CN114225169A

CN114225169A - 一种基于短距离无线传输的全自动呼吸装置控制系统

Info

Publication number: CN114225169A
Application number: CN202111540576.3A
Authority: CN
Inventors: 范成法
Original assignee: Tecmen Electronics Co Ltd
Current assignee: Tecmen Electronics Co Ltd
Priority date: 2021-12-16
Filing date: 2021-12-16
Publication date: 2022-03-25

Abstract

本发明公开了一种基于短距离无线传输的全自动呼吸装置控制系统，包括主机模块、前置模块，主机模块包括主MCU、BLE主机芯片、风机驱动单元，前置模块包括BLE从机芯片、压力传感器；BLE从机芯片与BLE主机芯片连接成功后，会以百毫秒左右间隔将压力传感器采集到的压力数据传输给主MCU，以使主MCU根据当前呼吸仓体的压力值调节风机转速以改变呼吸仓体压力，从而实现闭环控制。本发明基于分离式模块化的设计方案，利用先进的BLE无线技术，解决了模块间短距离数据交换的问题，避免复杂繁琐的有线连接，给结构设计和用户体验带来了更好的便利和效果。

Description

一种基于短距离无线传输的全自动呼吸装置控制系统

技术领域

本发明涉及一种基于短距离无线传输的全自动呼吸装置控制系统，属于空气过滤呼吸设备技术领域。

背景技术

在面罩式空气过滤呼吸装置领域，目前市面上产品都是通过一体化的设计，即感知元件（传感器压力风量数据采集）和执行元件（送风机控制、告警指示）均是通过有线连接在单个主机上，以达到闭环控制的目的。由于呼吸设备感知元件的位置通常需要尽量靠近人体口部，而风机的噪声和主机的重量原因，会对用户体验带来较大影响。

发明内容

发明目的：针对上述呼吸设备一体化有线连接的缺陷，本发明提供一种基于短距离无线传输的全自动呼吸装置控制系统，基于分离式模块化的设计方案，利用先进的BLE（低功耗蓝牙）无线技术，解决模块间短距离数据交换的问题，避免复杂繁琐的有线连接，给结构设计和用户体验带来更好的便利和效果。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于短距离无线传输的全自动呼吸装置控制系统，包括主机模块、前置模块，所述主机模块包括主MCU、BLE主机芯片、风机驱动单元，所述前置模块包括BLE从机芯片、压力传感器；

所述BLE主机芯片与BLE从机芯片内固化有配对的ID密钥，且BLE从机芯片在未被连接状态下周期性发送广播等待BLE主机芯片连接，BLE从机芯片连接成功后，会以百毫秒左右间隔将压力传感器采集到的压力数据传输给主MCU，以使主MCU根据当前呼吸仓体的压力值调节风机转速以改变呼吸仓体压力，从而实现闭环控制。

进一步的，所述主机模块上集成有Mems加速度计，用于实现设备智能开关以及异常姿态检测，由此省去了手动开关，给用户体验带来了更好的便利。

进一步的，在主机模块、前置模块休眠状态下，Mems加速度计常态保持低功耗运行状态（小于10uA），当检测到设定幅度的振动时，将唤醒主MCU并连接对应ID号的前置模块，进而当主MCU检测到内压压差变化曲线符合人体呼吸的节奏，则主机模块、前置模块进入工作模式，否则继续休眠。

进一步的，在主机模块、前置模块工作状态下，当主MCU检测到内外压差小于设定阈值，且压差变化平稳持续达到设定时间t1，则进入预休眠状态，进而当Mems加速度计检测到姿态平稳无移动持续达到设定时间t2，则进入深度休眠状态。

进一步的，所述主机模块上集成有温湿度传感器，用于实现监测预警以及给风量温补参考。

进一步的，所述主MCU根据当前采样压力值与目标压力值之间的压差校准得到初始给定值（给风量），而后经过温度补偿单元调整生成最终给定值，送入风机驱动单元进行风速调整，形成新的仓体内压，而呼吸观测器根据给定值调整方向以及压差变化率等结合人体呼吸数据曲线推理当前所处的呼吸阶段，更新目标压力值，用于下一次风速调整，从而形成一个压差闭环的控制系统。

进一步的，所述温度补偿单元对初始给定值的调整量可通过分段线性插值温度补偿函数得到，即f _TK(X1,TP,TK)=TK[i] + (X1-TP[i])*(TK[i+1]-TK[i])/(TP[i+1]-TP[i])，其中X1为当前温度值，TP为拟合温度值，TK为拟合系数，i表示分段标号。

进一步的，所述主机模块上集成有告警指示单元，用于实现包括主机模块或前置模块电量过低、风速与压差比超出预设范围等设备异常预警指示。

进一步的，所述主MCU通过BLE主机芯片与搭载蓝牙的移动设备进行短距离无线通信，用于实现呼吸数据及设备状态监测。

进一步的，所述前置模块还包括可实现通讯传声功能的电子传声装置，无需手持对讲机操作。

有益效果：本发明所提供的一种基于短距离无线传输的全自动呼吸装置控制系统，相对于现有技术，具有以下优点：

1、主机模块上集成了风机驱动等噪声较大的主要执行器件，而靠近人体口部设置的前置模块则集成了压力风量等数据采集元件，分离式模块间利用先进的BLE技术实现了短距离无线数据交换，避免了复杂繁琐的有线连接，给结构设计和用户体验带来了更好的便利和效果；

2、通过在压差闭环控制中加入了温度补偿调整，实现呼吸装置给风量的多重控制，可以保证在高低温作业环境中提供舒适稳定的呼吸风量；

3、手机或者其他搭载蓝牙的移动设备可以通过app监控多台设备呼吸装置的运行状态（主机模块作为蓝牙复合设备），更好的保障了佩戴者的作业安全。

附图说明

图1为本发明实施例的拓扑结构图；

图2为本发明实施例的压差闭环控制原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的优选实施方式进行描述，更加清楚、完整地阐述本发明的技术方案。

如图1所示为一种基于短距离无线传输的全自动呼吸装置控制系统，包括主机模块（System Host）、前置模块（Front module），其中主机模块包括主MCU、BLE主机芯片（BLE-Central/Broadcaster）、风机驱动单元（Motor Drv），前置模块包括BLE从机芯片（BLE-Peripherial）、压力传感器（Relative pressure）。

BLE主机芯片与BLE从机芯片内部预先固化了配对的ID密钥，且BLE从机芯片在未被连接状态下周期性发送广播等待BLE主机芯片连接，BLE从机芯片连接成功后，会以100ms间隔将压力传感器采集到的压力数据传输给主MCU，以使主MCU根据当前呼吸仓体的压力值调节风机转速以改变呼吸仓体压力，从而实现闭环控制。

由于主机和前置模块距离较近，因此蓝牙的功率可以降低到0dBm，即不大于1mW，这样既降低了功耗，也有效避免了对其他设备的干扰。

本实施例中，主机模块上集成了Mems加速度计（Mems Acceleration）以及温湿度传感器（Temperature humidity）等感知单元（Sensor），其中Mems加速度计用于设备智能开关以及异常姿态检测，温湿度传感器用于监测预警以及给风量温补参考。

进一步的，设备智能开关的工作方法具体包括：

1）在主机模块、前置模块休眠状态下，Mems加速度计常态保持低功耗运行状态（小于10uA），当其检测到设定幅度的振动（佩戴动作的一个基础检测）时，将唤醒主MCU并连接对应ID号的前置模块（超时未连接成功则继续休眠），进而当主MCU检测到内压压差变化曲线符合人体呼吸的节奏，则主机模块、前置模块进入工作模式，否则继续休眠；

2）在主机模块、前置模块工作状态下，当主MCU检测到内外压差小于设定阈值，且压差变化平稳持续达到设定时间t1，则进入预休眠状态（若蓝牙断开连接，前置模块自动进入低功耗模式等待唤醒），进而当Mems加速度计检测到姿态平稳无移动持续达到设定时间t2，则进入深度休眠状态（即关机等待下一次开机）。

如图2所示，加入温度补偿的压差闭环控制方法具体包括：

主MCU根据通过LPF（低通滤波器）滤波后的当前采样压力值（CurrentPres）与目标压力值（TargetPress）之间的压差校准得到初始给定值（给风量），而后经过温度补偿单元（temp compensation module）调整生成最终给定值X，送入风机驱动单元M1进行风速调整，形成新的仓体内压，而呼吸观测器R1根据给定值调整方向以及压差变化率等结合人体呼吸数据曲线推理当前所处的呼吸阶段，更新目标压力值，用于下一次风速调整，从而形成一个压差闭环的控制系统。

进一步的，所述温度补偿单元对初始给定值的调整量Y可通过分段线性插值温度补偿函数得到，即Y=f _TK(X1,TP,TK)=TK[i] + (X1-TP[i])*(TK[i+1]-TK[i])/(TP[i+1]-TP[i])，其中X1为当前温度值（SysTemp），TP为拟合温度值，TK为拟合系数，i表示分段标号。

本实施例中，主机模块上集成了蜂鸣器、振动马达（Beep/Vibration）等噪声较大的告警单元，前置模块上集成了LED指示单元（Multi LED）。当主MCU检测到主机模块电量Bat(2) -power较低、前置模块Bat(1) -power电量较低或者风速与压差比与预设值相差较大等异常时，通过LED指示灯、振动马达以及蜂鸣器可以达到自身多重预警的效果，同时手机或者其他搭载蓝牙的移动设备（Observer）可以通过app监控多台设备呼吸主机的运行状态（呼吸主机作为蓝牙复合设备），更好的保障了佩戴者的作业安全。

进一步的，前置模块还包括电子传声装置（Microphone/speaker），用于实现电子扩音传声，无需手持对讲机操作。

上述具体实施方式仅仅对本发明的优选实施方式进行描述，而并非对本发明的保护范围进行限定。在不脱离本发明设计构思和精神范畴的前提下，本领域的普通技术人员根据本发明所提供的文字描述、附图对本发明的技术方案所作出的各种变形、替代和改进，均应属于本发明的保护范畴。

Claims

1.一种基于短距离无线传输的全自动呼吸装置控制系统，其特征在于，包括主机模块、前置模块，所述主机模块包括主MCU、BLE主机芯片、风机驱动单元，所述前置模块包括BLE从机芯片、压力传感器；

所述BLE主机芯片与BLE从机芯片内固化有配对的ID密钥，且BLE从机芯片在未被连接状态下周期性发送广播等待BLE主机芯片连接，BLE从机芯片连接成功后，会以80~100ms间隔将压力传感器采集到的压力数据传输给主MCU，以使主MCU根据当前呼吸仓体的压力值调节风机转速以改变呼吸仓体压力，从而实现闭环控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于短距离无线传输的全自动呼吸装置控制系统，其特征在于，所述主机模块上集成有Mems加速度计，用于实现设备智能开关以及异常姿态检测。

3.根据权利要求2所述的一种基于短距离无线传输的全自动呼吸装置控制系统，其特征在于，在主机模块、前置模块休眠状态下，Mems加速度计保持低功耗运行状态，当其检测到设定幅度的振动时，将唤醒主MCU并连接对应ID号的前置模块，进而当主MCU检测到内压压差变化曲线符合人体呼吸的节奏，则主机模块、前置模块进入工作模式，否则继续休眠。

4.根据权利要求2所述的一种基于短距离无线传输的全自动呼吸装置控制系统，其特征在于，在主机模块、前置模块工作状态下，当主MCU检测到内外压差小于设定阈值，且压差变化平稳持续达到设定时间t1，则进入预休眠状态，进而当Mems加速度计检测到姿态平稳无移动持续达到设定时间t2，则进入深度休眠状态。

5.根据权利要求1所述的一种基于短距离无线传输的全自动呼吸装置控制系统，其特征在于，所述主机模块上集成有温湿度传感器，用于实现监测预警以及给风量温补参考。

6.根据权利要求5所述的一种基于短距离无线传输的全自动呼吸装置控制系统，其特征在于，所述主MCU根据当前采样压力值与目标压力值之间的压差校准得到初始给定值，而后经过温度补偿单元调整生成最终给定值，送入风机驱动单元进行风速调整，形成新的仓体内压，而呼吸观测器根据给定值调整方向以及压差变化率推理当前所处的呼吸阶段，更新目标压力值，用于下一次风速调整，从而形成一个压差闭环的控制系统。

7.根据权利要求6所述的一种基于短距离无线传输的全自动呼吸装置控制系统，其特征在于，所述温度补偿单元对初始给定值的调整量通过分段线性插值温度补偿函数得到，即f _TK(X1,TP,TK)=TK[i] + (X1-TP[i])*(TK[i+1]-TK[i])/(TP[i+1]-TP[i])，其中X1为当前温度值，TP为拟合温度值，TK为拟合系数，i表示分段标号。

8.根据权利要求1所述的一种基于短距离无线传输的全自动呼吸装置控制系统，其特征在于，所述主机模块上集成有告警指示单元，用于实现包括主机模块或前置模块电量过低、风速与压差比超出预设范围的设备异常预警指示。

9.根据权利要求1所述的一种基于短距离无线传输的全自动呼吸装置控制系统，其特征在于，所述主MCU通过BLE主机芯片与搭载蓝牙的移动设备进行短距离无线通信，用于实现呼吸数据及设备状态监测。

10.根据权利要求1所述的一种基于短距离无线传输的全自动呼吸装置控制系统，其特征在于，所述前置模块包括电子传声装置。