CN107823812A - 一种基于ble蓝牙模块的呼吸探测智能口罩 - Google Patents

Abstract

本发明属于电工电子技术，传感器，单片机编程领域，公开了一种基于BLE蓝牙模块的呼吸探测智能口罩，设置有蓝牙模块，用以接收外部气压监测模块传输的数据，分析人一天的呼吸状况，并记录呼吸状况数据，来调整风扇的功率；同时在有上位机请求时，通过广播的形式，向外发送蓝牙信号上位机循环发送单片机一天的使用情况及呼吸情况。本发明的智能口罩芯片不仅能通过控制风扇给佩戴者主动供氧，还能时刻监测佩戴者的呼吸情况，通过口罩内部气压情况实时改变风扇供氧量，并能记录下佩戴者一天的使用情况，配合手机APP连接即可获取佩戴者的使用时间及地点，方便监测使用者的实时健康状况。

Description

一种基于BLE蓝牙模块的呼吸探测智能口罩

技术领域

本发明属于电工电子技术，传感器，单片机编程领域，尤其涉及一种基于BLE蓝牙模块的呼吸探测智能口罩。

背景技术

Ble低功耗蓝牙传输技术，BMP180传感器的气压监测校准技术，PWM调制技术，手动调风口罩。

传统的口罩，以及市面上已存在的带风扇口罩，由于其密封性强，且不能时刻监测佩戴者的呼吸情况，给佩戴者造成了极大的麻烦，很多佩戴者在雾霾天气时长时间佩戴口罩会出现头晕，缺氧的现象。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有技术的口罩不能通过控制风扇给佩戴者主动供氧，不能时刻监测佩戴者的呼吸情况；而且无法记录下佩戴者一天的使用情况，并且不能配合手机APP获取佩戴者的使用时间及地点，方便监测使用者的实时健康状况；

现有技术的口罩不能进行呼吸量监测的缺陷是：没有引入智能芯片以及算法对呼吸量进行有效监测。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于BLE蓝牙模块的呼吸探测智能口罩。解决目标人群在使用口罩时由于呼吸量不同而造成口罩供氧量不足的问题。本发明通过现代电子技术结合传感器对呼吸量进行监测，并通过新一代蓝牙技术进行数据传输，解决了现有技术存在的问题。

本发明是这样实现的，一种基于BLE蓝牙模块的呼吸探测智能口罩，所述基于BLE蓝牙模块的呼吸探测智能口罩包括：

蓝牙模块，通过内置编写算法的单片机并调用单片机的协议栈，实现用以接收外部气压监测模块传输的数据，分析人一天的呼吸状况，并记录呼吸状况数据，来调整风扇的功率；同时在有上位机请求时，通过广播的形式，向外发送蓝牙信号；上位机在接收到信号时把它作为从机，与单片机互联，向单片机不同的通道发送特定的指令，上位机循环发送单片机一天的使用情况及呼吸情况；

进一步，所述气压监测模块，用于采集口罩内的压力和温度，并使用气压-温度联合校正公式来获取口罩内的气压变化，通过口罩内的气压的变化，来感知佩戴者的呼吸情况。

进一步，所述基于BLE蓝牙模块的呼吸探测智能口罩还包括：

升压模块，利用DC-DC对锂电池进行升压，其核心模块是FP6293芯片，将3.7V的锂电池直流电压，转换成6.0V用于为风扇提供动力的电压；

稳压模块，用于调整并稳定升压模块输出的电压；稳压模块采用了cx6206作为主芯片，它是一款以CMOS工艺制造高精度，低功耗，低压差线性稳压器；

MICROUSB插座，用于给锂电池充电，其VCC正电压端为输入电压，输入到锂电池充电模块的4引脚，用于给锂电池充电；MICROUSB插座GND端与主电路共地；

TP4056锂电池充电模块，用于为蓝牙模块、气压监测模块提供能源；TP4056模块是一款应用了PMOSFET架构的充电模块，此模块可以给单节锂离子电池采用恒定电流/恒定电压线性充电。

开关按钮，用于主芯片的工作状态切换，其一端接IO口，一端接高电平，当开关按下时，IO口电平发生变化，主芯片接受到信号，即可转换工作状态；

LED灯以及外部连接端子，用于工作状态的指示和外部物理连接。

本发明的另一目的在于提供一种呼吸探测方法包括：

单片机利用扫描的方式，并利用内置的256K内存记录一分钟内的气压数值；

人的呼吸过程可分为呼气-保持-吸气这三个过程，传统口罩由于其对密封性要求极高，因此可以简化为一个封闭空间模型，在一个封闭的空间中，若以x轴作为时间t，y轴作为空间内部气压，在若干个呼吸周期内，其函数相对于原始内部气压在正向的积分与呼出气体的量成正比，其比例系数设为k，同理，逆向积分即为吸入气体量，因此，利用此积分值即可获得一个周期内佩戴口罩者的呼吸情况。

由于电子***采集的离散性，本发明测得的数据是离散的，根据香农采样定理，本发明采集的样品频率只要大于函数频率的二倍，即可在可接受范围内还原函数，医学研究表明，正常成年人人每分钟呼吸频率为每分钟16-18次，儿童呼吸频率为每分钟20次左右，因此本发明只要在1秒间隔内采集数据，即可得到有效的值，本发明使用200ms间隔扫描，可最大限度还原其呼吸情况，再通过实时的呼吸量和算出平均值比较，将得出的差值进行累积，利用离散域的积分运算来算出一分钟内的呼吸量平均值，对于离散域，其积分值等于

通过这一等式，将一定时间内的气压量累加，确定此时呼吸的急缓，再将这一数据记录；

采用闭环控制***进行风机的风速调整，通过气压监测模块采集到的数据作为需要的进风量，单片机调整风扇的风速，使口罩内部气压始终等于标准大气压的值。

进一步，风扇的功率调制使用PWM调制的方法控制，具体使用双H桥控制的方法，在四个晶闸管上分别两两有信号端作为输入，晶闸管两端的风扇升压后，通过调整控制信号PWM波的占空比，对风扇两端电压控制，同时对风扇电机的功率控制。

本发明的优点及积极效果为：

本发明的智能口罩芯片不仅能通过控制风扇给佩戴者主动供氧，还能时刻监测佩戴者的呼吸情况，通过口罩内部气压情况实时改变风扇供氧量，并能记录下佩戴者一天的使用情况，配合手机APP连接即可获取佩戴者的使用时间及地点，方便监测使用者的实时健康状况。

本发明比现有传统口罩的防雾霾性能和透气性优良。正常成年人人每分钟呼吸频率为每分钟16-18次，儿童呼吸频率为每分钟20次左右，本发明只要在1秒间隔内采集数据，即可得到有效的值，本发明使用200ms间隔扫描，可最大限度还原其呼吸情况，再通过实时的呼吸量和算出平均值比较，将一定时间内的气压量累加，确定此时呼吸的急缓，再将这一数据记录；可获得一个周期内佩戴口罩者的呼吸情况，可实现实时监测使用者的健康状况。

附图说明

图1是本发明实施例提供的H桥电路原理图。

图2是本发明实施例提供的口罩整体功能结构图。

图3是本发明实施例提供的升压模块电路图。

图4是本发明实施例提供的稳压模块电路图。

图5是本发明实施例提供的锂电池充电模块电路图。

图6是本发明实施例提供的封闭空间内部呼吸压力图。

图7是本发明实施例提供的内部气压实测图。

图8是本发明实施例提供的单片机对风速的调整原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明对于主芯片，采用了美国TI公司的CC系列的单片机，并配合本发明的独特算法，即可实现既定功能。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步描述。

本发明实施例提供的基于BLE蓝牙模块的呼吸探测智能口罩，包括：

升压模块，稳压模块，MICROUSB插座，TP4056锂电池充电模块，BMP180气压监测模块，CC2541蓝牙模块，开关按钮，LED灯以及外部连接端子，其核心部分为CC2541蓝牙模块，此模块内置一片单片机，通过编写算法，实现了用以接收外部气压模块传输的数据，从而分析人一天的呼吸状况，并记录该数据，来调整风扇的功率，同时在有上位机请求时，可以通过广播的形式，向上位机以40字节/秒的速度循环发送一天的使用情况及呼吸情况的功能，其核心程序算法包含以下几个部分：

蓝牙互联：使用BLE低功耗蓝牙CC2541芯片，cc2541芯片内置一个可编程的51单片机，编写程序时，调用其协议栈，通过每1000MS广播一次的频率，向外发送蓝牙信号，上位机在接收到信号时可以把它作为从机，实现与其互联。上位机在连接其设备时，会向不同的通道发送特定的指令，来获取其内部数据，约定发送0x123456748912345678时获取其使用情况，发送0x123456789123456789时进入写入模式，可实现校准时间的功能。

呼吸探测算法：本发明使用BMP180气压监测模块，采集口罩内的压力和温度情况，并使用气压-温度联合校正公式来准确获取获取口罩内的气压变化，通过口罩内的气压的变化，来感知佩戴者的呼吸情况。主芯片利用扫描的方式，每800毫秒对气压情况进行一次读取，并利用芯片内置的256K内存来记录一分钟内的气压数值，利用离散域的积分运算来算出一分钟内的呼吸量平均值，再通过实时的呼吸量和算出平均值比较，将得出的差值进行累积，来确定此时呼吸的急缓，再将这一数据记录，根据相应的数值，采用闭环控制***，来量化气压需要的进风量，从而给调整风扇的风速，使得内部气压始终等于标准大气压的值。

风扇功率调制：风扇功率调制使用了PWM调制的方法控制，其电路使用了双H桥控制的方法，其原理图如附图1所示，如图可见在四个晶闸管上分别两两有信号端作为输入，晶闸管两端加上风扇升压后的电压，通过调整控制信号pwm波的占空比，即可实现风扇两端电压控制，由于直流电机电压与功率的正相关关系，利用此电路即可实现对风扇电机的功率控制。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

在本发明智能口罩中，加入此芯片，在开启电源后，佩戴者即可无需手动调节，主芯片会根据佩戴者的呼吸情况，自动调节风扇供氧量。口罩内部为三部分，即超薄高转速供氧风扇，锂电池，和主芯片。其核心技术就是本发明的主芯片部分，其结构可由图2给出。

下面结合附图及具体分析对本发明作进一步描述。

本发明实施例提供的基于BLE蓝牙模块的呼吸探测智能口罩，包括：

蓝牙模块，通过内置编写算法的单片机并调用单片机的协议栈，实现用以接收外部气压监测模块传输的数据，分析人一天的呼吸状况，并记录呼吸状况数据，来调整风扇的功率；同时在有上位机请求时，通过广播的形式，向外发送蓝牙信号；上位机在接收到信号时把它作为从机，与单片机互联，向单片机不同的通道发送特定的指令，上位机循环发送单片机一天的使用情况及呼吸情况；

所述气压监测模块，用于采集口罩内的压力和温度，并使用气压-温度联合校正公式来获取口罩内的气压变化，通过口罩内的气压的变化，来感知佩戴者的呼吸情况。

所述基于BLE蓝牙模块的呼吸探测智能口罩还包括：

升压模块，利用DC-DC对锂电池进行升压，其核心模块是FP6293芯片，将3.7V的锂电池直流电压，转换成6.0V用于为风扇提供动力的电压，其连接电路图如图3：

稳压模块，用于调整并稳定升压模块输出的电压；稳压模块采用了cx6206作为主芯片，它是一款以CMOS工艺制造高精度，低功耗，低压差线性稳压器，其外部电路图如图4：

MICROUSB插座，用于给锂电池充电，其VCC正电压端为输入电压，输入到锂电池充电模块的4引脚，用于给锂电池充电；MICROUSB插座GND端与主电路共地；

TP4056锂电池充电模块，用于为蓝牙模块、气压监测模块提供能源；TP4056模块是一款应用了PMOSFET架构的充电模块，此模块可以给单节锂离子电池采用恒定电流/恒定电压线性充电。其外部连接图如图5。

开关按钮，用于主芯片的工作状态切换，其一端接IO口，一端接高电平，当开关按下时，IO口电平发生变化，主芯片接受到信号，即可转换工作状态；

LED灯以及外部连接端子，用于工作状态的指示和外部物理连接。

本发明的另一目的在于提供一种呼吸探测方法包括：

单片机利用扫描的方式，每800毫秒对气压情况进行一次读取，并利用内置的256K内存记录一分钟内的气压数值；

人的呼吸过程可分为呼气-保持-吸气这三个过程，传统口罩由于其对密封性要求极高，因此可以简化为一个封闭空间模型，在一个封闭的空间中，若以x轴作为时间t，y轴作为空间内部气压，在若干个呼吸周期内，其函数图像可归纳为如下图6示：

由图6可知，此函数相对于原始内部气压在正向的积分与呼出气体的量成正比，其比例系数设为k，同理，逆向积分即为吸入气体量，因此，利用此积分值即可获得一个周期内佩戴口罩者的呼吸情况。

由于电子***采集的离散性，本发明测得的数据是离散的，若以图6的实际气压为例，测得的内部气压图如图7：

根据香农采样定理，本发明采集的样品频率只要大于函数频率的二倍，即可在可接受范围内还原函数，医学研究表明，正常成年人人每分钟呼吸频率为每分钟16-18次，儿童呼吸频率为每分钟20次左右，因此本发明只要在1秒间隔内采集数据，即可得到有效的值，本发明使用200ms间隔扫描，可最大限度还原其呼吸情况，再通过实时的呼吸量和算出平均值比较，将得出的差值进行累积，利用离散域的积分运算来算出一分钟内的呼吸量平均值，对于离散域，其积分值等于

通过这一等式，将一定时间内的气压量累加，确定此时呼吸的急缓，再将这一数据记录；

采用闭环控制***进行风机的风速调整，通过气压监测模块采集到的数据作为需要的进风量，单片机调整风扇的风速，使口罩内部气压始终等于标准大气压的值，其调速流程如图8所示。

风扇的功率调制使用PWM调制的方法控制，具体使用双H桥控制的方法，在四个晶闸管上分别两两有信号端作为输入，晶闸管两端的风扇升压后，通过调整控制信号PWM波的占空比，对风扇两端电压控制，同时对风扇电机的功率控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于BLE蓝牙模块的呼吸探测智能口罩，其特征在于，所述基于BLE蓝牙模块的呼吸探测智能口罩包括：

蓝牙模块，通过内置编写算法的单片机并调用单片机的协议栈，实现用以接收外部气压监测模块传输的数据，分析人一天的呼吸状况，并记录呼吸状况数据，来调整风扇的功率；同时在有上位机请求时，通过广播的形式，向外发送蓝牙信号；上位机在接收到信号时把它作为从机，与单片机互联，向单片机不同的通道发送特定的指令，上位机循环发送单片机一天的使用情况及呼吸情况。

2.如权利要求1所述的基于BLE蓝牙模块的呼吸探测智能口罩，其特征在于，所述气压监测模块，用于采集口罩内的压力和温度，并使用气压-温度联合校正公式来获取口罩内的气压变化，通过口罩内的气压的变化，来感知佩戴者的呼吸情况。

3.如权利要求1所述的基于BLE蓝牙模块的呼吸探测智能口罩，其特征在于，所述基于BLE蓝牙模块的呼吸探测智能口罩还包括：

升压模块，利用DC-DC对锂电池进行升压，将3.7V的锂电池直流电压，转换成6.0V用于为风扇提供动力的电压；

稳压模块，用于调整并稳定升压模块输出的电压；

MICROUSB插座，用于给锂电池充电，其VCC正电压端为输入电压，输入到锂电池充电模块的4引脚，用于给锂电池充电；MICROUSB插座GND端与主电路共地；

锂电池充电模块，用于为蓝牙模块、气压监测模块提供能源；

开关按钮，用于主芯片的工作状态切换，其一端接IO口，一端接高电平，LED灯以及外部连接端子，用于工作状态的指示和外部物理连接。

4.一种如权利要求1所述基于BLE蓝牙模块的呼吸探测智能口罩的呼吸探测方法，其特征在于，所述呼吸探测方法包括：

单片机利用扫描的方式，每200ms间隔扫描，通过实时的呼吸量和计算出的平均值比较，对得出的差值进行累积，利用离散域的积分公式计算出一分钟内的呼吸量平均值，对于离散域，积分值等于

再将一分钟内的呼吸量平均值数据记录；

采用闭环控制***进行风机的风速调整，通过气压监测模块采集到的数据作为需要的进风量，单片机调整风扇的风速，使口罩内部气压始终等于标准大气压的值。

5.如权利要求4所述的呼吸探测方法，其特征在于，风扇的功率调制使用PWM调制的方法控制，具体使用双H桥控制的方法，在四个晶闸管上分别两两有信号端作为输入，晶闸管两端的风扇升压后，通过调整控制信号PWM波的占空比，对风扇两端电压控制，同时对风扇电机的功率控制。