一种带PM2.5传感器的云口罩

摘要

本发明涉及日常生活用品技术领域，具体来说是一种带PM2.5传感器的云口罩，包括面盖、滤棉、外壳、后盖及硅胶罩，外壳中部开设有通孔，通孔两端分别设有卡扣，滤棉盖与外壳通过卡扣相连接，滤棉夹在滤棉盖与外壳之间的凹槽里形成过滤层，面盖罩于滤棉盖前端并与外壳通过磁铁相连，外壳左右两侧分别设有通过耳挂控制的拉力开关，外壳后部设有后盖，后盖中部装设有风扇作为通风口，风扇下方装有PM2.5传感器，后盖后端卡紧有带有呼吸阀的硅胶罩。本装置具有空气净化，强化除尘、杀菌除味、辅助呼吸、强效过滤的功能，并能实时实地对空气质量进行检测的带PM2.5传感器的云口罩。

权利要求

1.一种带PM2.5传感器的云口罩，包括面盖、滤棉、外壳、后盖及硅胶罩，其特征在于所述的外壳中部开设有通孔，通孔两端分别设有卡扣，滤棉盖与外壳通过卡扣相连接，滤棉夹在滤棉盖与外壳之间的凹槽里形成过滤层，所述的面盖罩于滤棉盖前端并与外壳通过磁铁相连，外壳左右两侧分别设有通过耳挂控制的拉力开关，外壳后部设有后盖，后盖中部装设有风扇作为通风口，风扇两侧分别设有PCB电路板及电池，所述的PCB电路板上集成有蓝牙及水离子组件，风扇下方装有PM2.5传感器，所述的后盖后端卡紧有带有呼吸阀的硅胶罩，所述的PM2.5传感器包括一气室、激光发生器和PCB电路板，气室上部和下部分别设有进气口和出气口，气室一侧设有激光发生器和光阑，激光发生器发射激光作为光源，沿激光束在光阑内腔的进光侧及出光侧分别设有开孔，气室另一侧与光陷阱相接，光陷阱前端呈锥形，形成锥度为38°为锥形结构，使经过采样区的激光束在锥形结构内产生折射消除，经过光阑过滤杂散光后的激光束进入气室内的采样区，当有颗粒物通过进气口时会发生光散射现象，散射的光强与PM2.5浓度呈线性关系，PCB电路板上的光电二极管将采样区内的光强转换为随浓度变化脉冲电压信号，再经过信号甄别与筛选电路得出稳定的脉冲电信号，并传输给信号采集及无线发射电路进行数据采集及发送，所述的拉力开关设置于外壳上，外壳左右两侧分别设有耳挂，耳挂连接一可弹性拉伸的系带，所述的系带连接拨动开关，拨动开关设置于外壳内的PCB电路板上，PCB电路板连接至电池，PCB电路板下部设有压板，压板压紧PCB电路板将其固定，所述的压板通过螺丝旋紧在外壳上，同时螺丝穿过弹簧从而将弹簧固定在压板上，所述的弹簧一端连接拨动开关，弹簧的另一端固定在压板上。

2.如权利要求1所述的一种带PM2.5传感器的云口罩，其特征在于所述的信号采集及无线发射电路由芯片U4控制，信号采集及无线发射电路集成于PCB电路板上，芯片U4的1号管脚接电阻R6后接至三极管Q1的基极，三极管Q1的集电极接激光三极管D3后接5V电源，芯片U4通过控制三极管Q1控制激光发射，使得激光管能够按照一定的频率进行输出，三极管Q1的发射极接地，该芯片U4采用BLE-M蓝牙芯片，该芯片内带有AD转换功能，其由8号管脚VCC端接3.3V低电平供电，芯片U4的15号管脚接有天线用以进行无线数据发送，芯片U4的12号管脚连接至信号甄别与筛选电路。

3.如权利要求2所述的一种带PM2.5传感器的云口罩，其特征在于所述的信号甄别与筛选电路由芯片U3控制，信号甄别与筛选电路集成于PCB电路板上，芯片U3的7号管脚与6号管脚之间接有电阻R3，另抽出一端连接电阻R4后接地，芯片U3的5号管脚与2号管脚之间接有电阻R5，芯片U3的2号管脚与1号管脚并联后接电容C6后接地，芯片U3的3号管脚接光电二极管D2的正极，光电二极管D2的负极接地，光电二极管D2将激光二极管D3发射的激光信号转换为随浓度变化脉冲电压信号，通过芯片U3的7号管脚将数据传输至芯片U4的12号管脚，并抽出一端接电容C7滤波。

4.如权利要求1所述的一种带PM2.5传感器的云口罩，其特征在于所述的水离子组件带有针状电极，针状电极由电池进行供电，在高压放电的作用下对人体呼出的气体中的水蒸气进行高压电离，形成纳米尺寸带负电的水微粒。

5.如权利要求1所述的一种带PM2.5传感器的云口罩，其特征在于所述的蓝牙采用蓝牙

4.0，PM2.5传感器通过PCB电路板与蓝牙4.0进行数据传输实时实地的PM2.5数值。

说明书

一种带PM2.5传感器的云口罩

[技术领域]

[0001] 本发明涉及日常生活用品技术领域，具体来说是一种带PM2.5传感器的云口罩。[背景技术]

[0002] 目前市场上的防护口罩有卡通棉布口罩、普通脱脂纱布口罩、一次性无纺布口罩、活性炭口罩、工业用防尘口罩、PM2.5口罩等。

[0003] (一)棉布类口罩：基本上只具备防寒保暖功能，口罩表面孔隙较大，无法抵挡粒径只有2.5微米的颗粒物，且部分棉布口罩气流阻力较大，人在佩戴后易造成呼吸困难；

[0004] (二)纱布口罩：孔隙较大，且鼻孔两侧密合性较差，纱布口罩通过一层一层的机械阻挡，可以把较大的颗粒物阻挡住，但对PM2.5的颗粒物无效，越厚的口罩透气性越差，如果不注意卫生，还会滋生细菌；

[0005] (三)活性炭口罩：由于活性炭有去除异味的作用，但对颗粒物的防护效率并没有明显增强；同时，活性炭自身也是一种颗粒，有可能被佩戴者吸入体内，对患有慢性呼吸道疾病的患者或体弱者来说反而是一种危害；

[0006] (四)一次性口罩主要是针对呼出的气体进行过滤，防止医患之间的感染，口罩边缘也非契合脸形设计，大多数情况下只能起到遮挡作用，并不能有效抵御PM2.5颗粒物。

[0007] (五)工业防尘口罩过滤效率达到90％以上，对PM2.5颗粒物有较好的防护效果，为降低呼气时的阻力，有的还配有呼气阀。

[0008] (六)PM2.5防护口罩：针对PM2.5颗粒物的防护口罩，由于我国目前还没有出台民用口罩标准，市场上的PM2.5口罩质量参差不齐。PM2.5的防护口罩分为用即弃式口罩和滤芯式口罩两大类。用即弃式口罩卫生方便，一次性使用，不能清洗，消耗多，每天使用价格昂贵；滤芯式口罩可多次更换滤芯，可以清洗。PM2.5口罩的防护原理是通过对超细但非织造布表面进行静电驻极，使其表面产生微静电场，过滤材料的孔隙就像无数个无源集尘电极，当气流中的亚微米级颗粒(包括PM2.5颗粒)通过材料的空隙时，就在电场力的作用下被捕获，

[0009] 传统口罩产品孔隙较大，无法抵挡粒径只有2.5微米的颗粒物，且部分棉布口罩气流阻力较大，人在佩戴后易造成呼吸困难，如果不注意卫生，还会滋生细菌，从而对患有慢性呼吸道疾病的患者或体弱者的身体造成危害。而现有市场上的工业口罩和PM2.5口罩产品主要存在过滤效率底下，透气性差，佩戴密合度差、过滤材料上容易滋生有害微生物，存在二次污等染问题，而且还无法杀灭人体自身呼出气体中的有害菌。[发明内容]

[0010] 本发明打破了传统口罩的固有模式，针对传统口罩及新型的PM2.5口罩的上述问题，设计一种具有空气净化、辅助呼吸、强效过滤、实时实地对空气质量进行检测的带PM2.5传感器的云口罩。

[0011] 针对上述问题，设计一种带PM2.5传感器的云口罩，包括面盖、滤棉、外壳、后盖及硅胶罩，所述的外壳中部开设有通孔，通孔两端分别设有卡扣，滤棉盖与外壳通过卡扣相连接，滤棉夹在滤棉盖与外壳之间的凹槽里形成过滤层，所述的面盖罩于滤棉盖前端并与外壳通过磁铁相连，外壳左右两侧分别设有通过耳挂控制的拉力开关，外壳后部设有后盖，后盖中部装设有风扇作为通风口，风扇两侧分别设有PCB电路板及电池，所述的PCB电路板上集成有蓝牙及水离子组件，风扇下方装有PM2.5传感器，所述的后盖后端卡紧有带有呼吸阀的硅胶罩。

[0012] 所述的PM2.5传感器包括一气室、激光发生器和PCB电路板，气室上部和下部分别设有进气口和出气口，气室一侧设有激光发生器和光阑，激光发生器发射激光作为光源，沿激光束在光阑内腔的进光侧及出光侧分别设有开孔，气室另一侧与光陷阱相接，光陷阱前端呈锥形，形成锥度为38°为锥形结构，使经过采样区的激光束在锥形结构内产生折射消除，经过光阑过滤杂散光后的激光束进入气室内的采样区，当有颗粒物通过进气口时会发生光散射现象，散射的光强与PM2.5浓度呈线性关系，PCB电路板上的光电二极管将采样区内的光强转换为随浓度变化脉冲电压信号，再经过信号甄别与筛选电路得出稳定的脉冲电信号，并传输给信号采集及无线发射电路进行数据采集及发送。

[0013] 所述的信号采集及无线发射电路由芯片U4控制，信号采集及无线发射电路集成于PCB电路板上，芯片U4的1号管脚接电阻R6后接至三极管Q1的基极，三极管Q1的集电极接激光三极管D3后接5V电源，芯片U4通过控制三极管Q1控制激光发射，使得激光管能够按照一定的频率进行输出，三极管Q1的发射极接地，该芯片U4采用BLE-M蓝牙芯片，该芯片内带有AD转换功能，其由8号管脚VCC端接3.3V低电平供电，芯片U4的15号管脚接有天线用以进行无线数据发送，芯片U4的12号管脚连接至信号甄别与筛选电路。

[0014] 所述的信号甄别与筛选电路由芯片U3控制，信号甄别与筛选电路集成于PCB电路板上，芯片U3的7号管脚与6号管脚之间接有电阻R3，另抽出一端连接电阻R4后接地，芯片U3的5号管脚与2号管脚之间接有电阻R5，芯片U3的2号管脚与1号管脚并联后接电容C6后接地，芯片U3的3号管脚接光电二极管D2的正极，光电二极管D2的负极接地，光电二极管D2将激光二极管D3发射的激光信号转换为随浓度变化脉冲电压信号，通过芯片U3的7号管脚将数据传输至芯片U4的12号管脚，并抽出一端接电容C7滤波。

[0015] 所述的拉力开关设置于外壳上，外壳左右两侧分别设有耳挂，耳挂连接一可弹性拉伸的系带，所述的系带连接拨动开关，拨动开关设置于外壳内的PCB电路板上，PCB电路板连接至电池，PCB电路板下部设有压板，压板压紧PCB电路板将其固定，所述的压板通过螺丝旋紧在外壳上，同时螺丝穿过弹簧从而将弹簧固定在压板上，所述的弹簧一端连接拨动开关，弹簧的另一端固定在压板上。

[0016] 所述的水离子组件带有针状电极，针状电极由电池进行供电，在高压放电的作用下对人体呼出的气体中的水蒸气进行高压电离，形成纳米尺寸带负电的水微粒。

[0017] 所述的蓝牙采用蓝牙4.0，PM2.5传感器通过PCB电路板与蓝牙4.0进行数据传输实时实地的PM2.5数值。

[0018] 本发明同现有技术相比，其优点在于：

[0019] 1.采用一个云口罩配套多个防霾过滤棉和多个活性炭过滤棉，可以很方便的更换滤棉，以适应不同的环境需求，防霾过滤棉可有效过滤PM2.5颗粒物，活性炭过滤棉可过滤甲醛、苯等有害气体，创新环保，降低了消费者的使用成本；

[0020] 2.设计了新颖的PM2.5传感器，利用光散射原理，以激光作为光源，使杂散光通过光阑过滤，经电路板上的信号甄别与筛选电路将杂散光的浓度检测转换为随浓度变化脉冲电压信号，并利用信号采集及无线发射电路进行数据交换，采集的空气中PM2.5的数据精度高；

[0021] 3.本品面盖部分采用悬浮式进风口设计，减缓空气对口罩的直接撞击，尤其是湿度较高的天气，整个口罩材料采用食品等级塑料及硅胶材质，便于清理，佩戴舒适，硅胶罩的流线造型减少最大的风阻，造型轻便，能与人体面部达到较好的结合，保证了佩戴者的舒适性；

[0022] 4.带有水离子组件，利用纳米水离子技术来抑制病菌、霉菌和过敏源，来改善空气质量维护人们的健康，将水离子直接释放到口罩腔内部，不但可以实现杀灭口罩外部进入的细菌，还可以杀灭人体呼出的气体中携带的有害菌；

[0023] 5.在后盖上设有风机，通过风机的抽吸有利于外界新风的顺利吸入和将人体呼出的湿污废气及时从口罩主体内排出罩外，避免因过滤层过密而造成的空气流入孔吸入阻力过大，空气流通不畅，罩内污浊湿气滞留的不适感觉；

[0024] 6.采用科学的拉力开关，系带可按需要自行调节松紧，并控制口罩的开关状态间的切换，佩戴时开启，取下时断电，节能，方便快捷。[附图说明]

[0025] 图1为本发明的云口罩结构示意图；

[0026] 图2是本发明的云口罩组合示意图；

[0027] 图3是本发明中PM2.5传感器的结构示意图；

[0028] 图4是本发明中PM2.5传感器电路结构连接示意图；

[0029] 图5是本发明中信号采集及无线发射电路图；

[0030] 图6是发明中信号甄别与筛选电路图；

[0031] 图7是本发明中拉力开关的结构示意图；

[0032] 图中：1.面盖 2.滤棉盖 3.滤棉 4.外壳 5.耳挂 6.PM2.5传感器 7.后盖 8.电池 9.呼吸阀 10.硅胶罩 11.拉力开关 12.风扇 13.蓝牙 14.水离子 15.PCB电路板 16.出气口 17.激光发生器 18.光阑 19.进气口 20.光陷阱 21.系带 22.耳挂 23.弹簧 24.螺丝 
25.压板。
[具体实施方式]

[0033] 下面结合附图对本发明作进一步说明，这种装置的结构和原理对本专业的人来说是非常清楚的。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。

[0034] 实施例1

[0035] 本装置的结构图参见图1及图2，本口罩包括面盖、滤棉、外壳、后盖及硅胶罩，外壳中部开设有通孔，通孔两端分别设有卡扣，滤棉盖与外壳通过卡扣相连接，滤棉夹在滤棉盖与外壳之间的凹槽里形成过滤层，面盖罩于滤棉盖前端并与外壳通过磁铁相连。一个云口罩可配套多个、多种滤棉，可以很方便的更换滤棉，以适应不同的环境需求，即1个云口罩配送多个防霾过滤棉和多个活性炭过滤棉，防霾过滤棉可有效过滤PM2.5颗粒物，采用符合N95标准的过滤棉；活性炭过滤棉可过滤甲醛、苯有害气体，充分优化消费者的使用成本，更加贴合消费者的消费需求。面盖部分采用悬浮式进风口设计，减缓空气对口罩的直接撞击，尤其是湿度较高的天气。

[0036] 本装置在云口罩配有内置硅胶垫，其采用的是新型环保材料，通过硅胶罩对面部差异化进行调节，在不用过分勒紧口罩带的前提下，就可以与人体面部达到较好的结合，保证了佩戴者的舒适性。将鼻梁条置于口罩罩体内，并轻轻贴合鼻梁，从结构上分散了口罩自身重量给耳朵带来的部分压力，杜绝了佩戴时间久而引起的耳根不适。同时后盖卡紧有带有呼吸阀的硅胶罩，使用专用防雾汽硅胶罩,在进一步增加口罩气密性同时，还有效解决了戴眼镜人士冬季因戴口罩而引起雾汽的问题，它柔软的质地也为佩戴者提供进一步的安全。

[0037] 外壳左右两侧分别设有带有拉力开关的耳挂，见图1及图7，耳挂连接一可弹性拉伸的系带，系带连接拨动开关，拨动开关设置于外壳内的PCB电路板上，PCB电路板连接至电池，PCB电路板下部设有压板，压板压紧PCB电路板将其固定，压板通过螺丝旋紧在外壳上，同时螺丝穿过弹簧从而将弹簧固定在压板上，弹簧一端连接拨动开关，弹簧的另一端固定在压板上。系带可按需要自行调节松紧，并控制口罩的开关状态间的切换。系带一端连接在耳挂上，耳挂与拨动开关相连，波动开关下有弹簧固定，当使用者调节好系带松紧后，将系带钩挂在耳朵上时，系带拉紧，拨动开关开启，弹簧被压缩收紧，当使用者除下口罩时，系带放松，弹簧被释放弹起从而波动开关关闭。

[0038] 外壳后部设有后盖，后盖中部装设有风扇作为通风口。风扇采用微型风机，通过风机的抽吸有利于外界新风的顺利吸入和将人体呼出的湿污废气及时从口罩主体内排出罩外，避免因过滤层过密而造成的空气流入孔吸入阻力过大，空气流通不畅，罩内污浊湿气滞留的不适感觉。

[0039] 风扇两侧分别设有PCB电路板及电池，风扇下方装有PM2.5传感器。PM2.5传感器包括一气室、激光发生器和电路板，PM2.5传感器的细节图见图3，气室上部和下部分别设有进气口和出气口，气室一侧设有激光发生器和光阑，气室另一侧设有光陷阱，激光发生器发射激光作为光源，利用光散射原理，当有颗粒物通过进气口时会发生光散射现象，散射的光强与PM2.5浓度呈线性关系，通过光电二极管的检测转换为随浓度变化脉冲电压信号再经过信号甄别与筛选电路得出稳定的脉冲电信号，并传输给信号采集及无线发射电路进行数据采集及发送。根据采集的脉冲数按照给定的采样周期进行数值的转换，通过采集到的数值按照16进制的格式向手机端进行发送，最后由APP端接收相关的数据，得到实时的PM2.5浓度值。

[0040] 对于光阑结构，在光阑内腔的进光侧及出光侧分别设有开孔，主要的作用为：进光侧的开孔将较多的杂散光予以滤除，再经过出光侧的开孔滤除少量的杂散光，这样就使得光线全部予以滤除，经过这一系列调整，采集到的数据基本上能够与标准仪器对上号。

[0041] 经过采集后的激光束需及时的发射出去，不会影响到内部光线的采样，因此，特设计了呈锥形结构的光陷阱，此前本设计中是将激光束打到空气中，也就是通过开孔的方式，但是自然光能够通过小孔进入到采样区，造成了数据的不准确，由于光陷阱的前端呈锥形，使发射出来的激光束在锥形结构内产生折射，从而避免了光线对采样区的干扰，同时为了能够使激光束正好发生折射消除，将锥形结构的锥度定为38°左右。

[0042] PCB电路板上集成有蓝牙、水离子组件及相应控制传感器工作的若干电路，包括电源转换电路、信号采集及无线发射电路、运算放大电路、信号甄别与筛选电路等，电路连接示意图参见图4。其中电源转换电路是将输入的电压至各个芯片的工作电压作为供电电源，由于本装置中的电源转换电路多采用本技术领域的公知电路，在此不做赘述，以下对本装置中光学电路部分进行着重描述，光学电路部分主要包括电路信号采集及无线发射电路、信号甄别与筛选电路。

[0043] 信号采集及无线发射电路的电路原理图参见图5，主要由芯片U4控制，芯片U4采用BLE-M蓝牙芯片，BLE-M内部自带AD转换，通过自带的AD转换功能可以省去AD转换芯片，使得电路更加的简洁，其电路的具体连接结构为：芯片U4的1号管脚接电阻R6后接至三极管Q1的基极，三极管Q1的集电极接激光三极管D3后接5V电源，芯片U4通过控制三极管Q1控制激光发射，使得激光管能够按照一定的频率进行输出，实现低功耗的要求，三极管Q1的发射极接地，该芯片由8号管脚VCC端接3.3V低电平供电，芯片U4的15号管脚接有天线用以进行无线数据发送，芯片U4的12号管脚连接至信号甄别与筛选电路。

[0044] 信号甄别与筛选电路的电路原理图参见图6，该电路由芯片U3控制，芯片U3的7号管脚与6号管脚之间接有电阻R3，另抽出一端连接电阻R4后接地，芯片U3的5号管脚与2号管脚之间接有电阻R5，芯片U3的2号管脚与1号管脚并联后接电容C6后接地，芯片U3的3号管脚接光电二极管D2的正极，光电二极管D2的负极接地，光电二极管D2将激光二极管D3发射的激光信号转换为随浓度变化脉冲电压信号，取PM2.5通道数值，通过芯片U3的7号管脚将数据传输至芯片U4的12号管脚，并抽出一端接电容C7滤波。

[0045] 本装置带有水离子组件来抑制病菌、霉菌和过敏源，来改善空气质量维护人们的健康，水离子组件是通过水的特质能够对细菌、粉尘、甲醛等空气杂质、有害物质进行主动清除。水离子组件带有针状电极，针状电极由电池进行供电，在高压放电的作用下对人体呼出的气体中的水蒸气进行高压电离，形成纳米尺寸带负电的水微粒，带电离子能够除菌，并吸附在粉尘表面能够帮助过滤网吸附细微粉尘颗粒。针状电极在高压放电的作用下，将水分逐步分裂成水雾，最终形成纳米尺寸带负电的水微粒，直径大约在5-20nm之间的纳米水离子。普通负离子由于是空气离子，容易与氮气和氧气发生作用，在生成后的几秒后就会消失，相比传统的负离子发生器生成的空气离子，纳米水离子是水微粒组成的，在空气中存在的时间是一般负离子的6倍，在空气循环系统的帮助下，覆盖的范围更大，这就确保纳米水离子在家庭环境中可以大范围产生效果。纳米水离子装置每秒钟可以产生4800亿个纳米水离子，能充分满足人体每天130亿个负离子的需要，由于其包含的氢氧基(OH-)可以将接触到的细菌中的氢(H)抽出，因此纳米水离子可以抑制及去除很多细菌、病毒和过敏源。水离子组件将水离子直接释放到口罩腔内部，不但可以实现杀灭口罩外部进入的细菌还可以杀灭人体呼出的气体中携带的有害菌。

[0046] 本装置采用蓝牙4.0进行无线传输，将空气质量信息通过手机信号数据上传云端，通过智能手机后台云端的大数据共享，可以向使用者提供每天、每周、每月的环境最精准的数据值，甚至包括行动路线中危险区域及时规避等，给使用者最佳的空气卫士的体验。当前的雾霾数据主要来源是每个城市中有限的各数据监测站，以及有些家用的室内设备数据。将来带上口罩可以实时记录运动轨迹中的空气质量数据并加以统计和提示功能，并且在线路中有其他用户使用该产品时，他的数据也会成为后台共享，实时推送给途径用户最新的空气情况。除了空气质量提示外，还可增加例如温湿度，紫外线，空气病毒指数等，随时随地提供实时实地数据参考，可以随时随地通过智能手机终端了解到家,途中、乘坐的交通工具、办公室等场所的空气质量情况，并做数据统计及提醒功能。