0  引言

當(dāng)前,，隨著我國經(jīng)濟的高速持續(xù)發(fā)展,，日益惡劣的空氣質(zhì)量給廣大人民的工作和生活帶來不便,甚至嚴(yán)重威脅人們的健康。我國已經(jīng)有許多城市出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的霧霾,，在大街上也有越來越多的人穿戴口罩出門,，目前市面上的口罩大多只有防霧霾功能一種，并且不會把人們呼出的廢氣及時地排出保持空氣流通,。調(diào)查發(fā)現(xiàn),，許多人在穿戴口罩時接聽電話會對通話質(zhì)量有一定影響。為了消除這一影響,，人們或者選擇提高音量,，或者選擇摘下口罩。而且許多年輕人在穿戴口罩的同時還有使用耳機聽音樂的習(xí)慣,。無論是使用藍(lán)牙耳機還是有線耳機,，它們都有各自的弊端。人們在使用無線藍(lán)牙耳機時會有耳機丟失的擔(dān)憂,；在使用有線耳機時又會有耳機線纏繞帶來的煩惱,。為此，本文設(shè)計了一種防霧霾的智能口罩,，擬解決上述的問題,，并給使用者創(chuàng)造一種新的實用型口罩體驗,。

1  系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)成部分

智能口罩主要由PCB主控板、電源,、風(fēng)扇,、麥克風(fēng),、耳機,、口罩和可更換濾芯組成，如圖1所示,。

智能口罩以PCB主控板為核心,，包括藍(lán)牙控制模塊、電源模塊和風(fēng)扇及按鍵,。使用者在穿戴口罩后開啟電源,，系統(tǒng)啟動并與移動端通過藍(lán)牙連接，風(fēng)扇開啟主動排氣,，能夠把口罩內(nèi)呼出的廢氣全部排掉,，促進新鮮空氣從其他方向經(jīng)過濾片過濾后流進，以達(dá)到持續(xù)新風(fēng)的目的,。在口罩外部嵌入有高拾音的麥克風(fēng)和高品質(zhì)的耳機,，使用者在防霧霾的同時也能享受到動聽的音樂，在通話時也可以有更好的通話質(zhì)量,。另外為口罩專配有長度較短的高品質(zhì)耳機從而解決了耳機線纏繞帶來的煩惱,。整個系統(tǒng)均安裝在口罩右外側(cè)，在右外側(cè)開了一個2 cm²的小口并將風(fēng)扇嵌入密閉,，由于盡量采用較小的器件,，減少不必要的配件，最后將整個系統(tǒng)安裝在口罩上后,，并不會影響到使用者的舒適度,。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計的可行性對比分析

與當(dāng)前流行的口罩相比，該智能口罩在以下兩個方面具有明顯的優(yōu)勢：一是具有風(fēng)扇支持的空氣循環(huán)系統(tǒng),，可以給用戶更舒適的體驗,；二是具有藍(lán)牙功能，可以支持藍(lán)牙接聽電話和播放音樂,，可以給用戶更全面的實用體驗,。文獻［1］采用了防霧霾面罩，同時也有風(fēng)扇循環(huán)口罩內(nèi)空氣,，但并未整合藍(lán)牙,，不能接聽電話和播放音樂。文獻［2］結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，生產(chǎn)成本過高,。

2  硬件電路設(shè)計

2.1 C8051F020介紹

C8051F020的內(nèi)部電路包括CIP-51微控制器內(nèi)核及RAM,、ROM、I/O口,、定時/計數(shù)器,、ADC、DAC,、SPI和SMBus等部件,，即把計算機的基本組成單元以及模擬和數(shù)字外設(shè)集成在一個芯片上，構(gòu)成一個完整的片上系統(tǒng),。雖然其與80C51在指令系統(tǒng)上完全一樣,，但是其在運行速度、I/O端口配置方式,、內(nèi)部功能和外部接口上都有著很大程度的改進和提高,，從而廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集,、網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域^［3］,。

2.2 藍(lán)牙控制模塊

藍(lán)牙控制模塊電路圖如圖2所示。藍(lán)牙控制模塊主要由藍(lán)牙芯片,、音頻輸出部分和音頻獲取部分組成,。藍(lán)牙芯片選用BEKEN的BK8000L芯片^［4-5］，該塊芯片不僅具有成本低,、性價比高的優(yōu)點,，還為藍(lán)牙模塊提供了更高品質(zhì)的音樂和兼容性。該芯片的藍(lán)牙規(guī)格為Bluetooth2.0,。出于耳機功率放大的考慮,，選用了TPA6132芯片，該芯片為一款立體聲耳機放大器,。其特點是無需使用外部直流阻隔電容器,，擁有卓越的低頻保真度，并能抑制喀噠/噼啪噪聲,。為了能識別藍(lán)牙連接狀態(tài),，設(shè)計了一藍(lán)一紅兩個LED(D2、D3),，當(dāng)兩燈交替閃爍時表示藍(lán)牙未連接并正在嘗試連接,，當(dāng)藍(lán)牙已連接時，藍(lán)燈慢閃,。S6-S10為藍(lán)牙的控制按鍵,，在播放音樂時分別控制音樂的上一曲、下一曲、音量增,、音量減,、播放與暫停功能；來電時由播放與暫停鍵負(fù)責(zé)接聽功能,，并由播放與接聽鍵負(fù)責(zé)語音監(jiān)聽的開啟,。C13-C25起到隔絕直流噪聲的作用。耳機功放電路如圖3所示,。

2.3 風(fēng)扇,、按鍵及LED

口罩右部嵌有微型風(fēng)扇，采用+5 V驅(qū)動,。此風(fēng)扇用戶將使用者呼出的廢氣排出,，起到清新空氣的作用。PCB主控板內(nèi)具有5個按鍵與2個LED,。所有的按鍵及LED都集成在PCB主控板上，其中有5個按鍵位于藍(lán)牙控制模塊,，分別為上一曲,、下一曲、音量增,、音量減和暫停/接通^［6］,，其中暫停按鍵兼具接通鍵和語音監(jiān)聽，會自動根據(jù)場景選擇不同功能,。其余5個用于單片機的控制,，最后4個作為PCB主控板的外圍控件，用于以后的功能擴展,。一個LED燈作為系統(tǒng)啟動指示燈,，在通電開啟時保持常亮。此LED指示PCB主控板是否工作,，為了降低功耗,，另外兩個LED燈（一藍(lán)一紅）作為連接藍(lán)牙芯片指示燈，在藍(lán)牙未連接（即搜索狀態(tài)）時兩燈交替閃爍,，當(dāng)藍(lán)牙連接上時轉(zhuǎn)換為一個藍(lán)燈慢閃爍,。將常亮的藍(lán)牙指示燈變?yōu)殚W爍式的指示燈可以有效地減少能源的消耗。

2.4 電源模塊

智能口罩的電源模塊負(fù)責(zé)風(fēng)扇的驅(qū)動和PCB主控板的電源供給,，電源模塊采用+5 V的直流電源,，在向PCB主控板供電時，為了盡可能減少功耗,，一是通過降低電壓可以成平方級別地降低電能消耗,，所以采用AMS111芯片將+5 V轉(zhuǎn)變?yōu)?3.3 V，該芯片輸出電流為100 mA；二是可以進行手動控制風(fēng)扇的開啟與關(guān)閉,，減少電能消耗,；三是將藍(lán)牙連接狀態(tài)指示燈設(shè)計成慢閃形式，摒棄長亮模式從而減少功耗,。以上三點均為低功耗設(shè)計,。考慮到口罩需要頻繁使用,，在電源模塊內(nèi)有USB接口的充電模塊,，能夠為口罩提供續(xù)航。5 V轉(zhuǎn)3.3 V電源轉(zhuǎn)換電路如圖4所示,。

3  系統(tǒng)軟件設(shè)計

PCB主控板軟件流程圖如圖5所示,，PCB主控板開啟后，首先進行晶振初始化,、引腳初始化和串口初始化與使能,。之后程序進入循環(huán)，對按鍵的觸發(fā)做出響應(yīng),，當(dāng)有按鍵按下時,，會對按鍵進行識別，當(dāng)識別為語音按鍵時,，系統(tǒng)會先發(fā)送SPP數(shù)傳開啟指令給移動端開啟數(shù)據(jù)傳輸,，之后若有數(shù)據(jù)從移動端通過藍(lán)牙發(fā)送過來，藍(lán)牙會將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給單片機,，此時會引起串口中斷,，串口中斷時會引起程序中斷并執(zhí)行串口中斷子程序^［7］。該程序會將發(fā)送過來的數(shù)據(jù)以字節(jié)的形式全部接收并保存,，退出子程序后會繼續(xù)主程序的執(zhí)行,，主程序?qū)⒈４娴臄?shù)據(jù)進行解析，通過解析提取里面的有用信息,，若有用信息有與之對應(yīng)的指令,，則執(zhí)行指令完成語音控制；當(dāng)識別為風(fēng)扇控制按鍵時,，按鍵按下會把控制開關(guān)倒置達(dá)到控制風(fēng)扇開閉的效果,。

4  實驗驗證

在系統(tǒng)完成后，進行了一系列的實驗驗證,。完成后的口罩如圖6所示,。分別對通風(fēng)情況、藍(lán)牙連接情況,、音樂播放效果和麥克風(fēng)通信等功能進行了驗證,。實驗結(jié)果表明:使用者對通風(fēng)效果給予了高度評價，藍(lán)牙連接的成功率非常高，只需一次手動連接,，之后便可以自動連接且不會發(fā)生連接中斷的情況,，移動端音樂播放后使用者可以通過耳機聽到高品質(zhì)的音樂，用戶體驗較好,。最后驗證了藍(lán)牙連接下的通話質(zhì)量,，結(jié)果表明此系統(tǒng)完全支持正常的通話。

5  結(jié)論

本文設(shè)計了一種防霧霾的智能口罩,。該系統(tǒng)由移動端,、PCB主控板、風(fēng)扇,、麥克風(fēng),、電源和耳機等部件組成。本文給出了整體結(jié)構(gòu)圖,，并對該系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計等難點進行了必要的闡述說明,，在硬件中選擇了易于調(diào)試的CF8051F020單片機模塊和BK8000L藍(lán)牙芯片。該智能口罩一方面可以有效地防止霧霾,，并排出呼出的廢氣給使用者更舒適的新風(fēng)體驗,；另一方面可實現(xiàn)更加可靠的通話指令和更舒適的音樂享受。本系統(tǒng)因其基本脫離了對手部的過分依賴,，適合于很多場景，例如手腳不便的殘障人士,、正在駕駛的快遞人員等,，因此具有較好的實用性^［8］。

參考文獻

［1］ 關(guān)天屹.一種新型智能霧霾口罩的設(shè)計［J］.工業(yè)控制計算機,2017,30(11):95-96,，99. 

［2］ 白喜宗.一種用于防塵防霧霾的音樂隨行智能新風(fēng)口罩:中國,，CN201710547323.6［P］.2017-09-19. 

［3］ 周時偉，謝維波. 基于Android的智能家居終端設(shè)計與實現(xiàn)［J］. 微型機與應(yīng)用,，2012,，31(14):10-13. 

［4］ 羅成立，張潔,，賴增桂. 基于語音識別及藍(lán)牙的“無糾纏”家居系統(tǒng)［J］. 福建電腦,，2016，32(3):30-31,，35. 

［5］ 黃輝健,，程良鴻，黃明杰,，等. 基于語音識別的家居控制系統(tǒng)設(shè)計［J］. 無線互聯(lián)科技,，2014(3):57-58.

［6］ 張燕紅. 藍(lán)牙技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)，2003. 

［7］ 熊獅，吳效明.基于Android系統(tǒng)的生理數(shù)據(jù)藍(lán)牙傳輸技術(shù)［J］. 中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志,，2012,，29(6):3801-3803. 

［8］ 張馳程，周淵平. 基于Android的藍(lán)牙通信頭盔應(yīng)用［J］. 計算機系統(tǒng)應(yīng)用,，2017,，26(2):37-42.

（收稿日期：2018-04-24）

作者簡介：

徐磊（1994-），男,，碩士研究生,，主要研究方向：信號與信息處理。

周淵平（1955-）,，男,，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：通信與信息系統(tǒng),、信號與信息處理,。 

黃思遠(yuǎn)（1994-），男,，碩士研究生,，主要研究方向：信號與信息處理。