一种自供电智能口罩检测装置及方法

技术领域

本发明属于微纳机电系统传感器技术领域，尤其涉及一种自供电智能口罩检测装置及方法。

背景技术

随着新冠病毒在全球的传播，给世界各国人民的生活及国家经济的发展都带来负面的影响。同时因为疫情防控的需要，口罩也似乎成为人民生活中必不可少的一部分，在公共场合都要佩戴口罩。但是当前的口罩功能比较单一，一些人也可能会习惯戴着口罩去进行户外的运动，而长时间佩戴口罩运动可能会缺氧而产生不适感。随着人民群众生活质量的提高，对于自身的健康状况也更加关心，目前各种各样的疾病也层出不穷，每种疾病出现之前都可以通过检查身体的某项指标来进行预防。但目前进行一些身体指标的检测都得去医院或者专业的体检中心，比较费时费力而且价格可能也会很高昂。随着可穿戴技术及柔性传感器的发展出现了许多的便携式检测仪，可以随时随地帮用户进行专业的身体指标检测。但是目前大部分可穿戴设备基本采取锂电池进行供电，需要进行定期的充电或更换。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种自供电智能口罩检测装置及方法，解决了上述问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种自供电智能口罩检测装置，包括口罩主体，还包括：

内层，与口罩主体拆卸连接，用于承载器件；

二氧化碳浓度传感器，嵌入设置在内层上，用于对二氧化碳浓度进行检测；

柔性压力传感器，嵌入设置在内层内，用于获取用户呼吸频率；

气体传感器，嵌入设置在内层上，用于对用户呼出气体成分进行分析；

柔性热电模块，拆卸安装在人体胸部，用于将热能并转化为电能；

柔性光电模块，与口罩主体连接，用于将光能转化为电能；以及

主控模块，与二氧化碳浓度传感器、柔性压力传感器、气体传感器、柔性热电模块以及柔性光电模块连接，用于器件控制以及数据处理。

在上述技术方案的基础上，本发明还提供以下可选技术方案：

进一步的技术方案：所述主控模块包括主控板以及安装在主控板上的主控MCU单元、能量收集及转化电路、无线通信模块、语音播报模块，所述能量收集及转化电路、无线通信模块以及语音播报模块均与所述主控MCU单元连接，所述无线通信模块以及语音播报模块与能量收集及转化模块连接，所述能量收集及转化单元分别通过导线B以及导线C与柔性热电模块以及柔性光电模块连接，所述主控MCU单元通过导线A与二氧化碳浓度传感器、柔性压力传感器以及气体传感器连接，所述主控MCU单元内设有BP神经网络。

进一步的技术方案：所述能量收集与转化电路包括微能量收集存储电路及DC-DC电流转换电路，所述DC-DC电流转换电路与能量收集存储电路连接，所述DC-DC转换电路与无线通信模块、语音播报模块以及主控MCU单元连接，所述能量收集存储电路通过导线B与柔性热电模块连接，所述能量收集存储电路通过导线C与柔性光电模块连接。

进一步的技术方案：所述二氧化碳浓度传感器包括碳酸盐辅助电极、参考电极、敏感电极A、NASICON、Al

进一步的技术方案：所述气体传感器为柔性特殊金属氧化物半导体气体传感器，所述气体传感器包括敏感电极B、加热电极、绝缘层、主体A、微热板以及主体B，所述敏感电极B、加热电极、绝缘层、主体A、微热板以及主体B依次线性配列，所述敏感电极B通过导线A与主控MCU单元连接。

进一步的技术方案：所述柔性压力传感器包括PDMS薄膜、叉指电极、PZT纳米纤维以及PET基底，所述PDMS薄膜、叉指电极、PZT纳米纤维以及PET基底依次线性排列，所述叉指电极通过导线A与主控模块连接。

进一步的技术方案：所述口罩主体上设置有柔性鼻夹，所述柔性鼻夹采用复合型的柔性材料制成。

进一步的技术方案：所述BP神经网络算法包括输入层、隐藏层以及输出层，所述输入层将二氧化碳浓度数据、呼吸率数据作为输入数据并在输出层输出需休息数据输出以及情况正常数据输出。

进一步的技术方案：所述BP神经网络在训练时采用梯度下降法得到目标函数，具体为：数据在正向传播过程中，需要先计算隐藏层输出H，然后再根据输入数据、输入层与隐藏层之间的权值w

其中，j＝1，2，3...；再由隐藏层与输出层的连接权值，w

其中k＝1，2，3...，m；由于输出值与期望值之间存在误差，因此需要误差反向传递，更新权值和阈值，由输出O

e

更新后的两个权值w

其中，i＝1，2，3，...，n，j＝1，2，3，...，l，k＝1，2，3，...，m；η表示学习速率；随后更新阈值：

最后再将阈值更新到神经网络结构中，在重复上述过程，直到误差降到理想范围，就完成了神经网络的训练。

一种自供电智能口罩检测方法，基于上述自供电智能口罩检测装置，包括以下步骤：

S1、将口罩主体正常佩戴在面部，柔性光电模块安装在口罩的外表面，将柔性热电模块安装在用户的胸口部位的一侧，将系统主控模块安装在用户的胸口部位另一侧，并用导线将柔性光电模块、柔性热电模块以及能量收集及转换单元相连接，利用柔性光电模块以及柔性热电模块为主控模块供电；

S2、利用主控模块检测能量收集及转化电路的输出电压是否达到3.3V的正常工作电压，达到后依次利用二氧化碳浓度传感器以及柔性压力传感器采集二氧化碳浓度数据以及呼吸率数据，将上述两项数据输入到预设在主控MCU单元内的BP神经网络中进行运算并判断用户是否需要摘下口罩来做适当休息，如需休息通过语音播报模块进行语音提示；

S3、利用气体传感器采集用户呼出的气体并检测其成分数据，判断用户的健康状况是否异常，若出现异常则通过语音播报模块进行语音提示；

S4、将所有采集到的生理指标数据借助无线通信模块发送到用户的手机APP，APP会将收到的数据做处理后生成每日健康日报，供用户作为自身健康状况的参考；

S5、等待能量收集及转换电路的输出电压达到标准，并重复S1-4的流程。

有益效果

本发明提供了一种自供电智能口罩检测装置及方法，与现有技术相比具备以下有益效果：

1、本发明采用二氧化碳浓度传感器、柔性压力传感器，在主控板的控制下可以获取到用户在佩戴口罩时口罩内的二氧化碳浓度、用户的呼吸率，从而判断用户是否需要摘下口罩进行适当休息，相较于传统的口罩可以提示用户避免长时间佩戴口罩而产生缺氧等不适感，并且搭配语音提示使本发明更具有人性化；

2、本发明采用的柔性特殊金属氧化物半导体气体传感器可以测得用户呼出气体的成分，通过分析气体成分数据可以判断出用户的身体健康状况，相较于传统的检测仪器本发明更加便携；

3、本发明采用的柔性光电模块、柔性热电模块，再搭配系统主板中的能量收集及转换电路使本发明具备自供电能力。相较于传统锂电池的供电方式，本发明不需要定期充电或者更换电池，减少资源的浪费和环境的污染，更增加了本发明的便携性；

4、本发明采用柔性鼻夹，借助柔性纺织材料，本发明相较于传统的口罩佩戴过程中鼻梁部位不会感到压迫，因此具备更多的舒适性；

5、本发明有配套的手机APP，能够将收集到的生理信息数据处理后生成每日健康日报其中包含详细的身体健康状况信息，供用户阅读参照。相较于传统检测仪还需要自己将测得的参数进行对照，本发明检测生理指标信息更加简洁明了。

附图说明

图1为本发明的整体结构框图。

图2为本发明在用户佩戴示意图。

图3为本发明中的二氧化碳浓度传感器内部器件的结构图。

图4为本发明中的柔性特殊金属氧化物半导体气体传感器内部器件结构图。

图5为本发明中的柔性压力传感器内部器件结构图。

图6为本发明中的热电模块内部器件的结构图。

图7为本发明中的热电模块表面材料结构图。

图8为本发明中系统主控MCU单元中部署的BP神经网络结构图。

图9为本发明的整体工作流程图。

附图标记注释：1、口罩主体；2、柔性光电模块；3、导线A；4、主控模块；5、导线B；6、柔性热电模块；7、导线C；8、碳酸盐辅助电极；9、参考电极；10、Al

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，以下结合附图及实施例，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。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。

请参阅图1～9，为本发明一种实施例提供的，一种自供电智能口罩检测装置，包括口罩主体1，还包括：

内层，与口罩主体1拆卸连接，用于承载器件；

二氧化碳浓度传感器，嵌入设置在内层上，用于对二氧化碳浓度进行检测；

柔性压力传感器，嵌入设置在内层内，用于获取用户呼吸频率；

气体传感器，嵌入设置在内层上，用于对用户呼出气体成分进行分析；

柔性热电模块6，拆卸安装在人体胸部，用于将热能并转化为电能；

柔性光电模块2，与口罩主体1连接，用于将光能转化为电能；

主控模块4，与二氧化碳浓度传感器、柔性压力传感器、气体传感器、柔性热电模块6以及柔性光电模块2连接，用于器件控制以及数据处理，所述主控模块4包括主控板以及安装在主控板上的主控MCU单元、能量收集及转化电路、无线通信模块、语音播报模块，所述能量收集及转化电路、无线通信模块以及语音播报模块均与所述主控MCU单元连接，所述无线通信模块以及语音播报模块与能量收集及转化模块连接，所述能量收集及转换电路通过导线B5与柔性热电模块6连接，所述能量收集及转换电路通过导线C7与柔性光电模块2连接，所述主控MCU单元通过导线A3与二氧化碳浓度传感器、柔性压力传感器以及气体传感器连接，所述主控MCU单元内设有BP神经网络。

具体地，所述主控MCU单元采用STM32F407ZGT6芯片作为主控芯片。主要工作为控制其他模块协调整个系统正常工作。

具体地，所述能量收集与转化电路包括微能量收集存储电路及DC-DC电流转换电路，所述DC-DC电流转换电路与能量收集存储电路连接，所述DC-DC转换电路与无线通信模块、语音播报模块以及主控MCU单元连接，所述能量收集存储电路通过导线B5与柔性热电模块6连接，所述能量收集存储电路通过导线C7与柔性光电模块2连接。微能量收集存储电路借助微能量采集芯片及超级电容将能量转换部分输出的电流采集到超级电容中进行存储，所述微能量收集存储电路间歇性工作，而超级电容存储部分接入DC-DC电流转换电路能够保证稳定输出一定电压的电流，为本发明进行供能。

具体地，所述二氧化碳浓度传感器包括碳酸盐辅助电极8、参考电极9、敏感电极A12、NASICON、Al2O3陶瓷管10以及加热线圈11，所述碳酸盐辅助电极8、参考电极9、敏感电极A12、NASICON、Al2O3陶瓷管10均设有两组且呈对称线性排列在加热线圈11两侧，所述碳酸盐辅助电极8通过导线B与主控MCU单元连接(主控模块4连接)。其基本原理是借助NASICON固体电解质内部离子可移动的特性从而作为固体电解质，在加热线圈11将传感器内部温度加热到一定程度后，使敏感电极A12接触大气环境从而使二氧化碳的浓度(或分压)通过电化学反应转变成电信号，可以通过测量由敏感电极A12引出的导线上电信号大小从而获取对应环境中二氧化碳的浓度数值。

具体地，所述气体传感器为柔性特殊金属氧化物半导体气体传感器，所述气体传感器包括敏感电极B13、加热电极14、绝缘层15、主体A16、微热板17以及主体B18，所述敏感电极B13、加热电极14、绝缘层15、主体A16、微热板17以及主体B18依次线性配列，所述敏感电极B13通过导线A3与主控MCU单元连接。本发明中特殊金属氧化物半导体气体传感器的微热板17基底选为Si，主体A16以及主体B18材料采用SiO

具体地，所述柔性压力传感器包括PDMS薄膜19、叉指电极20、PZT纳米纤维21以及PET基底22，所述PDMS薄膜19、叉指电极20、PZT纳米纤维21以及PET基底22依次线性排列，所述叉指电极20通过导线A3与主控MCU单元连接。一般柔性压力传感器的原理就是通过测量输出电极的电信号的大小来表示作用压力的大小。本发明中当柔性压力传感器被作用外力时，纳米纤维会产生形变从而产生电势差，与纳米纤维绑定在一起的叉指电极20就会反映出电势差变化，材料选定后叉指电极20的电势差会随着外力的作用变化而变化，这样就可以检测电极两端电势差大小计算出作用的外力大小。当把柔性传感器置于口罩的合适位置，在用户佩戴后进行呼吸时气流会导致柔性传感器表面不断发生形变，会引起柔性传感器输出电流波形周期性的变化，因此可传感器的输出电流数据转换运算得到用户的呼吸率数据32。

具体地，所述柔性热电模块6包括热电器件26(图中未标出)以及柔性板(图中未标出)，若干个所述热电器件26呈矩形均匀嵌入设置在柔性板上，所述柔性板上连接有柔性高导热率材料27，所述柔性高导热率材料27填充在若干个所述热电器件26之间，若干个所述热电器件26电性连接，所述热电器件26包括集热层23、热电偶24以及散热层25，所述集热层23、热电偶24以及散热层25依次线性排列，所述热电偶24通过导线B5与能量收集及转化电路连接。此种设置的目的在于，吸收人体热能并将其转化为电能并通过导线A3传递给能量收集及转化电路并存储在能量收集及转化电路中的储电模块内，同时填充的柔性高导热材料使整体的导热率更好，更赋予这个模块经久耐用，并且可以弯曲、扭转和拉伸的特性。在拉伸状态下还能保持完整功能因而能够突破皮肤的延展性限制，对于可穿戴电子设备和软体机器人来说提供了非常理想的特性。热电模块发电的原理是塞贝克效应：在导体两端存在温差时，导体内的电子会由热端向冷端运动，并且最后聚集在冷端，从而在导体内部形成电势差，同时在该电势差作用下产生了反向电荷流，当热运动的电荷流与内部的电场达到动态平衡时，半导体两端形成稳定的温差电动势，就可以借助该原理进行发电。在本发明中借助集热层23和散热层25两侧的温度不一形成温差，导致热电偶24两端形成电势差，造成热电偶24两端电离子的流动因而形成电流。当有充足的热电器件26放置在一块材料上时，就会产生足够的电流来满足供电需求。

具体地，所述光电模块为柔性光伏电池材料，其发电原理是光电效应：光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差，从而形成电流。本发明中将光电模块安装在口罩的外表面，将环境中的光能转化为电能，为整个系统进行供电。

具体地，所述无线通信模块，采用市面上主流的低功耗蓝牙模块。它负责将上述传感器采集到的数据发送到用户的手机APP上，APP根据收集到的数据形成每日健康日报，供用户作为日常的健康状况参考。并且该模块功耗比较低适合本发明的应用场景。

具体地，所述语音播报模块，采用市面上主流的低功耗语音播报模块。事先将准备好的语音存储到其中，再借助上述主控MCU单元进行控制，根据主控MCU单元不同的运算结果进行相应的语音提示，来提醒用户当前面临的问题，让用户能及时采取措施来解决问题。该模块同样的特点是低功耗、使用简单，符合本发明的应用场景。

具体地，所述口罩主体1上设置有柔性鼻夹，所述柔性鼻夹采用复合型的柔性材料制成，其材质柔软，不刺激皮肤。可以贴合在口罩鼻夹处，当我们佩戴口罩时就会减少口罩对鼻梁的压迫感，增加佩戴的舒适度。

具体地，所述BP神经网络算法包括输入层28、隐藏层29以及输出层30，所述输入层28将二氧化碳浓度数据31、呼吸率数据32作为输入数据并在输出层30输出需休息数据输出33以及情况正常数据输出34。

具体地，采用BP神经网络对采集到的数据进行运算从而得到用户缺氧状况，所述BP神经网络结构包括输入层28、隐藏层29、输出层30。本发明中将传感器采集到的二氧化碳浓度数据31、呼吸率数据32作为网络的输入，经过整体网络的运算之后得到需休息数据输出33以及情况正常数据输出34，其含义是用户当前状况是否需要摘下口罩进行适当休息。一般都会事先在采集一部分生理数据作为神经网络训练的数据样本，在电脑上搭建并训练好神经网络后移植到主控MCU单元中使用。

具体地，所述BP神经网络在训练时采用梯度下降法得到目标函数，数据在正向传播过程中，需要先计算隐藏层29输出H，然后再根据输入数据、输入层28与隐藏层29之间的权值w

其中，j＝1，2，3...；再由隐藏层29与输出层30的连接权值，w

其中k＝1，2，3...，m；由于输出值与期望值之间存在误差，因此需要误差反向传递，更新权值和阈值，由输出O

e

更新后的两个权值w

其中，i＝1，2，3，...，n，j＝1，2，3，...，l，k＝1，2，3，...，m；η表示学习速率；随后更新阈值：

最后再将阈值更新到神经网络结构中，在重复上述过程，直到误差降到理想范围，就完成了神经网络的训练。实际运用中将相关模型代码文件移植到主控MCU单元并运行，主控MCU单元就会运行起该网络并将实际传感器中采集到的二氧化碳浓度数据31与呼吸率数据32传入，运算后会得到这组数据对应的具体身体状态，实现预先精准判断用户是否即将出现不适感，如果即将产生不适感会执行相关指令发出对应语音提示，提醒用户采取措施来避免该状况，达到所述发明的预期功能。

在本发明实施例中，首先，将口罩主体1正常佩戴在面部，柔性光电模块2安装在口罩的外表面，将柔性热电模块6安装在用户的胸口部位的一侧，将系统主控模块4安装在用户的胸口部位另一侧，并用导线将口罩部分、柔性热电模块6与系统主板相连接；其次，相关人员利用主控模块4检测能量收集及转化电路的输出电压是否达到3.3V的正常工作电压，达到后依次利用二氧化碳浓度传感器以及柔性压力传感器采集二氧化碳浓度数据31以及呼吸率数据32，将上述两项数据输入到预设在主控MCU单元内的BP神经网络中进行运算并判断用户是否需要摘下口罩来做适当休息，如需休息通过语音播报模块进行语音提示；其次，利用气体传感器采集用户呼出的气体并检测其成分数据，判断用户的健康状况是否异常，若出现异常则通过语音播报模块进行语音提示；最后，将所有采集到的生理指标数据借助无线通信模块发送到用户的手机APP，APP会将收到的数据做处理后生成每日健康日报，供用户作为自身健康状况的参考，完成上述工作后，整个系统会在能量收集及转换电路的输出电压达到标准时再次工作，并重复上述流程。

本发明所提及的自供电智能口罩检测装置能够对用户的呼吸频率、呼出气体中二氧化碳浓度以及呼出气体成分进行分析判断用户的身体状况并给予语音提示，同时本发明中的光电模块和热电模块可以将环境中的光能及用户身体上的热能收集转化为电流，经过能量收集及转换电路来为整个系统的工作提供电能，使本发明具备自供电的能力，相较于传统的锂电池供电方式，本发明不需要额外供电，使用起来更加方便。

一种自供电智能口罩检测方法，基于上述自供电智能口罩检测装置，包括以下步骤：

S1、将口罩主体1正常佩戴在面部，柔性光电模块2安装在口罩的外表面，将柔性热电模块6安装在用户的胸口部位的一侧，将系统主控模块4安装在用户的胸口部位另一侧，并用导线将柔性光电模块2、柔性热电模块6以及能量收集及转换单元(主控模块4)相连接，利用柔性光电模块2以及柔性热电模块6为主控模块4供电；

S2、利用主控模块4检测能量收集及转化电路的输出电压是否达到3.3V的正常工作电压，达到后依次利用二氧化碳浓度传感器以及柔性压力传感器采集二氧化碳浓度数据31以及呼吸率数据32，将上述两项数据输入到预设在主控MCU单元内的BP神经网络中进行运算并判断用户是否需要摘下口罩来做适当休息，如需休息通过语音播报模块进行语音提示；

S3、利用气体传感器采集用户呼出的气体并检测其成分数据，判断用户的健康状况是否异常，若出现异常则通过语音播报模块进行语音提示；

S4、将所有采集到的生理指标数据借助无线通信模块发送到用户的手机APP，APP会将收到的数据做处理后生成每日健康日报，供用户作为自身健康状况的参考；

S5、等待能量收集及转换电路的输出电压达到标准，并重复S1-4的流程。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性地包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。