CN107028251B - 一种基于北斗的口罩系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于北斗的口罩系统及方法，包括口罩部分、用户部分和数据处理部分，其中：所述口罩部分包括口罩本体，以及颗粒物检测模块、卫星定位模块、呼吸检测传感器、数据传输模块、微处理器和电池；微处理器分别与颗粒物检测模块、卫星定位模块、呼吸检测传感器、数据传输模块连接；所述用户部分为智能终端设备，用于接受口罩部分的数据传输模块传送的数据，并通过网络传送给数据处理部分；所述数据处理部分包括防火墙、数据接收模块、数据存储模块、数据分析模块及web显示器。本发明具有以下优点：利用北斗导航定位系统进行定位，定位系统更加安全；能够计算每天口罩阻止用户吸入的颗粒物总量；能够及时提醒用户更换口罩滤芯。

Description

一种基于北斗的口罩系统和方法

技术领域

本发明属于北斗导航定位系统应用领域，具体涉及一种基于北斗的口罩系统和方法。

背景技术

近年来，我国区域性的大气污染问题愈加明显，其中颗粒物(PM)情况尤为严峻。根据中国气象局统计显示，仅2015年全国共出现了11次大范围、持续性的霾过程，主要集中出现在年底的最后两个月，特别是11月27日到12月1日的雾霾过程，涉及华北、山东、河南，具有强度强、范围广、强浓雾与严重霾混合、能见度持续偏低、影响大等特点。

大气中的可吸入颗粒物极易对人体产生负面影响，每人每天平均要吸入约1万升的空气，若吸入颗粒物过多，则会产生严重后果。上海交通大学和上海市环境检测中心联合调查显示：在雾霾天气，PM2.5日均浓度每增加34微克/立方米，呼吸科、小儿呼吸科日均门诊人数分别增加3.2％和1.9％。可吸入颗粒物对健康的危害可见一斑。口罩属于消耗类产品，对进入肺部的空气有一定的过滤作用。在雾霾天气发生时，越来越多的人选择佩戴口罩，其对于保护人体的健康至关重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于北斗的口罩系统和方法，通过北斗导航定位系统获取不同区域颗粒物浓度及用户呼吸数据，以实现口罩滤芯的及时更换及出行路径规划。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于北斗的口罩系统，其特征在于：包括口罩部分、用户部分和数据处理部分，其中：

所述口罩部分包括口罩本体，以及颗粒物检测模块、卫星定位模块、呼吸检测传感器、数据传输模块、微处理器和电池；所述口罩本体上设置有口罩编码和颗粒物滤芯，口罩本体中的口罩编码唯一，用于对口罩及采集的数据进行识别，颗粒物滤芯用于过滤空气中的颗粒物；所述颗粒物检测模块用于检测空气中颗粒物的浓度；卫星定位模块用于接收北斗卫星信号实现定位；呼吸检测传感器用于检测口罩佩戴者的呼吸频率；微处理器分别与颗粒物检测模块、卫星定位模块、呼吸检测传感器、数据传输模块连接，用于收集将颗粒物检测模块、卫星定位模块、呼吸检测传感器的数据并将数据传送给数据传输模块；数据传输模块用于将微处理器传送的数据传给用户部分；电池用于给颗粒物检测模块、卫星定位模块、呼吸检测传感器、数据传输模块、微处理器供电；

所述用户部分为智能终端设备，用于接受口罩部分的数据传输模块传送的数据，并通过网络传送给数据处理部分；

所述数据处理部分包括防火墙、数据接收模块、数据存储模块、数据分析模块及web显示器；其中，防火墙用于保护整个数据处理部分的安全；数据接收模块用于接收用户部分发送的数据；数据存储模块用于存储接收的数据和分析之后的数据；数据分析模块用于对接收的数据进行分析，并将其分析结果经过网络传送给用户部分；web显示器与数据分析模块连接，用于显示分析结果。

所述数据传输模块为蓝牙。

所述电池为外置充电式电池或太阳能充电式电池。

所述数据存储模块为存储设备，存储设备包括磁盘和磁盘阵列。

所述数据分析模块将接收到的不同用户的颗粒物数据，根据其位置信息计算区域颗粒物浓度分布状况，并在web显示器进行显示；根据用户的呼吸频率计算呼吸总数、口罩滤芯的过滤效率及颗粒物浓度，计算一段时间内口罩阻止口罩佩戴者吸入的颗粒物总量；根据滤芯总体能够吸附的颗粒物总量及当前已经阻止的吸入颗粒物总量，在接近饱和时，及时通过智能终端设备和web显示提醒用户更换滤芯。

一种基于北斗的口罩系统的实施方法，包括以下步骤：

步骤1，用户佩戴口罩，呼吸空气；

步骤2，卫星定位模块接收北斗卫星信息号进行定位，获取位置信息和时间信息；呼吸检测传感器对用户呼入的空气进行检测，检测总呼吸的数量及用户吸入的总空气量；

步骤3，颗粒物传感器对用户呼入的空气进行检测，检测颗粒物的浓度；

步骤4，步骤2中获取的位置信息和时间信息、总呼吸的数量及用户吸入的总空气量，步骤3中获取的颗粒物的浓度数据传送给微处理器；

步骤5，微处理器获取口罩编码，将口罩编码与步骤4中传来的数据一同传送给数据传输模块；

步骤6，数据传输模块将步骤5中传来的数据传送给智能终端设备；

步骤7，智能终端设备通过网络将数据发送给数据接收模块；

步骤8，数据接收模块将接收的数据发送给数据存储模块，数据存储模块对数据进行存储并发送给数据分析模块；

步骤9，数据分析模块对步骤8中发送的数据进行分析，数据分析包括：区域颗粒物浓度的计算、一段时间内口罩过滤的颗粒物总量计算、更换滤芯的信息计算及最佳路径计算和规划；将数据分析结果传送给智能终端设备和web显示端；

步骤10，web显示端和智能终端设备对步骤9中的分析结果进行显示。

有益效果：本发明通过北斗导航定位系统获取不同区域颗粒物浓度及用户呼吸数据，并通过计算得到区域颗粒物浓度、一段时间内口罩过滤的颗粒物总量、更换滤芯的信息及最佳路径，以实现口罩滤芯的及时更换及出行路径规划。与现有技术相比，具有以下优点：(1)利用北斗导航定位系统进行定位，定位系统更加安全；(2)能够计算每天口罩阻止用户吸入的颗粒物总量；(3)能够及时提醒用户更换口罩滤芯。

附图说明

图1为本发明的基于北斗的口罩系统的示意图。

图中，1-口罩部分，11-口罩本体，12-颗粒物检测模块，13-卫星定位模块，14-呼吸检测传感器，15-微处理器，16-电池，17-数据传输模块，2-用户部分，21-智能终端设备，3-数据处理部分，31-防火墙，32-数据接收模块，33-数据存储模块，34-数据分析模块，35-web显示器。

图2为本发明的实施过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种基于北斗的口罩系统，包括口罩部分1、用户部分2和数据处理部分3，其中：

口罩部分1包括口罩本体11，以及颗粒物检测模块12、卫星定位模块13、呼吸检测传感器14、数据传输模块17、微处理器15和电池16；口罩本体11上设置有口罩编码和颗粒物滤芯，口罩本体中的口罩编码唯一，用于对口罩及采集的数据进行识别，颗粒物滤芯用于过滤空气中的颗粒物；颗粒物检测模12块用于检测空气中颗粒物的浓度；卫星定位模块13用于接收北斗卫星信号实现定位；呼吸检测传感器14用于检测口罩佩戴者的呼吸频率；微处理器15分别与颗粒物检测模块12、卫星定位模块13、呼吸检测传感器14、数据传输模块17连接，用于收集将颗粒物检测模块12、卫星定位模块13、呼吸检测传感器14的数据并将数据传送给数据传输模块17；数据传输模17块用于将微处理器传送的数据传给用户部分，数据传输模块17优选采用蓝牙；电池16用于给颗粒物检测模块12、卫星定位模块13、呼吸检测传感器14、数据传输模块17、微处理器15供电，电池16为外置充电式电池或太阳能充电式电池。

用户部分2为智能终端设备21，用于接受口罩部分1的数据传输模块17传送的数据，并通过网络传送给数据处理部分3；智能终端设备21包括智能手机和平板电脑，智能终端设备21安装有软件；软件接收口罩部分的数据传输模块传送的数据，并通过网络传送给数据处理部分，数据传输遵循TCP/IP协议；网络包含无线网络、3G、4G及未来的5G网络。

数据处理部分3包括防火墙31、数据接收模块32、数据存储模块33、数据分析模块34及web显示器35；其中，防火墙31用于保护整个数据处理部分的安全，防火墙采用现有防火墙软件；数据接收模块32用于接收用户部分发送的数据；数据存储模块33用于存储接收的数据和分析之后的数据，数据存储模块33为存储设备，存储设备包括磁盘和磁盘阵列；数据分析模块34用于对接收的数据进行分析，并将其分析结果经过网络传送给用户部分；web显示器35与数据分析模块连接，用于显示分析结果。

数据分析模块将接收到的不同用户的颗粒物数据，根据其位置信息计算区域颗粒物浓度分布状况，并在web显示器进行显示；根据用户的呼吸频率计算呼吸总数、口罩滤芯的过滤效率及颗粒物浓度，计算一段时间内口罩阻止口罩佩戴者吸入的颗粒物总量；根据滤芯总体能够吸附的颗粒物总量及当前已经阻止的吸入颗粒物总量，在接近饱和时，及时通过智能终端设备和web显示提醒用户更换滤芯。接近饱和的程度由用户在智能终端APP中自行设定，默认为80％。

一种基于北斗的口罩系统的实施方法，包括以下步骤：

步骤1，用户佩戴口罩，呼吸空气；

步骤2，卫星定位模块接收北斗卫星信息号进行定位，获取位置信息和时间信息；呼吸检测传感器对用户呼入的空气进行检测，检测总呼吸的数量及用户吸入的总空气量；

步骤3，颗粒物传感器对用户呼入的空气进行检测，检测颗粒物的浓度；

步骤4，步骤2中获取的位置信息和时间信息、总呼吸的数量及用户吸入的总空气量，步骤3中获取的颗粒物的浓度数据传送给微处理器；

步骤5，微处理器获取口罩编码，将口罩编码与步骤4中传来的数据一同传送给数据传输模块；

步骤6，数据传输模块将步骤5中传来的数据传送给智能终端设备；

步骤7，智能终端设备通过网络将数据发送给数据接收模块；

步骤8，数据接收模块将接收的数据发送给数据存储模块，数据存储模块对数据进行存储并发送给数据分析模块；

步骤9，数据分析模块对步骤8中发送的数据进行分析，数据分析包括：区域颗粒物浓度的计算、一段时间内口罩过滤的颗粒物总量计算、更换滤芯的信息计算及最佳路径计算和规划；将数据分析结果传送给智能终端设备和web显示端；

具体包括：

区域颗粒物浓度的计算方法为：

由多个实时位置的颗粒物浓度数据，根据(1)式的计算方法，求得该区域内颗粒物浓度的分布状况，再根据不同的阈值将空气质量数据分级。

式(1)中，t表示时刻；(x,y)表示位置，其中x表示纬度，y表示经度；ρ(x,y,t)为t时刻、位置(x,y)处的颗粒物浓度；ρ(x_i,t,y_i,t)为t时刻，位置(x_i,y_i)处的颗粒物浓度，i表示不同位置的总数量；d(x_i0,y_i0)为位置(x_i,y_i)与参考起始点(x₀,y₀)之间的距离。

一段时间内口罩过滤的颗粒物总量的计算方法为：

根据用户的呼吸频率计算呼吸总数、口罩滤芯的过滤效率及颗粒物浓度，由下式计算一段时间内口罩过滤的颗粒物总量：

m＝∑ρ(x,y,t)·V·k·T (2)

式(2)中，ρ(x,y,t)为t时刻、位置(x,y)处的颗粒物浓度；k为口罩的拦截效率；T为呼吸总数；V单次呼吸的吸入空气量；m为口罩减少吸入颗粒物的总量。

更换滤芯的信息的计算方法为：

每天吸入的颗粒物总量数据通过智能终端设备存入数据处理部分，以口罩过滤率损耗到80％为报废临界点，计算口罩的容尘量m₀；当用户累计减少吸入颗粒物的总量m>0.80m₀时向用户发出提醒信息，建议用户可以更换滤芯；当m>m₀时，向用户提出警告信息，建议用户立即更换滤芯。提醒信息和警告信息通过网络传送给智能终端设备和web显示。

最佳路径计算和规划的方法为：

用户确立起点和目标终点，系统获取在起点、终点间可能经过的节点距离a_j,k；利用颗粒物分布地图，获取任意两节点间路的颗粒物分布数据，将两节点间距离a_j,k转化为以单位距离颗粒物浓度ρ_j,k为权的赋权距离，即沿路径可能吸入颗粒物的量，利用以下公式进行最短路径计算：

m_j,k＝∑ρ_j,k·a_j,k

M＝∑m_j,k

式中，j、k表示不同的节点；ρ_j,k表示节点j、k间单位距离上的颗粒物浓度；a_j,k表示节点j、k间距离；m_j,k表示节点j、k间可能吸入的颗粒物总量；M表示经过路线上所有节点可能吸入的颗粒物总量。

步骤10，web显示端和智能终端设备对步骤9中的分析结果进行显示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于北斗的口罩系统，其特征在于：包括口罩部分、用户部分和数据处理部分，其中：

所述口罩部分包括口罩本体，以及颗粒物检测模块、卫星定位模块、呼吸检测传感器、数据传输模块、微处理器和电池；所述口罩本体上设置有口罩编码和颗粒物滤芯，口罩本体中的口罩编码唯一，用于对口罩部分及采集的数据进行识别，颗粒物滤芯用于过滤空气中的颗粒物；所述颗粒物检测模块用于检测空气中颗粒物的浓度；卫星定位模块用于接收北斗卫星信号实现定位；呼吸检测传感器用于检测口罩佩戴者的呼吸频率；微处理器分别与颗粒物检测模块、卫星定位模块、呼吸检测传感器、数据传输模块连接，用于收集将颗粒物检测模块、卫星定位模块、呼吸检测传感器的数据并将数据传送给数据传输模块；数据传输模块用于将微处理器传送的数据传给用户部分；电池用于给颗粒物检测模块、卫星定位模块、呼吸检测传感器、数据传输模块、微处理器供电；

所述用户部分为智能终端设备，用于接受口罩部分的数据传输模块传送的数据，并通过网络传送给数据处理部分；

所述数据处理部分包括防火墙、数据接收模块、数据存储模块、数据分析模块及web显示器；其中，防火墙用于保护整个数据处理部分的安全；数据接收模块用于接收用户部分发送的数据；数据存储模块用于存储接收的数据和分析之后的数据；数据分析模块用于对接收的数据进行分析，并将其分析结果经过网络传送给用户部分；web显示器与数据分析模块连接，用于显示分析结果；

所述数据分析模块将接收到的不同用户的颗粒物数据，根据其位置信息计算区域颗粒物浓度分布状况，并在web显示器进行显示；根据用户的呼吸频率计算的呼吸总次数、口罩滤芯的过滤效率及区域颗粒物浓度，计算一段时间内口罩部分阻止口罩佩戴者吸入的颗粒物总量；根据滤芯总体能够吸附的颗粒物总量及当前已经阻止的吸入颗粒物总量，在接近饱和时，及时通过智能终端设备和web显示器提醒用户更换滤芯；

其中，一段时间内口罩部分过滤的颗粒物总量的计算方法为：

根据用户的呼吸频率计算的呼吸总次数、口罩滤芯的过滤效率及区域颗粒物浓度，由下式计算一段时间内口罩部分过滤的颗粒物总量：

m＝∑ρ(x,y,t)·V·k·T

式中，ρ(x,y,t)为t时刻、位置(x,y)处的区域颗粒物浓度；k为口罩滤芯的过滤效率；T为呼吸总次数；V单次呼吸的吸入空气量；m为一段时间内口罩部分过滤的颗粒物总量；

更换滤芯的信息的计算方法为：

每天吸入的颗粒物总量数据通过智能终端设备存入数据处理部分，以口罩过滤率损耗到80％为报废临界点，计算口罩部分的容尘量m₀；当用户累计减少吸入颗粒物的总量m>0.80m₀时向用户发出提醒信息，建议用户更换滤芯；当m>m₀时，向用户提出警告信息，建议用户立即更换滤芯。

2.根据权利要求1所述的基于北斗的口罩系统，其特征在于：所述数据传输模块为蓝牙。

3.根据权利要求1所述的基于北斗的口罩系统，其特征在于：所述电池为外置充电式电池或太阳能充电式电池。

4.根据权利要求1所述的基于北斗的口罩系统，其特征在于：所述数据存储模块为存储设备，存储设备为磁盘。

5.一种权利要求1所述的基于北斗的口罩系统的实施方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，用户佩戴口罩部分，呼吸空气；

步骤2，卫星定位模块接收北斗卫星信息号进行定位，获取位置信息和时间信息；呼吸检测传感器对用户呼入的空气进行检测，检测口罩佩戴者的呼吸频率，计算出呼吸总次数及用户吸入的总空气量；

步骤3，颗粒物检测模块对用户呼入的空气进行检测，检测颗粒物的浓度；

步骤4，步骤2中获取的位置信息和时间信息、呼吸总次数及用户吸入的总空气量，步骤3中获取的颗粒物的浓度数据传送给微处理器；

步骤5，微处理器获取口罩编码，将口罩编码与步骤4中传来的数据一同传送给数据传输模块；

步骤6，数据传输模块将步骤5中传来的数据传送给智能终端设备；

步骤7，智能终端设备通过网络将数据发送给数据接收模块；

步骤8，数据接收模块将接收的数据发送给数据存储模块，数据存储模块对数据进行存储并发送给数据分析模块；

步骤9，数据分析模块对步骤8中发送的数据进行分析，数据分析包括：区域颗粒物浓度的计算、一段时间内口罩部分过滤的颗粒物总量计算、更换滤芯的信息计算及最佳路径计算和规划；将数据分析结果传送给智能终端设备和web显示器；

其中，一段时间内口罩部分过滤的颗粒物总量的计算方法为：

根据用户的呼吸频率计算的呼吸总次数、口罩滤芯的过滤效率及区域颗粒物浓度，由下式计算一段时间内口罩部分过滤的颗粒物总量：

m＝∑ρ(x,y,t)·V·k·T

式中，ρ(x,y,t)为t时刻、位置(x,y)处的区域颗粒物浓度；k为口罩滤芯的过滤效率；T为呼吸总次数；V单次呼吸的吸入空气量；m为一段时间内口罩部分过滤的颗粒物总量；

更换滤芯的信息的计算方法为：

每天吸入的颗粒物总量数据通过智能终端设备存入数据处理部分，以口罩过滤率损耗到80％为报废临界点，计算口罩部分的容尘量m₀；当用户累计减少吸入颗粒物的总量m>0.80m₀时向用户发出提醒信息，建议用户更换滤芯；当m>m₀时，向用户提出警告信息，建议用户立即更换滤芯；

步骤10，web显示器和智能终端设备对步骤9中的分析结果进行显示。

6.根据权利要求5所述的基于北斗的口罩系统的实施方法，其特征在于：所述步骤9中，区域颗粒物浓度的计算方法为：

由多个实时位置的颗粒物浓度数据，根据下式求得该区域颗粒物浓度的分布状况：

式中，t表示时刻；(x,y)表示位置，其中x表示纬度，y表示经度；ρ(x,y,t)为t时刻、位置(x,y)处的区域颗粒物浓度；ρ(x_i,t,y_i,t)为t时刻，位置(x_i,y_i)处的颗粒物浓度，i表示不同位置的总数量；d(x_i0,y_i0)为位置(x_i,y_i)与参考起始点(x₀,y₀)之间的距离。

7.根据权利要求5所述的基于北斗的口罩系统的实施方法，其特征在于：所述步骤9中，最佳路径计算和规划的方法为：

用户确立起点和目标终点，口罩系统获取在起点、终点间可能经过的节点距离a_j,k；利用颗粒物分布地图，获取任意两节点间路的颗粒物分布数据，将两节点间距离a_j,k转化为以单位距离颗粒物浓度ρ_j,k为权的赋权距离，即沿路径可能吸入颗粒物的量，利用以下公式进行最短路径计算：

m_j,k＝∑ρ_j,k·a_j,k

M＝∑m_j,k

式中，j、k表示不同的节点；ρ_j,k表示节点j、k间单位距离上的颗粒物浓度；a_j,k表示节点j、k间距离；m_j,k表示节点j、k间可能吸入的颗粒物的量；M表示经过路线上所有节点可能吸入的颗粒物总量。