基于物联网的防疫服装微正压换气控制装置系统设计.pdf

自动化技术与应用 Automation Technology and Application2023.6 今日制造与升级 630引言新冠肺炎疫情在全球范围内反复出现，医护人员需要长时间穿戴医用一次性防护服，但防护服的密封性使得人体表面微环境湿热，容易中暑、脱水，工作条件恶劣。文章融合正压防护和高效空气过滤技术，开发了一套与主流防疫服装结合，实现对防疫服装内部温度、湿度、空气流动速度监测的微正压控制装置，可显著提升防护服的穿着舒适性。文章基于物联网 MQTT（MessageQueuingTelemetryTransport）协议开发一种能实现温度、湿度、空气流动速度的微正压换气控制装置，配置 WiFi 联网功能，可以实时监测显示防疫服装内部的温湿度值并将数据传送至疫情防控应急指挥部。指挥部可及时了解防疫人员工作时的身体状况，对于内部数据到达极限的防疫人员客户端会快速预警，指挥部可对防疫人员进行提醒或人员换岗，避免防疫人员因过度劳累造成身体严重透支，甚至危及生命。1 系统设计1.1 系统的技术路线和工作原理控制系统中 sTM32F407芯片作为主控制器，要实现的功能有医护人员对控制器 MQTT 远程控制、温湿度传感器信号采集、控制3个静音直流无刷电机（排气电机、进气电机和循环电机）的停止和速度、oLED 显示屏显示、防疫服装温湿度数据传送至疫情防控指挥部1等，具体的技术路线如图1所示，工作原理如图2所示。TFT显示器（实时显示防疫服装内部的温度值、湿度值、空气流动速度等）MQTT数据监控客户端（可设置在新冠肺炎疫情防控指挥部）12C通信UART通信发布消息订阅消息控制MOS管导通或关闭驱动层：FreeRTOS多任务（使用Mutex的任务唤醒和阻塞机制）、网卡收发、GPIO、UART、TIMER、12C、ADC、NVIC中断配置等控制MOS管导通或关闭STM32F407总控芯片协议层：MQTT协议应用层：连接MQTT服务器函数、接收数据包函数、发送数据包函数UART中断唤醒任务发布消息订阅消息订阅消息发布消息控制MOS管导通或关闭温湿度传感器DHT22G510GPRS模块ESP8266WIFI模块MQTT服务器IP：47.114.187.247Port：1883Air724模块统计分析数据库连接4G连接路由器气体循环直流无刷循环电机直流无刷进气电机直流无刷排气电机开始排气防疫服装内部外界大气防疫服装湿热空气HEAPHEAP外界新鲜空气人体腰骶部人体颈后部开始进气排气口进气口图1 基于MQTT协议的防疫服装微正压换气控制装置物联网功能实现技术路线图SSD1306液晶显示器G510GPRS模块ESP8266WIFI模块Air724模块手机SIM卡按键控制锂电池电压采集电路XGZP6897A微差压传感器UART通信12C通信总线矩阵执行中断服务函数MQTT协议发送任务MQTT协议接收任务直流无刷排气电机直流无刷进气电机直流无刷循环电机控制器电源电路+12V锂电池供电BUCK降压电路（+12V转+5V）LDO降压电路（+5V转+3V3）显示任务ADC电压采样DMA控制器采样任务FreeRTOS多任务系统GPIO推挽输出MOS驱动电路内核外部中断图2 防疫服装微正压换气控制装置工作原理1.2 系统的硬件设计硬件电路设计包含电源电路、直流无刷电机驱动电路、摘要基于物联网 MQTT 协议开发一种能实现温度、湿度、空气流动速度等防疫服装内部环境控制装置，与主流防疫服装结合，在不影响病毒隔离效果的前提下，显著提升防护服的穿着舒适性。若防护服内部空气湿热难耐，该系统的排气电机将内部湿热空气排出，进气电机把外界空气经空气高效过滤器（新风）灌入防疫服装内部，并使防疫服装内部时刻保持微正压状态。软件设计采用 C 语言，配置 WiFi 联网功能，可以实时监测显示防疫服装内部的温湿度值并将数据传送至疫情防控应急指挥部。该系统的控制器与主流防疫服装可拆分可组装，能快速置换出湿热空气，迅速形成微正压，确保外界病毒不会进入到防疫服装内部，保护防疫人员。疫情防控应急指挥部能够及时了解防疫人员工作时的身体状况，避免因过度劳累造成身体严重透支，甚至危及生命。关键词STM32；MQTT 协议；进气电机；排气电机；主流防疫服装；微正压中图分类号TU857 文献标志码A基于物联网的防疫服装微正压 换气控制装置系统设计钱亮1，任章霞2，杨发毅1，陈静2，杨宁2（1.广安职业技术学院广安市装备制造技术创新中心，四川广安638000；2.广安市人民医院广安市生物安全防护技术创新中心，四川广安638000）自动化技术与应用 Automation Technology and Application64 今日制造与升级 2023.6EsP8266WiFi 电路模块和 oLED 液晶显示器显示电路等，进行 PCB 板布局布线、PCB 板打印和电子元器件焊接。1.3 系统的软件设计在 KeiluVision5、sTM32CubeMX、sourceinsight等软件开发环境下完成总控芯片 sTM32F407的编程、FreeRTos 操作系统配置、MQTT 客户端代码移植，实现医护（管理）人员对控制器 MQTT 远程通信控制、温湿度传感器信号采集、3个直流无刷电机的停止和调速控制、oLED 液晶显示器显示、温度调节按钮控制、湿度调节按钮控制和空气流动速度调节按钮控制等。1.4 控制装置外壳设计除控制器外，还要将温湿度传感器、移动电源、3个静音直流无刷电机装入控制装置外壳中，控制器外壳结构如图3所示。图3 控制装置外壳设计示意1.5 控制装置组装控制装置外壳3D 打印出来后，把所有的器件放入控制装置外壳中，贴上设计好的广告贴纸，控制装置实物如图4所示。图4 防疫服装控制装置实物2 控制装置试验测试和关键性能指标测定（1）防疫服装微正压换气控制装置的关键性能指标见表1。其中,控制装置待机时间较长，且能够稳定维持微正压，微正压的内部环境不仅能够确保外界的病毒不会进入到防疫服装内部，从而保护防疫人员，而且使得防疫服装不紧贴皮肤表面，显著提升防疫服装的穿着舒适性。表1 防疫服装微正压换气控制装置的关键性能指标关键性能指标参数范围控制装置尺寸（cm）15.5（L）8.3（W）7.8（H）控制板尺寸（cm）6.0（L）4.5（W）0.16（板厚）控制装置质量（kg）0.42控制装置工作模式待机模式、常规模式、强对流模式微正压范围（Pa）5 15温控区间（）外界温度 40湿控区间（%）35.0 85.0空气流动速度（cm/s）0 2.5（循环电机全速旋转时）静音度（dB）37.0（常规模式）85.0（强对流模式）锂电池续航时间（h）3.50（强对流模式）48（待机模式）使用环境温度（）0 85控制板功耗（W）0.12（待机模式）3.20（强对流模式）内置直流无刷电机数量（个）3配件数量（个）2（2）如图5所示，控制装置引入用于气流循环的静音直流无刷电机，能够增强防护服内部的空气流动速度，加大空气循环，显著增加医护人员的穿着舒适性。图5 控制装置的微正压试验测试3 结束语综上所述，防疫服装微正压换气控制装置由循环电机、进气电机、排气电机、空气高效过滤器（hEPa）、集成电路、oLED 显示屏、锂电池等部件构成。循环电机将气体从颈后部送气，从腰骶部排气，在防护服内部形成一个由上往下的空气循环，显著提升穿着舒适度。进气电机将外界新鲜空气经集成控制器内的 hEPa 消毒过滤（过滤99.99%大于0.3nm 的微粒，如细菌、病毒等）送入腰后部开口处；在防护服内部形成微正压，阻挡外界病毒进入；此外,让防疫服装不紧贴皮肤，显著提升穿着舒适度。当内部空气的温湿度达到设定值后，一方面进气电机把外界新鲜空气经高效过滤器灌入到防护服内部，另一方面排气电机将防疫服装内部的湿热空气经hEPa 消毒过滤后排出。此外，控制装置内嵌入 WiFi，可实时将温湿度数据实时上传疫情防控指挥部，对防疫人员身体状况进行精确监控。自动化技术与应用 Automation Technology and Application2023.6 今日制造与升级 65参考文献1 赵寒涛，吴文凯.一种生物气溶胶负压阻隔装置设计J.自动化技术与应用，2022，41（2）：155-157.2 陶夏，刘晓芯，蒋莉，等.口鼻面罩切换装置在治疗新型冠状病毒肺炎中的临床应用J.现代科学仪器，2021，38（3）：23-27.基金项目四川省科技计划重点研发项目（2021YFs0363）；四川省卫生健康委员会医学科技项目（21PJ191）作者简介钱亮（1989），男，四川邻水人，硕士研究生，讲师，主要研究方向为电机驱动技术和嵌入式物联网技术。通讯作者任章霞（1974），女，四川广安人，本科，主任医师，教授，主要研究方向为负压方舱的设计与研发。随着生产技术的不断创新与快速发展，传统冶金制造企业逐步转型为以技术创新为核心的驱动战略，利用信息化、智能化技术手段，实现特定规格订单的定制化生产，推进智能制造落实，推进跨领域、跨行业、跨企业的技术创新和协同，实现降低成本与产品差异化生产，使资源高效利用。文献 1 提出在物理空间层面围绕生产实体要素打造一体化生产管控中心，在信息空间层面侧重打造与物理实体孪生的数字化工厂，并建立相应的一体化大数据管控平台。文献 2-3 提出打造大数据中心和数据平台，通过对炼铁大数据深度挖掘以及多维综合计算分析，进一步提高对高炉冶炼过程的认识，从而解析冶炼中的一些特殊现象，建立一种高炉生产和管控智慧化模式。文献4通过改进高炉风机的耗能监控系统，用以分析高炉鼓风机的耗能曲线，采取合理控制措施，降低高炉鼓风机能耗，实现高炉鼓风机节能降耗。各钢铁企业都积极利用现代化信息手段对本企业的生产制造进行产业升级，但是基本都是停留在视频监控、信息传递等方式，没有真正地利用大数据、云计算与钢铁行业尤其是高炉为核心的炼铁阶段进行深入实践。在本项目中建立某钢厂高炉大数据采集治理存储体系、稳定运行智能预警体系、智能评价体系、远程运维监测体系。采用大数据平台对高炉从数据采集存储到预警监控再到最终评价体系，真正做到安全运行、降本增效。1 硬件及通信系统搭建1.1 硬件采集设备搭建高炉大数据平台以硬件为基石，作为具体预测、监控摘要文章以某钢厂高炉现代化改造为背景，介绍了高炉系统中大数据平台的应用实现，以具体项目为案例，从需求、硬件、软件、平台等方面介绍了大数据平台的高炉系统。通过运用大数据、人工智能、模型仿真等技术手段，建立在线监测、行业智能对标、高炉运行体检、智能预警等云端业务，深挖高炉生产节能降耗潜力，为高炉的稳定顺行保驾护航。关键词高炉；大数据；人工智能中图分类号TP273 文献标志码A基于大数据平台的高炉系统杨峰（酒泉钢铁（集团）有限责任公司，甘肃嘉峪关735100）