一种基于赛贝克效应的体温自供电口罩

技术领域

本发明涉及智能可穿戴技术，具体涉及一种基于赛贝克效应的体温自供电口罩。

背景技术

随着环境污染，口罩逐渐成为人们生活中不可或缺的一部分。PM2.5等有害物质传播严重长期危害着人们呼吸健康，口罩可以有效起到过滤和防护作用。但对于一些有害气体如甲醛、一氧化碳却无法防护，因此具备检测有害气体的智能口罩不可或缺。

另一方面，热电材料的效率和柔性的提高使得应用于更多的可穿戴设备中代替电池供能成为可能，传统电池中常含有铅、镍等有毒物质，用于穿戴设备对人体有一定安全隐患。而利用柔性穿戴的温差发电装置为这一问题提供了良好的解决方案。具有可穿戴性的柔性热电器件能够将体温与外界之间的温差转换为电能，为应用于人体的可穿戴传感器设备进行供电，实现自供电的智能穿戴检测设备的可能。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于赛贝克效应的体温自供电口罩，以解决现有智能口罩无法实现可穿戴体温自供电的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于赛贝克效应的体温自供电口罩，包括口罩本体，在所述口罩本体内两侧贴面颊部位设置有基于赛贝克效应的柔性体温自供电模块，所述柔性体温自供电模块和用电器件相连接，为用电器件的工作提供电量。

进一步地，在所述口罩本体内两侧贴面颊部位分布有孔洞，用以装配所述柔性体温自供电模块；所述柔性体温自供电模块包括柔性热电发电器件、柔性散热层、柔性保温层；所述柔性热电发电器件设置于柔性散热层、柔性保温层之间，以构成夹层复式结构；所述柔性保温层分布于口罩本体内侧，用以与佩戴者面颊皮肤相接触为热端；所述柔性散热层分布于口罩本体外侧和外部环境相接处为冷端。

进一步地，在所述口罩本体中设置有升压储能模块；所述柔性体温自供电模块的输出端和升压储能模块的输入端相连，所述升压储能模块用于将柔性体温自供电模块所输出的电量进行输出和存储。

进一步地，所述升压储能模块和微控制模块相连，所述微控制模块分别和气体传感模块和无线通讯模块相连，所述微控制模块、气体传感模块和无线通讯模块均设置在口罩本体上；所述气体传感模块用于检测空气中的有害气体，当所检测到的有害气体达到微控制模块所设定的阈值时，通过无线通讯模块向外部设备发出报警信号。

进一步地，所述升压储能模块包括升压单元和储能单元，所述升压单元输出第一电信号，用以将柔性体温自供电模块所输出的电压升压到所需电压，以使得微控制模块驱动所述气体传感模块和无线通讯模块工作；所述储能单元用于储存柔性体温自供电模块所输出的电量，所述储能单元输出第二电信号，当没有稳定的体温温差，柔性体温自供电模块不能输出稳定电压时，所述储能单元放电，输出第二电信号，以使所述微控制模块驱动气体传感模块和无线通讯模块工作。

进一步地，当所述气体传感模块检测到周围环境气体成分安全时，所述微控制模块驱动无线通讯信号传输信号至外部设备并保持待机状态，以使微控制模块在和接收来自气体传感模块的信号控制无线通讯模块准确传达气体信息并保持低功耗。

进一步地，所述微控制模块、升压储能模块、气体传感模块中均为在柔性基底的柔性PCB设计搭建。

进一步地，所述柔性热电发电器件包括P型与N型材料构成的PN结，由P、N相互交替出现形成串联结构，在受热时，吸收热能形成载流子迁移，以此将温差转化为电能，在P端、N端分别连接导线时实现能量的输出。

进一步地，所述P型材料为Bi

进一步地，所述气体传感模块为MQ类气体传感器；所述微处理器芯片为uA级低功耗处理器如MSP430系列；所述无线通讯模块信号传输芯片为NRF24L01、CC2553系列。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

本发明实施例提供的智能口罩解决了现有技术中口罩无法在无需外接电池下对挥发性有毒气体起到时刻保护和预警作用的问题，但依然可能会出现环境温度与体温温差小而引起的发电量不足的问题，本实施案例也提出了双输出通道的升压储能模块的相应解决方案，以应对大多数预想中的情况。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于赛贝克效应的体温自供电口罩的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于赛贝克效应的体温自供电口罩中柔性体温自供电模块的结构框图；

图3为柔性体温自供电模块的组成示意图；

图4为本发明实施例提供的基于赛贝克效应的体温自供电口罩中具体电路工作原理图；

图中：1、柔性体温自供电模块；2、升压储能模块；3、微控制模块；4、气体传感模块；5、无线通讯模块；6、外部设备；11、柔性热电发电器件；12、柔性散热层；13、柔性保温层；21、升压单元；22、储能单元；100、口罩本体。

具体实施方式

实施例：

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接、信号连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

参阅图1-3所示，本实施例提供的基于赛贝克效应的体温自供电口罩，包括口罩本体100，在该口罩本体100内两侧贴面颊部位设置有基于赛贝克效应的柔性体温自供电模块1，该柔性体温自供电模块1和用电器件相连接，以为用电器件的工作提供电量。如此，通过在口罩本体中这种有柔性体温自供电模块1，从而能够将体温与外界之间的温差转换为电能，为应用于人体的可穿戴传感器设备进行供电，实现自供电的智能穿戴检测设备的可能。

具体地，在所述口罩本体内两侧贴面颊部位分布有孔洞，用以装配所述柔性体温自供电模块1；所述柔性体温自供电模1块包括柔性热电发电器件11、柔性散热层12、柔性保温层13；所述柔性热电发电器件11设置于柔性散热层12、柔性保温层13之间，以构成成夹层复式结构；所述柔性保温层13分布于口罩本体内侧，用以与佩戴者面颊皮肤相接触；所述柔性散热层12分布于口罩本体外侧，以和外部环境相接处。也就是说，柔性散热层和柔性保温层分别用于热电发电器件冷端散热和热端保温，分别接触人体皮肤和外部环境，以此产生稳定温差，根据赛贝克效应使得冷热端载流子产生定向运动，以维持一定温差产生稳定电信号输出。

作为本实施例的一种优选，在所述口罩本体中设置有升压储能模块2；所述柔性体温自供电模块1的输出端和升压储能模块的输入端相连，所述升压储能模块2用于将柔性体温自供电模块1所输出的电量进行升压或存储。如此，通过设置有升压储能模块2不但可以实现对柔性体温自供电模块所输出电压进行升压，以满足不同电器元件的工作电压要求，而当电器元件不工作时，柔性体温自供电模块所产生的电量则可以储存起来，以作备用。

作为本实施例的另一种优选，所述升压储能模块2和微控制模块3相连，所述微控制模块3分别和气体传感模块4和无线通讯模块5相连，所述微控制模块3、气体传感模块4和无线通讯模块5均设置在口罩本体上；所述气体传感模块4用于检测空气中的有害气体，当所检测到的有害气体浓度达到微控制模块2所设定的阈值时，通过无线通讯模块5向外部设备6发出报警信号。该外部设备6包括但不限于PC客户端、移动端APP、小程序平台等。如此，即可以达到对周围有害气体的检测报警功能，实现对佩戴者周围的空气环境监测保障使用者的健康。

具体地，上述的升压储能模块2包括升压单元21和储能单元22。由于柔性体温自供电模块1由体温和外界温差采集电压在mV级别，而微控制模块3和无线通讯模块5及气体传感模块4的启动与工作电压通常需要1.8V以上的工作电压，为此引入升压单元21，所述升压单元21输出第一电信号，用以将柔性体温自供电模块所输出的电压升压到目标电压，以使得微控制模块3驱动所述气体传感模块4和无线通讯模块5工作。该储能单元22用于储存柔性体温自供电模块1所输出的电量，所述储能单元22输出第二电信号，当没有稳定的体温温差，柔性体温自供电模块1不能输出稳定电压时，所述储能单元22放电，输出第二电信号，以使所述微控制模块驱动气体传感模块3和无线通讯模块4工作，以保障无温差时突发状况的正常使用。

作为本实施例的再一种优选，所述微控制模块3、升压储能模块2、气体传感模块3均为在柔性基底比如聚酰亚胺或覆铜聚酰亚胺、绝缘树脂材料构成的柔性PCB设计搭建，以实现穿戴方便舒适。

具体地，上述的柔性热电发电器件包括P型与N型材料构成的PN结，由P、N相互交替出现形成串联结构，在一端受热时，吸收热能形成载流子迁移，以此将温差转化为电能实现能量的输出。该P型材料为Bi

在本实施例中，如图3所示，所述气体传感模块6由MQ-7气体传感器J1；所述微处理器模块5由MSP430系列处理器U1振荡电路以及其他配套下载电路构成；所述无线通讯模块7由CC2531通讯模块P1、NRF24L01信号发射端P2、程序烧录接口P3组成；所述升压储能模块3由LTC3108升压芯片U2、第三电容C3、第四电容C4在具体实现时，本实施例中的所述气体传感器芯片U2可以为但不限于MQ7芯片；所述气体检测传感器J1的引脚2连接来自微控制模块的VCC引脚，引脚2接地，引脚2连接微控制模块总输出端，当检测到有毒气体时将所得信息传回微处理模块并触发中断指令，结束低功耗待机状态并通过无线通讯模块向外部设备发出报警指令。所述无线通讯模块P1的引脚1连接至所述微控制模块U1的电压输出端VCC，引脚2经第二电容C2接地，引脚3还分别经第一电容C1、第一电阻R1连接至所述发射端芯片NRF24L01。所述微处理器芯片U1的3、4引脚连接至所述升压储能模块芯片U2的电压输出端、引脚4为总输出端连接至所述气体传感模块7和所述无线通讯模块接口。

在本实施例中，所述升压储能模块第一输出端和第二输出端分别由升压电路和储能电路进行输出。柔性体温自供电模块产生的电流经LTC3108芯片进行升压，并于第四电容C4中储存，当温差充足时由第一输出端为微控制模块供能，当温差不足或无温差时则由第四电容C4经第二输出端放电供能。

在其他一些实施例中，采用微处理模块6根据气体传感模块5采集佩戴者周围环境的气体信号并判断气体成分和浓度的状态；当智能口罩内的气体传感模块5检测到有害气体至一定浓度时，微控制模块7驱动无线通讯系统2工作，将气体传感模块5采集的信息传输至外部通讯设备并报警；当智能口罩佩戴者周围环境气体成分安全时输出第二控制信号，微控制模块驱动无线通讯信号传输信号至外部设备并保持低功耗待机状态。以使微控制模块7在和接收来自气体传感模块的信号控制无线通讯模块准确传达气体信息并保持节省能耗。

综上，本发明实施例提供的智能口罩解决了现有技术中口罩无法对挥发性有毒气体起到无需外接电池、时刻保护和预警作用的问题，但依然可能会出现环境温度与体温温差小而引起的发电量不足的问题，本实施案例也提出了双输出通道的升压储能模块的相应解决方案，以应对大多数预想中的情况。与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、采用高柔性、高性能热电器件、柔性PCB基板搭建设计，实现穿戴方便舒适。

2、采用柔性热电器件，利用人体与环境间温差进行供能，无需外部电源。

3、采用低功耗气体传感器,实现对CO、SO

4、采用蓝牙无线通讯，当进入传感模块中的空气中有害气体浓度达到阈值时，无线通讯模块(包括蓝牙模块)将预警信息发送到手机。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。