取数据流程

APP在连接蓝牙后解析蓝牙串口数据，并将气压变化过程以波形图的形式显示。APP界面如图5所示。

图5 APP界面

3.2 呼吸信号处理

气压传感器读取到的呼吸数据会根据呼吸压力和风扇转速变化，成年人在平静状态下的呼吸为12～20次/min。由于风扇产生的噪声频率较低，因此可以通过高通滤波器滤除低频噪声。为减小随机误差，还须将分离后的信号进行平滑滤波处理。此处采用均值滤波法，在每100 ms时，连续读取5次数据并取平均值。经过处理后的信号即为高质量的呼吸信号。处理后的数据如图6所示。

图6 呼吸信号波形

3.3 风扇转速控制

风扇转速有自动和手动两种方式。在手动模式下，使用者可以通过APP界面中的滑动条进行调整。在自动模式下，处理器首先读取口罩内的温湿度、二氧化碳浓度，根据传感器的读数确定风扇转速。调整规则如图7所示。

图7 风扇转速调整子程序流程

3.4 系统整体程序设计

系统开机后首先进行与硬件相关的初始化，包括I/O配置、定时器、串口、ADC、时钟树等。然后通过UART向蓝牙模块发送AT命令进行配置，接着进入主循环，执行数据读取和传输、风扇控制等过程。处理流程如图8所示。

图8 系统整体流程

4 结 语

本设计集呼吸信号检测、空气污染检测、口罩内温湿度监测、智能新风等功能于一体，能够提醒使用者避开空气污染地区，减少不必要的身体损伤；能够有效地监测口罩内环境，并快速调整风扇转速，实现最低能耗的无阻呼吸；能监测呼吸信号和呼出气体的VOCs浓度，进而判断人体健康状况。在物联网技术高速发展的背景下有着广阔的应用前景。