基于移动终端的智能口罩呼吸和pm检测系统的制作方法
基于移动终端的智能口罩呼吸和pm检测系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于电子信息和医学技术领域，具体涉及一种基于移动终端的智能口罩呼吸和PM检测系统。
【背景技术】
[0002]随着社会的不断进步与发展，工业污染也越来越严重，在人们患呼吸疾病的频率持续上升的今天，人体呼吸信号是诊断呼吸疾病的重要依据，检测人体呼吸节律，识别异常呼吸信号，能及时发现人体是否患病，因此对人们日常呼吸信号的监控和分析变得尤为重要；同时空气质量的好坏决定着我们的身体质量，相当大的一部分人缺乏空气污染意识，无法了解我们所处的地方的空气质量情况，缺少空气污染预警机制；口罩成为了一个保护我们身体健康的盾牌，研宄智能口罩变得越来越有价值，传统口罩只有单一的空气过滤功能，并不能交互性地实时检测佩戴者的呼吸健康情况，也不能预警PM空气污染，对于空气污染越来越严重，呼吸道疾病频发的今天，这是远远不够的。
【实用新型内容】
[0003]针对现有技术的缺点，本实用新型提出一种基于移动终端的智能口罩呼吸和PM检测系统，以达到净化空气、检测人体呼吸、实时监控PM空气质量、便于携带和简化操作的目的。
[0004]一种基于移动终端的智能口罩呼吸和PM检测系统，其特征在于:包括智能口罩和移动终端；
[0005]所述智能口罩包括口罩本体、第一过滤器、第二过滤器、PM报警灯、电源模块、PM空气质量传感器、微控制器、蓝牙发送模块和呼吸传感器；
[0006]所述第一过滤器与口罩本体的左侧壁通过接口进行连接，第二过滤器与口罩本体的右侧壁通过接口进行连接；呼吸传感器固定设置于口罩本体的左斜壁，PM空气质量传感器固定设置于口罩本体的右斜壁，PM报警灯固定设置于口罩本体三角前面板与左斜壁的连接处，微控制器固定设置于口罩本体的三角前面板，蓝牙发送模块固定设置于微控制器上，电源模块固定设置于口罩本体底板的上端；
[0007]所述呼吸传感器包括呼吸信号采集电路、初级差动放大电路、低通滤波电路和后级放大电路；
[0008]所述呼吸信号采集电路的输出端连接初级差动放大电路的输入端，初级差动放大电路的输出端连接低通滤波电路的输入端，低通滤波电路的输出端连接后级放大电路的输入端。
[0009]所述电源模块的电压输出端连接PM空气质量传感器的电源端口、微控制器的电源端口和呼吸传感器的电源端口，PM空气质量传感器的输出端连接微控制器的第一输入端，呼吸传感器的输出端连接微控制器的第二输入端，微控制器的第一输出端连接蓝牙发送模块的输入端，微控制器的第二输出端连接PM报警灯的输入端。
[0010]所述的第一过滤器和第二过滤器内填充棉花和活性炭。
[0011]所述呼吸信号采集电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻；
[0012]所述信号采集电路的第一电阻的一端连接电源，第一电阻的另一端同时连接第二电阻的一端、第三电阻的一端和第四电阻的一端，第二电阻的另一端接地，第三电阻的另一端连接第五电阻的一端，第四电阻的另一端连接第六电阻的一端，第五电阻的另一端连接第六电阻的另一端并接地，将第三电阻的另一端和第四电阻的另一端作为信号采集电路的输出端，将第五电阻作为口罩内温度变化采集电阻，将第六电阻作为外界温度参考电阻。
[0013]所述初级差动放大电路包括第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第一电容、第二电容、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器和第四运算放大器；
[0014]所述第七电阻的一端同时连接第八电阻的一端和第一运算放大器的同相输入端，第八电阻的另一端接地，第九电阻的一端同时连接第十电阻的一端和第一运算放大器的反相输入端，将第七电阻的另一端和第九电阻的另一端作为初级差动放大电路的输入端，第十电阻的另一端同时连接第一运算放大器的输出端和第十一电阻的一端，第十一电阻的另一端同时连接第十二电阻的一端、第一电容的一端和第二运算放大器的反相输入端，第十二电阻的另一端同时连接第一电容的另一端、第二运算放大器的输出端和第十三电阻的一端，第二运算放大器的同相输入端连接第十四电阻的一端，第十四电阻的另一端接地，第十三电阻的另一端同时连接第十五电阻的一端和第三运算放大器的同相输入端，第十五电阻的另一端接地，第三运算放大器的反相输入端同时连接第十六电阻的一端、第十七电阻的一端和第二电容的一端，第三运算放大器的输出端同时连接第十七电阻的另一端、第二电容的另一端和第四运算放大器的同相输入端，第十六电阻的另一端接地，第四运算放大器的反相输入端连接第四运算放大器的输出端，并作为初级差动放大电路的输出端。
[0015]所述低通滤波电路包括第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻、第二十二电阻、第二十三电阻、第二十四电阻、第二十五电阻、第五运算放大器、第六运算放大器、第三电容、第四电容、第五电容和第六电容；
[0016]所述第十八电阻的一端同时连接第十九电阻的一端和第三电容的一端，将第十八电阻的另一端作为低通滤波电路的输入端，第十九电阻的另一端同时连接第四电容的一端和第五运算放大器的同相输入端，第四电容的另一端接地，第三电容的另一端同时连接第五运算放大器的输出端、第二十电阻的一端和第二^ 电阻的一端，第二十电阻的另一端同时连接第二十二电阻的一端和第五运算放大器的反向输入端，第二十二电阻的另一端接地，第二十一电阻的另一端同时连接第二十三电阻的一端和第五电容的一端，第二十三电阻的另一端同时连接第六电容的一端和第六运算放大器的同相输入端，第六电容的另一端接地，第五电容的另一端同时连接第六运算放大器的输出端和第二十四电阻的一端，第二十四电阻的另一端同时连接第六运算放大器的反相输入端和第二十五电阻的一端，第二十五电阻的另一端接地。
[0017]所述后级放大电路包括第二十六电阻、第二十七电阻、第二十八电阻和第七运算放大器；
[0018]所述第二十六电阻的一端同时连接第二十七电阻的一端和第七运算放大器的反相输入端，将第二十六电阻的另一端作为后级放大电路的输入端，第二十七电阻的另一端连接第七运算放大器的输出端，并作为呼吸传感器的输出端，第七运算放大器的同相输入端连接第二十八电阻的一端，第二十八电阻的另一端接地。
[0019]本实用新型的优点:
[0020]本实用新型一种基于移动终端的智能口罩呼吸和PM检测系统，将新兴的科研技术与口罩结合，在雾霾的天气下净化空气的同时，实现对人体呼吸的检测，并对日常的呼吸节律实现监控和对呼吸异常的识别等；本实用新型可以对空气环境中PM浓度值进行实时监控，避开污染严重区域，维护口罩佩戴者的身心健康；本实用新型使用步骤简单，操作方便，受众人群很广，具有很好的应用性；同时本实用新型也考虑了便携性的特点，通过现代PCB板集成电路最小化呼吸检测模块和PM检测模块，把整个系统集成到口罩中，方便使用者的携带。
【附图说明】
[0021]图1为本发明一种实施例的智能口罩正视图；
[0022]图2为本发明一种实施例的智能口罩后视图；
[0023]图3为本发明一种实施例的呼吸信号采集电路；
[0024]图4为本发明一种实施例的初级差动放大电路示意图；
[0025]图5为本发明一种实施例的低通滤波电路示意图；
[0026]图6为本发明一种实施例的后级放大电路示意图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。
[0028]本实施例中，一种基于移动终端的智能口罩呼吸和PM检测系统，包括智能口罩和移动终端；
[0029]本实施例中，移动终端采用智能手机；
[0030]本实施 例中，智能口罩如图1和图2所示，图中I为口罩本体，2为第一过滤器，3为第二过滤器，4为PM报警灯，5为PM空气质量传感器，6为微控制器，7为蓝牙发送模块，8为呼吸传感器，图2中9为电源模块；其中，
[0031]所述口罩本体I采用3M6200防尘口罩，PM报警灯4采用Risym 5mm LED灯珠，PM空气质量传感器5采用日本粉尘传感器GP2Y1010AU0F，微控制器6采用Ti德州仪器公司msp430f 14916位超低功耗的微控制器，蓝牙发送模块7采用蓝牙串口模块XM-10B 4.0BLE,第一过滤器2和第二过滤器3内填充棉花和活性炭，电源模块9将9V电源转换为5V和-5V电源对智能口罩进行供电；
[0032]所述第一过滤器2的接口与口罩本体I左侧壁的安装接口进行螺纹连接，第二过滤器3的接口与口罩本体I右侧壁的安装接口进行螺纹连接；呼吸传感器8固定设置于口罩本体I的左斜壁，PM空气质量传感器5固定设置于口罩本体I的右斜壁，PM报警灯4固定设置于口罩本体I三角前面板与左斜壁的连接处，微控制器6固定设置于口罩本体I的三角前面板，蓝牙发送模块7固定设置于微控制器6上，电源模块9固定设置于口罩本体I底板的上端；
[0033]所述电源模块9的电压输出端连接PM空气质量传感器5的电源端口、微控制器6的电源端口和呼吸传感器8的电源端口，PM空气质量传感器5的第二引脚2连接微控制器6的接地引脚GND，PM空气质量传感器5的第三引脚3连接微控制器6的第十二引脚P12，PM空气质量传感器5的第五引脚5连接微控制器6的第六十五引脚P65，PM空气质量传感器5的第六引脚6连接微控制器6的5V电源引脚VCC5 ;呼吸传感器8的输出端连接微控制器6的第六十六引脚P66 ;微控制器6的第三十四引脚P34连接蓝牙发送模块7的接收引脚RXD，微控制器6的第三十五引脚P35连接蓝牙发送模块7的发送引脚TXD ;微控制器6的第十引脚PlO连接PM报警灯4的输入端；
[0034]本实施例中，所述呼吸传感器包括呼吸信号采集电路、初级差动放大电路、低通滤波电路和后级放大电路；其中，
[0035]所述呼吸信号采集电路的输出端连接初级差动放大电路的输入端，初级差动放大电路的输出端连接低通滤波电路的输入端，低通滤波电路的输出端连接后级放大电路的输入端；
[0036]如图3所示，所述呼吸信号采集电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6 ;
[0037]本实施例中，第五电阻R5和第六电阻R6采用MF58NTC玻封型热敏电阻，将第五电阻R5放置在口罩本体I的内部作为温度采集电阻，将第六电阻R6放置在口罩本体I的外侦牝作为外界温度参考电阻，电阻R5随口罩内空气温度变化改变电阻值，进而改变电压值，将第五电阻R5与第六电阻R6的电压值进行求差，获得的电压差信号即为口罩佩戴者呼吸时口罩内温度变化电压信号；
[0038]所述信号采集电路的第一电阻Rl的一端连接5V电源，第一电阻Rl的另一端同时连接第二电阻R2的一端、第三电阻R3的一端和第四电阻R4的一端，第二电阻R2的另一端接地，第三电阻R3的另一端连接第五电阻R5的一端，第四电阻R4的另一端连接第六电阻R6的一端，第五电阻R5的另一端连接第六电阻R6的另一端并接地，将第三电阻R3的另一端和第四电阻R4的另一端作为信号采集电路的输出端，将第五电阻R5作为口罩内温度变化采集电阻，将第六电阻R6作为外界温度参考电阻；
[0039]如图4所示，所述初级差动放大电路包括第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第^^一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第一电容Cl、第二电容C2、第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3和第四运算放大器U4 ；
[0040]本实施例中，第一运算放大器Ul、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3和第四运算放大器U4均采用0P07芯片；
[0041]所述第七电阻R7的一端同时连接第八电阻R8的一端和第一运算放大器Ul的同相输入端，第八电阻R8的另一端接地，第九电阻R9的一端同时连接第十电阻RlO的一端和第一运算放大器Ul的反相输入端，第一运算放大器Ul的电源负极引脚VEE接-5V电压，第一运算放大器Ul的电源正极引脚VDD连接5V电压，将第七电阻R7的另一端和第九电阻R9的另一端作为初级差动放大电路的输入端，第十电阻RlO的另一端同时连接第一运算放大器Ul的输出端和第十一电阻Rll的一端，第十一电阻Rll的另一端同时连接第十二电阻R12的一端、第一电容Cl的一端和第二运算放大器U2的反相输入端，第十二电阻R12的另一端同时连接第一电容Cl的另一端、第二运算放大器U2的输出端和第十三电阻R13的一端，第二运算放大器U2的同相输入端连接第十四电阻R14的一端，第二运算放大器U2的电源负极引脚VEE接-5V电压，第二运算放大器U2的电源正极引脚VDD连接5V电压，第十四电阻R14的另一端接地，第十三电阻R13的另一端同时连接第十五电阻R15的一端和第三运算放大器U3的同相输入端，第十五电阻R15的另一端接地，第三运算放大器U3的反相输入端同时连接第十六电阻R16的一端、第十七电阻R17的一端和第二电容C2的一端，第三运算放大器U3的输出端同时连接第十七电阻C17的另一端、第二电容C2的另一端和第四运算放大器U4的同相输入端，第三运算放大器U3的电源负极引脚VEE接-5V电压，第三运算放大器U3的电源正极引脚VDD连接5V电压，第十六电阻R16的另一端接地，第四运算放大器U4的反相输入端连接第四运算放大器U4的输出端，并作为初级差动放大电路的输出端，第四运算放大器U4的电源负极引脚VEE接-5V电压，第四运算放大器U4的电源正极引脚VDD连接5V电压；
[0042]如图5所示，所述低通滤波电路包括第十八电阻R18、第十九电阻R19、第二十电阻R20、第二 ^^一电阻R21、第二十二电阻R22、第二十三电阻R23、第二十四电阻R24、第二十五电阻R25、第五运算放大器U5、第六运算放大器U6、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5和第六电容C6 ；
[0043]本实施例中，第五运算放大器U5和第六运算放大器U6均采用0P07芯片；
[0044]所述第十八电阻R18的一端同时连接第十九电阻R19的一端和第三电容C3的一端，将第十八电阻R18的另一端作为低通滤波电路的输入端，第十九电阻R19的另一端同时连接第四电容C4的一端和第五运算放大器U5的同相输入端，第四电容C4的另一端接地，第三电容C3的另一端同时连接第五运算放大器U5的输出端、第二十电阻R20的一端和第二十一电阻R21的一端，第五运算放大器U5的电源负极引脚VEE接-5V电压，第五运算放大器U5的电源正极引脚VDD连接5V电压，第二十电阻R20的另一端同时连接第二十二电阻R22的一端和第五运算放大器U5的反向输入端，第二十二电阻R22的另一端接地，第二^^一电阻R21的另一端同时连接第二十三电阻R23的一端和第五电容C5的一端，第二十三电阻R23的另一端同时连接第六电容C6的一端和第六运算放大器U6的同相输入端，第六电容C6的另一端接地，第五电容C5的另一端同时连接第六运算放大器U6的输出端和第二十四电阻R24的一端，第二十四电阻R24的另一端同时连接第六运算放大器U6的反相输入端和第二十五电阻R25的一端，第六运算放大器U6的电源负极引脚VEE接-5V电压，第六运算放大器U6的电源正极引脚VDD连接5V电压，第二十五电阻R25的另一端接地；
[0045]如图6所示，所述后级放大电路包括第二十六电阻R26、第二十七电阻R27、第二十八电阻R28和第七运算放大器U7 ；
[004 6]本实施例中，第七运算放大器U7采用0P07芯片；
[0047]所述第二十六电阻R26的一端同时连接第二十七电阻R27的一端和第七运算放大器U7的反相输入端，将第二十六电阻R26的另一端作为后级放大电路的输入端，第二十七电阻R27的另一端连接第七运算放大器U7的输出端，并作为呼吸传感器的输出端，第七运算放大器U7的电源负极引脚VEE接-5V电压，第七运算放大器U7的电源正极引脚VDD连接5V电压，第七运算放大器U7的同相输入端连接第二十八电阻R28的一端，第二十八电阻R28的另一端接地；
[0048]本实施例中，所述移动终端包括去噪模块、计算模块和路径规划模块；其中，
[0049]去噪模块:用于接收呼吸传感器发送的口罩佩戴者呼吸时口罩内的温度变化电压差数字信号，对温度变化电压差数字信号进行去噪，并将去噪后的温度变化电压差数字信号发送到计算模块；
[0050]计算模块:用于根据去噪后的温度变化电压差数字信号，计算获得口罩佩戴者的呼吸速率值；
[0051]路径规划模块:
[0052]在对PM空气质量进行检测时，用于接收PM空气质量传感器发送的实际PM浓度值，将实际PM浓度值通过无线网络发送到网络服务器；
[0053]在路径规划时，用于对口罩佩戴者进行定位，并根据口罩佩戴者确定的目的地，通过无线网络接收网络服务器中口罩佩戴者所在区域的实际PM浓度值，规划PM空气质量最优路径。
【主权项】
1.一种基于移动终端的智能口罩呼吸和PM检测系统，其特征在于:包括智能口罩和移动终端； 所述智能口罩包括口罩本体、第一过滤器、第二过滤器、PM报警灯、电源模块、PM空气质量传感器、微控制器、蓝牙发送模块和呼吸传感器； 所述第一过滤器与口罩本体的左侧壁通过接口进行连接，第二过滤器与口罩本体的右侧壁通过接口进行连接；呼吸传感器固定设置于口罩本体的左斜壁，PM空气质量传感器固定设置于口罩本体的右斜壁，PM报警灯固定设置于口罩本体三角前面板与左斜壁的连接处，微控制器固定设置于口罩本体的三角前面板，蓝牙发送模块固定设置于微控制器上，电源模块固定设置于口罩本体底板的上端； 所述呼吸传感器包括呼吸信号采集电路、初级差动放大电路、低通滤波电路和后级放大电路； 所述呼吸信号采集电路的输出端连接初级差动放大电路的输入端，初级差动放大电路的输出端连接低通滤波电路的输入端，低通滤波电路的输出端连接后级放大电路的输入端。2.根据权利要求1所述的基于移动终端的智能口罩呼吸和PM检测系统，其特征在于:所述电源模块的电压输出端连接PM空气质量传感器的电源端口、微控制器的电源端口和呼吸传感器的电源端口，PM空气质量传感器的输出端连接微控制器的第一输入端，呼吸传感器的输出端连接微控制器的第二输入端，微控制器的第一输出端连接蓝牙发送模块的输入端，微控制器的第二输出端连接PM报警灯的输入端。3.根据权利要求1所述的基于移动终端的智能口罩呼吸和PM检测系统，其特征在于:所述的第一过滤器和第二过滤器内填充棉花和活性炭。4.根据权利要求1所述的基于移动终端的智能口罩呼吸和PM检测系统，其特征在于:所述呼吸信号采集电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻； 所述信号采集电路的第一电阻的一端连接电源，第一电阻的另一端同时连接第二电阻的一端、第三电阻的一端和第四电阻的一端，第二电阻的另一端接地，第三电阻的另一端连接第五电阻的一端，第四电阻的另一端连接第六电阻的一端，第五电阻的另一端连接第六电阻的另一端并接地，将第三电阻的另一端和第四电阻的另一端作为信号采集电路的输出端，将第五电阻作为口罩内温度变化采集电阻，将第六电阻作为外界温度参考电阻。5.根据权利要求1所述的基于移动终端的智能口罩呼吸和PM检测系统，其特征在于:所述初级差动放大电路包括第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第一电容、第二电容、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器和第四运算放大器； 所述第七电阻的一端同时连接第八电阻的一端和第一运算放大器的同相输入端，第八电阻的另一端接地，第九电阻的一端同时连接第十电阻的一端和第一运算放大器的反相输入端，将第七电阻的另一端和第九电阻的另一端作为初级差动放大电路的输入端，第十电阻的另一端同时连接第一运算放大器的输出端和第十一电阻的一端，第十一电阻的另一端同时连接第十二电阻的一端、第一电容的一端和第二运算放大器的反相输入端，第十二电阻的另一端同时连接第一电容的另一端、第二运算放大器的输出端和第十三电阻的一端，第二运算放大器的同相输入端连接第十四电阻的一端，第十四电阻的另一端接地，第十三电阻的另一端同时连接第十五电阻的一端和第三运算放大器的同相输入端，第十五电阻的另一端接地，第三运算放大器的反相输入端同时连接第十六电阻的一端、第十七电阻的一端和第二电容的一端，第三运算放大器的输出端同时连接第十七电阻的另一端、第二电容的另一端和第四运算放大器的同相输入端，第十六电阻的另一端接地，第四运算放大器的反相输入端连接第四运算放大器的输出端，并作为初级差动放大电路的输出端。6.根据权利要求1所述的基于移动终端的智能口罩呼吸和PM检测系统，其特征在于:所述低通滤波电路包括第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻、第二十二电阻、第二十三电阻、第二十四电阻、第二十五电阻、第五运算放大器、第六运算放大器、第三电容、第四电容、第五电容和第六电容； 所述第十八电阻的一端同时连接第十九电阻的一端和第三电容的一端，将第十八电阻的另一端作为低通滤波电路的输入端，第十九电阻的另一端同时连接第四电容的一端和第五运算放大器的同相输入端，第四电容的另一端接地，第三电容的另一端同时连接第五运算放大器的输出端、第二十电阻的一端和第二十一电阻的一端，第二十电阻的另一端同时连接第二十二电阻的一端和第五运算放大器的反向输入端，第二十二电阻的另一端接地，第二十一电阻的另一端同时连接第二十三电阻的一端和第五电容的一端，第二十三电阻的另一端同时连接第六电容的一端和第六运算放大器的同相输入端，第六电容的另一端接地，第五电容的另一端同时连接第六运算放大器的输出端和第二十四电阻的一端，第二十四电阻的另一端同时连接第六运算放大器的反相输入端和第二十五电阻的一端，第二十五电阻的另一端接地。7.根据权利要求1所述的基于移动终端的智能口罩呼吸和PM检测系统，其特征在于:所述后级放大电路包括第二十六电阻、第二十七电阻、第二十八电阻和第七运算放大器； 所述第二十六电阻的一端同时连接第二十七电阻的一端和第七运算放大器的反相输入端，将第二十六电阻的另一端作为后级放大电路的输入端，第二十七电阻的另一端连接第七运算放大器的输出端，并作为呼吸传感器的输出端，第七运算放大器的同相输入端连接第二十八电阻的一端，第二十八电阻的另一端接地。
【专利摘要】本实用新型一种基于移动终端的智能口罩呼吸和PM检测系统，属于电子信息和医学技术领域；该系统包括智能口罩和移动终端，所述智能口罩包括口罩本体、第一过滤器、第二过滤器、PM报警灯、电源模块、PM空气质量传感器、微控制器、蓝牙发送模块和呼吸传感器；本实用新型在雾霾的天气下净化空气，实现了对人体呼吸的检测，对空气环境中PM浓度值进行实时监控，本实用新型使用简单，操作方便，受众人群广，具有很好的应用性，同时实用新型也考虑了便携性的特点，把整个系统集成到口罩中，方便使用者的携带。
【IPC分类】G01N15/06, G01C21/00, A61B5/08
【公开号】CN204694597
【申请号】CN201520236620
【发明人】卢子鹏, 郑孙易, 蒋芳芳, 高小松
【申请人】东北大学
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年4月17日
【技术领域】
[0001]本实用新型属于电子信息和医学技术领域，具体涉及一种基于移动终端的智能口罩呼吸和PM检测系统。
【背景技术】
[0002]随着社会的不断进步与发展，工业污染也越来越严重，在人们患呼吸疾病的频率持续上升的今天，人体呼吸信号是诊断呼吸疾病的重要依据，检测人体呼吸节律，识别异常呼吸信号，能及时发现人体是否患病，因此对人们日常呼吸信号的监控和分析变得尤为重要；同时空气质量的好坏决定着我们的身体质量，相当大的一部分人缺乏空气污染意识，无法了解我们所处的地方的空气质量情况，缺少空气污染预警机制；口罩成为了一个保护我们身体健康的盾牌，研宄智能口罩变得越来越有价值，传统口罩只有单一的空气过滤功能，并不能交互性地实时检测佩戴者的呼吸健康情况，也不能预警PM空气污染，对于空气污染越来越严重，呼吸道疾病频发的今天，这是远远不够的。
【实用新型内容】
[0003]针对现有技术的缺点，本实用新型提出一种基于移动终端的智能口罩呼吸和PM检测系统，以达到净化空气、检测人体呼吸、实时监控PM空气质量、便于携带和简化操作的目的。
[0004]一种基于移动终端的智能口罩呼吸和PM检测系统，其特征在于:包括智能口罩和移动终端；
[0005]所述智能口罩包括口罩本体、第一过滤器、第二过滤器、PM报警灯、电源模块、PM空气质量传感器、微控制器、蓝牙发送模块和呼吸传感器；
[0006]所述第一过滤器与口罩本体的左侧壁通过接口进行连接，第二过滤器与口罩本体的右侧壁通过接口进行连接；呼吸传感器固定设置于口罩本体的左斜壁，PM空气质量传感器固定设置于口罩本体的右斜壁，PM报警灯固定设置于口罩本体三角前面板与左斜壁的连接处，微控制器固定设置于口罩本体的三角前面板，蓝牙发送模块固定设置于微控制器上，电源模块固定设置于口罩本体底板的上端；
[0007]所述呼吸传感器包括呼吸信号采集电路、初级差动放大电路、低通滤波电路和后级放大电路；
[0008]所述呼吸信号采集电路的输出端连接初级差动放大电路的输入端，初级差动放大电路的输出端连接低通滤波电路的输入端，低通滤波电路的输出端连接后级放大电路的输入端。
[0009]所述电源模块的电压输出端连接PM空气质量传感器的电源端口、微控制器的电源端口和呼吸传感器的电源端口，PM空气质量传感器的输出端连接微控制器的第一输入端，呼吸传感器的输出端连接微控制器的第二输入端，微控制器的第一输出端连接蓝牙发送模块的输入端，微控制器的第二输出端连接PM报警灯的输入端。
[0010]所述的第一过滤器和第二过滤器内填充棉花和活性炭。
[0011]所述呼吸信号采集电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻；
[0012]所述信号采集电路的第一电阻的一端连接电源，第一电阻的另一端同时连接第二电阻的一端、第三电阻的一端和第四电阻的一端，第二电阻的另一端接地，第三电阻的另一端连接第五电阻的一端，第四电阻的另一端连接第六电阻的一端，第五电阻的另一端连接第六电阻的另一端并接地，将第三电阻的另一端和第四电阻的另一端作为信号采集电路的输出端，将第五电阻作为口罩内温度变化采集电阻，将第六电阻作为外界温度参考电阻。
[0013]所述初级差动放大电路包括第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第一电容、第二电容、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器和第四运算放大器；
[0014]所述第七电阻的一端同时连接第八电阻的一端和第一运算放大器的同相输入端，第八电阻的另一端接地，第九电阻的一端同时连接第十电阻的一端和第一运算放大器的反相输入端，将第七电阻的另一端和第九电阻的另一端作为初级差动放大电路的输入端，第十电阻的另一端同时连接第一运算放大器的输出端和第十一电阻的一端，第十一电阻的另一端同时连接第十二电阻的一端、第一电容的一端和第二运算放大器的反相输入端，第十二电阻的另一端同时连接第一电容的另一端、第二运算放大器的输出端和第十三电阻的一端，第二运算放大器的同相输入端连接第十四电阻的一端，第十四电阻的另一端接地，第十三电阻的另一端同时连接第十五电阻的一端和第三运算放大器的同相输入端，第十五电阻的另一端接地，第三运算放大器的反相输入端同时连接第十六电阻的一端、第十七电阻的一端和第二电容的一端，第三运算放大器的输出端同时连接第十七电阻的另一端、第二电容的另一端和第四运算放大器的同相输入端，第十六电阻的另一端接地，第四运算放大器的反相输入端连接第四运算放大器的输出端，并作为初级差动放大电路的输出端。
[0015]所述低通滤波电路包括第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻、第二十二电阻、第二十三电阻、第二十四电阻、第二十五电阻、第五运算放大器、第六运算放大器、第三电容、第四电容、第五电容和第六电容；
[0016]所述第十八电阻的一端同时连接第十九电阻的一端和第三电容的一端，将第十八电阻的另一端作为低通滤波电路的输入端，第十九电阻的另一端同时连接第四电容的一端和第五运算放大器的同相输入端，第四电容的另一端接地，第三电容的另一端同时连接第五运算放大器的输出端、第二十电阻的一端和第二^ 电阻的一端，第二十电阻的另一端同时连接第二十二电阻的一端和第五运算放大器的反向输入端，第二十二电阻的另一端接地，第二十一电阻的另一端同时连接第二十三电阻的一端和第五电容的一端，第二十三电阻的另一端同时连接第六电容的一端和第六运算放大器的同相输入端，第六电容的另一端接地，第五电容的另一端同时连接第六运算放大器的输出端和第二十四电阻的一端，第二十四电阻的另一端同时连接第六运算放大器的反相输入端和第二十五电阻的一端，第二十五电阻的另一端接地。
[0017]所述后级放大电路包括第二十六电阻、第二十七电阻、第二十八电阻和第七运算放大器；
[0018]所述第二十六电阻的一端同时连接第二十七电阻的一端和第七运算放大器的反相输入端，将第二十六电阻的另一端作为后级放大电路的输入端，第二十七电阻的另一端连接第七运算放大器的输出端，并作为呼吸传感器的输出端，第七运算放大器的同相输入端连接第二十八电阻的一端，第二十八电阻的另一端接地。
[0019]本实用新型的优点:
[0020]本实用新型一种基于移动终端的智能口罩呼吸和PM检测系统，将新兴的科研技术与口罩结合，在雾霾的天气下净化空气的同时，实现对人体呼吸的检测，并对日常的呼吸节律实现监控和对呼吸异常的识别等；本实用新型可以对空气环境中PM浓度值进行实时监控，避开污染严重区域，维护口罩佩戴者的身心健康；本实用新型使用步骤简单，操作方便，受众人群很广，具有很好的应用性；同时本实用新型也考虑了便携性的特点，通过现代PCB板集成电路最小化呼吸检测模块和PM检测模块，把整个系统集成到口罩中，方便使用者的携带。
【附图说明】
[0021]图1为本发明一种实施例的智能口罩正视图；
[0022]图2为本发明一种实施例的智能口罩后视图；
[0023]图3为本发明一种实施例的呼吸信号采集电路；
[0024]图4为本发明一种实施例的初级差动放大电路示意图；
[0025]图5为本发明一种实施例的低通滤波电路示意图；
[0026]图6为本发明一种实施例的后级放大电路示意图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。
[0028]本实施例中，一种基于移动终端的智能口罩呼吸和PM检测系统，包括智能口罩和移动终端；
[0029]本实施例中，移动终端采用智能手机；
[0030]本实施 例中，智能口罩如图1和图2所示，图中I为口罩本体，2为第一过滤器，3为第二过滤器，4为PM报警灯，5为PM空气质量传感器，6为微控制器，7为蓝牙发送模块，8为呼吸传感器，图2中9为电源模块；其中，
[0031]所述口罩本体I采用3M6200防尘口罩，PM报警灯4采用Risym 5mm LED灯珠，PM空气质量传感器5采用日本粉尘传感器GP2Y1010AU0F，微控制器6采用Ti德州仪器公司msp430f 14916位超低功耗的微控制器，蓝牙发送模块7采用蓝牙串口模块XM-10B 4.0BLE,第一过滤器2和第二过滤器3内填充棉花和活性炭，电源模块9将9V电源转换为5V和-5V电源对智能口罩进行供电；
[0032]所述第一过滤器2的接口与口罩本体I左侧壁的安装接口进行螺纹连接，第二过滤器3的接口与口罩本体I右侧壁的安装接口进行螺纹连接；呼吸传感器8固定设置于口罩本体I的左斜壁，PM空气质量传感器5固定设置于口罩本体I的右斜壁，PM报警灯4固定设置于口罩本体I三角前面板与左斜壁的连接处，微控制器6固定设置于口罩本体I的三角前面板，蓝牙发送模块7固定设置于微控制器6上，电源模块9固定设置于口罩本体I底板的上端；
[0033]所述电源模块9的电压输出端连接PM空气质量传感器5的电源端口、微控制器6的电源端口和呼吸传感器8的电源端口，PM空气质量传感器5的第二引脚2连接微控制器6的接地引脚GND，PM空气质量传感器5的第三引脚3连接微控制器6的第十二引脚P12，PM空气质量传感器5的第五引脚5连接微控制器6的第六十五引脚P65，PM空气质量传感器5的第六引脚6连接微控制器6的5V电源引脚VCC5 ;呼吸传感器8的输出端连接微控制器6的第六十六引脚P66 ;微控制器6的第三十四引脚P34连接蓝牙发送模块7的接收引脚RXD，微控制器6的第三十五引脚P35连接蓝牙发送模块7的发送引脚TXD ;微控制器6的第十引脚PlO连接PM报警灯4的输入端；
[0034]本实施例中，所述呼吸传感器包括呼吸信号采集电路、初级差动放大电路、低通滤波电路和后级放大电路；其中，
[0035]所述呼吸信号采集电路的输出端连接初级差动放大电路的输入端，初级差动放大电路的输出端连接低通滤波电路的输入端，低通滤波电路的输出端连接后级放大电路的输入端；
[0036]如图3所示，所述呼吸信号采集电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6 ;
[0037]本实施例中，第五电阻R5和第六电阻R6采用MF58NTC玻封型热敏电阻，将第五电阻R5放置在口罩本体I的内部作为温度采集电阻，将第六电阻R6放置在口罩本体I的外侦牝作为外界温度参考电阻，电阻R5随口罩内空气温度变化改变电阻值，进而改变电压值，将第五电阻R5与第六电阻R6的电压值进行求差，获得的电压差信号即为口罩佩戴者呼吸时口罩内温度变化电压信号；
[0038]所述信号采集电路的第一电阻Rl的一端连接5V电源，第一电阻Rl的另一端同时连接第二电阻R2的一端、第三电阻R3的一端和第四电阻R4的一端，第二电阻R2的另一端接地，第三电阻R3的另一端连接第五电阻R5的一端，第四电阻R4的另一端连接第六电阻R6的一端，第五电阻R5的另一端连接第六电阻R6的另一端并接地，将第三电阻R3的另一端和第四电阻R4的另一端作为信号采集电路的输出端，将第五电阻R5作为口罩内温度变化采集电阻，将第六电阻R6作为外界温度参考电阻；
[0039]如图4所示，所述初级差动放大电路包括第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第^^一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第一电容Cl、第二电容C2、第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3和第四运算放大器U4 ；
[0040]本实施例中，第一运算放大器Ul、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3和第四运算放大器U4均采用0P07芯片；
[0041]所述第七电阻R7的一端同时连接第八电阻R8的一端和第一运算放大器Ul的同相输入端，第八电阻R8的另一端接地，第九电阻R9的一端同时连接第十电阻RlO的一端和第一运算放大器Ul的反相输入端，第一运算放大器Ul的电源负极引脚VEE接-5V电压，第一运算放大器Ul的电源正极引脚VDD连接5V电压，将第七电阻R7的另一端和第九电阻R9的另一端作为初级差动放大电路的输入端，第十电阻RlO的另一端同时连接第一运算放大器Ul的输出端和第十一电阻Rll的一端，第十一电阻Rll的另一端同时连接第十二电阻R12的一端、第一电容Cl的一端和第二运算放大器U2的反相输入端，第十二电阻R12的另一端同时连接第一电容Cl的另一端、第二运算放大器U2的输出端和第十三电阻R13的一端，第二运算放大器U2的同相输入端连接第十四电阻R14的一端，第二运算放大器U2的电源负极引脚VEE接-5V电压，第二运算放大器U2的电源正极引脚VDD连接5V电压，第十四电阻R14的另一端接地，第十三电阻R13的另一端同时连接第十五电阻R15的一端和第三运算放大器U3的同相输入端，第十五电阻R15的另一端接地，第三运算放大器U3的反相输入端同时连接第十六电阻R16的一端、第十七电阻R17的一端和第二电容C2的一端，第三运算放大器U3的输出端同时连接第十七电阻C17的另一端、第二电容C2的另一端和第四运算放大器U4的同相输入端，第三运算放大器U3的电源负极引脚VEE接-5V电压，第三运算放大器U3的电源正极引脚VDD连接5V电压，第十六电阻R16的另一端接地，第四运算放大器U4的反相输入端连接第四运算放大器U4的输出端，并作为初级差动放大电路的输出端，第四运算放大器U4的电源负极引脚VEE接-5V电压，第四运算放大器U4的电源正极引脚VDD连接5V电压；
[0042]如图5所示，所述低通滤波电路包括第十八电阻R18、第十九电阻R19、第二十电阻R20、第二 ^^一电阻R21、第二十二电阻R22、第二十三电阻R23、第二十四电阻R24、第二十五电阻R25、第五运算放大器U5、第六运算放大器U6、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5和第六电容C6 ；
[0043]本实施例中，第五运算放大器U5和第六运算放大器U6均采用0P07芯片；
[0044]所述第十八电阻R18的一端同时连接第十九电阻R19的一端和第三电容C3的一端，将第十八电阻R18的另一端作为低通滤波电路的输入端，第十九电阻R19的另一端同时连接第四电容C4的一端和第五运算放大器U5的同相输入端，第四电容C4的另一端接地，第三电容C3的另一端同时连接第五运算放大器U5的输出端、第二十电阻R20的一端和第二十一电阻R21的一端，第五运算放大器U5的电源负极引脚VEE接-5V电压，第五运算放大器U5的电源正极引脚VDD连接5V电压，第二十电阻R20的另一端同时连接第二十二电阻R22的一端和第五运算放大器U5的反向输入端，第二十二电阻R22的另一端接地，第二^^一电阻R21的另一端同时连接第二十三电阻R23的一端和第五电容C5的一端，第二十三电阻R23的另一端同时连接第六电容C6的一端和第六运算放大器U6的同相输入端，第六电容C6的另一端接地，第五电容C5的另一端同时连接第六运算放大器U6的输出端和第二十四电阻R24的一端，第二十四电阻R24的另一端同时连接第六运算放大器U6的反相输入端和第二十五电阻R25的一端，第六运算放大器U6的电源负极引脚VEE接-5V电压，第六运算放大器U6的电源正极引脚VDD连接5V电压，第二十五电阻R25的另一端接地；
[0045]如图6所示，所述后级放大电路包括第二十六电阻R26、第二十七电阻R27、第二十八电阻R28和第七运算放大器U7 ；
[004 6]本实施例中，第七运算放大器U7采用0P07芯片；
[0047]所述第二十六电阻R26的一端同时连接第二十七电阻R27的一端和第七运算放大器U7的反相输入端，将第二十六电阻R26的另一端作为后级放大电路的输入端，第二十七电阻R27的另一端连接第七运算放大器U7的输出端，并作为呼吸传感器的输出端，第七运算放大器U7的电源负极引脚VEE接-5V电压，第七运算放大器U7的电源正极引脚VDD连接5V电压，第七运算放大器U7的同相输入端连接第二十八电阻R28的一端，第二十八电阻R28的另一端接地；
[0048]本实施例中，所述移动终端包括去噪模块、计算模块和路径规划模块；其中，
[0049]去噪模块:用于接收呼吸传感器发送的口罩佩戴者呼吸时口罩内的温度变化电压差数字信号，对温度变化电压差数字信号进行去噪，并将去噪后的温度变化电压差数字信号发送到计算模块；
[0050]计算模块:用于根据去噪后的温度变化电压差数字信号，计算获得口罩佩戴者的呼吸速率值；
[0051]路径规划模块:
[0052]在对PM空气质量进行检测时，用于接收PM空气质量传感器发送的实际PM浓度值，将实际PM浓度值通过无线网络发送到网络服务器；
[0053]在路径规划时，用于对口罩佩戴者进行定位，并根据口罩佩戴者确定的目的地，通过无线网络接收网络服务器中口罩佩戴者所在区域的实际PM浓度值，规划PM空气质量最优路径。
【主权项】
1.一种基于移动终端的智能口罩呼吸和PM检测系统，其特征在于:包括智能口罩和移动终端； 所述智能口罩包括口罩本体、第一过滤器、第二过滤器、PM报警灯、电源模块、PM空气质量传感器、微控制器、蓝牙发送模块和呼吸传感器； 所述第一过滤器与口罩本体的左侧壁通过接口进行连接，第二过滤器与口罩本体的右侧壁通过接口进行连接；呼吸传感器固定设置于口罩本体的左斜壁，PM空气质量传感器固定设置于口罩本体的右斜壁，PM报警灯固定设置于口罩本体三角前面板与左斜壁的连接处，微控制器固定设置于口罩本体的三角前面板，蓝牙发送模块固定设置于微控制器上，电源模块固定设置于口罩本体底板的上端； 所述呼吸传感器包括呼吸信号采集电路、初级差动放大电路、低通滤波电路和后级放大电路； 所述呼吸信号采集电路的输出端连接初级差动放大电路的输入端，初级差动放大电路的输出端连接低通滤波电路的输入端，低通滤波电路的输出端连接后级放大电路的输入端。2.根据权利要求1所述的基于移动终端的智能口罩呼吸和PM检测系统，其特征在于:所述电源模块的电压输出端连接PM空气质量传感器的电源端口、微控制器的电源端口和呼吸传感器的电源端口，PM空气质量传感器的输出端连接微控制器的第一输入端，呼吸传感器的输出端连接微控制器的第二输入端，微控制器的第一输出端连接蓝牙发送模块的输入端，微控制器的第二输出端连接PM报警灯的输入端。3.根据权利要求1所述的基于移动终端的智能口罩呼吸和PM检测系统，其特征在于:所述的第一过滤器和第二过滤器内填充棉花和活性炭。4.根据权利要求1所述的基于移动终端的智能口罩呼吸和PM检测系统，其特征在于:所述呼吸信号采集电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻； 所述信号采集电路的第一电阻的一端连接电源，第一电阻的另一端同时连接第二电阻的一端、第三电阻的一端和第四电阻的一端，第二电阻的另一端接地，第三电阻的另一端连接第五电阻的一端，第四电阻的另一端连接第六电阻的一端，第五电阻的另一端连接第六电阻的另一端并接地，将第三电阻的另一端和第四电阻的另一端作为信号采集电路的输出端，将第五电阻作为口罩内温度变化采集电阻，将第六电阻作为外界温度参考电阻。5.根据权利要求1所述的基于移动终端的智能口罩呼吸和PM检测系统，其特征在于:所述初级差动放大电路包括第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第一电容、第二电容、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器和第四运算放大器； 所述第七电阻的一端同时连接第八电阻的一端和第一运算放大器的同相输入端，第八电阻的另一端接地，第九电阻的一端同时连接第十电阻的一端和第一运算放大器的反相输入端，将第七电阻的另一端和第九电阻的另一端作为初级差动放大电路的输入端，第十电阻的另一端同时连接第一运算放大器的输出端和第十一电阻的一端，第十一电阻的另一端同时连接第十二电阻的一端、第一电容的一端和第二运算放大器的反相输入端，第十二电阻的另一端同时连接第一电容的另一端、第二运算放大器的输出端和第十三电阻的一端，第二运算放大器的同相输入端连接第十四电阻的一端，第十四电阻的另一端接地，第十三电阻的另一端同时连接第十五电阻的一端和第三运算放大器的同相输入端，第十五电阻的另一端接地，第三运算放大器的反相输入端同时连接第十六电阻的一端、第十七电阻的一端和第二电容的一端，第三运算放大器的输出端同时连接第十七电阻的另一端、第二电容的另一端和第四运算放大器的同相输入端，第十六电阻的另一端接地，第四运算放大器的反相输入端连接第四运算放大器的输出端，并作为初级差动放大电路的输出端。6.根据权利要求1所述的基于移动终端的智能口罩呼吸和PM检测系统，其特征在于:所述低通滤波电路包括第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻、第二十二电阻、第二十三电阻、第二十四电阻、第二十五电阻、第五运算放大器、第六运算放大器、第三电容、第四电容、第五电容和第六电容； 所述第十八电阻的一端同时连接第十九电阻的一端和第三电容的一端，将第十八电阻的另一端作为低通滤波电路的输入端，第十九电阻的另一端同时连接第四电容的一端和第五运算放大器的同相输入端，第四电容的另一端接地，第三电容的另一端同时连接第五运算放大器的输出端、第二十电阻的一端和第二十一电阻的一端，第二十电阻的另一端同时连接第二十二电阻的一端和第五运算放大器的反向输入端，第二十二电阻的另一端接地，第二十一电阻的另一端同时连接第二十三电阻的一端和第五电容的一端，第二十三电阻的另一端同时连接第六电容的一端和第六运算放大器的同相输入端，第六电容的另一端接地，第五电容的另一端同时连接第六运算放大器的输出端和第二十四电阻的一端，第二十四电阻的另一端同时连接第六运算放大器的反相输入端和第二十五电阻的一端，第二十五电阻的另一端接地。7.根据权利要求1所述的基于移动终端的智能口罩呼吸和PM检测系统，其特征在于:所述后级放大电路包括第二十六电阻、第二十七电阻、第二十八电阻和第七运算放大器； 所述第二十六电阻的一端同时连接第二十七电阻的一端和第七运算放大器的反相输入端，将第二十六电阻的另一端作为后级放大电路的输入端，第二十七电阻的另一端连接第七运算放大器的输出端，并作为呼吸传感器的输出端，第七运算放大器的同相输入端连接第二十八电阻的一端，第二十八电阻的另一端接地。
【专利摘要】本实用新型一种基于移动终端的智能口罩呼吸和PM检测系统，属于电子信息和医学技术领域；该系统包括智能口罩和移动终端，所述智能口罩包括口罩本体、第一过滤器、第二过滤器、PM报警灯、电源模块、PM空气质量传感器、微控制器、蓝牙发送模块和呼吸传感器；本实用新型在雾霾的天气下净化空气，实现了对人体呼吸的检测，对空气环境中PM浓度值进行实时监控，本实用新型使用简单，操作方便，受众人群广，具有很好的应用性，同时实用新型也考虑了便携性的特点，把整个系统集成到口罩中，方便使用者的携带。
【IPC分类】G01N15/06, G01C21/00, A61B5/08
【公开号】CN204694597
【申请号】CN201520236620
【发明人】卢子鹏, 郑孙易, 蒋芳芳, 高小松
【申请人】东北大学
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年4月17日
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