医用防护服配套穿戴式智能新风防护系统的研制_赵伟博.pdf

收稿日期:2022 12 15基金项目:陕西省教育厅科学研究计划项目资助(22JK0267)第一作者:赵伟博(1992)，男，陕西西安人，硕士，讲师，研究方向为机电一体化技术。通信作者:李琳杰，E mail:linjie_zwb163 com医用防护服配套穿戴式智能新风防护系统的研制赵伟博1，李琳杰1，王琼瑶2(1 陕西工业职业技术学院 航空工程学院，陕西 咸阳 712000;2 陕西省人民医院 全科医学科，陕西 西安 710068)摘要:针对重大疫情事件中所暴露的医护及其他一线人员个人防护用具功能单一、防护性能不足、穿戴舒适性差等问题设计了一款医用防护服配套穿戴式智能新风防护系统，能有效改善医用防护服闷热积汗等问题。智能新风防护系统采用模块化设计，包含控制模块、新风模块及视觉辅助显示模块等多个功能模块。该系统通过新风接口连接普通医用防护服进行背负使用，新风模块可将外界空气通过低阻滤棉盒吸入到防护服内进行风冷降温，并起到正压防护的目的;控制系统根据传感器实测温度实时调节风扇转速，并将防护服内部温度、氧气浓度等数据传送至视觉显示模块。经过穿戴测试，该新风防护系统可有效改善防护服闷热积汗等问题，且系统穿戴方便、重量轻、功能齐全、行动自如并且满足一线防护需求，可提高一线防疫人员工作效率。关键词:新风防护;防护服;模块化;视觉显示;3D 打印中图法分类号:TP273文章编号:1000 0682(2023)02 0057 03文献标识码:ADOI:10 19950/j cnki cn61 1121/th 2023 02 011Development of wearable intelligent fresh air protection system formedical protective clothingZHAO Weibo1，LI Linjie1，WANG Qiongyao2(1 School of Aviation Engineering，Shaanxi Polytechnic Institute，Shaanxi Xianyang 712000，China;2 General Medicine Department，Shaanxi Provincial People s Hospital，Shaanxi Xi an 710068，China)Abstract:A wearable intelligent fresh air protection system for medical protective clothing was de-signed to solve the problems of single function，insufficient protective performance and poor wearing com-fort of personal protective equipment for medical staff and other front line personnel exposed in majorepidemic events，which can effectively improve the sweltering and sweating of medical protective cloth-ing The intelligent fresh air protection system adopted modular design，including control module，freshair module，visual auxiliary display module and other functional modules The system is connected to theordinary medical protective clothing through the fresh air interface for carrying The fresh air module cansuck the outside air into the protective clothing through the low resistance cotton filter box for air coolingand protection against positive pressure The control system adjusts the fan speed in real time according tothe measured temperature of the sensor，and transmits the internal temperature，oxygen concentration andother data of the protective clothing to the visual display module Through wearing test，the fresh air pro-tection system can effectively improve the problems such as sweltering and sweating of protective clothing，and the system is easy to wear，light in weight，complete in functions，free in action and meets the needsof first line protection，which can improve the work efficiency of first line epidemic prevention personnelKeywords:fresh air protection;protective clothing;modularization;visual display;3D printing0引言目前新冠疫情仍在全球蔓延，国内疫情尚未完全控制。随着季节变化，医护人员和疫检人员难免需要在高温高热情况下从事疫检工作，市场现有降752023 年第 2 期工业仪表与自动化装置温服虽然能满足着装者高温环境下的散热需求1 2，但同时也带来了新的问题:一方面现有降温防护服缺少隔离病毒的功能，医护工作者和疫检人员无法使用;另一方面降温防护服工作时会造成体表温度的波动，因此体表温度的突然下降以及波动会造成自我调节系统紊乱3 6。针对上述问题，项目组设计一款可穿戴式智能新风防护系统，该系统可配套普通防护服使用，并包含智能过滤新风模块、视觉辅助显示模块、贴身背负装具等数个功能模块。1系统结构组成智能新风防护系统通过背负装具可穿戴于医用防护服外，新风模块可将外界空气过滤后分别输送给医用防护服、护目镜和面罩内可有效改善防护服闷热积汗、护目镜起雾及面罩呼吸不畅等现象;背负装具设置有快拆卡扣，遇到突发情况可快速将智能新风防护系统从防护服上解脱。系统具体结构组成如图 1 所示，控制系统与电池组件位于固定板上，通过调速器控制新风模块内部两个涵道风扇的转速，进而控制系统的进气量。滤盒通过转接法兰与主体结构零件连接，可通过更换不同结构的法兰转接口适配市面上任意品牌的滤棉盒。图 1新风防护系统结构2视觉辅助显示模块如图 2 所示，视觉辅助显示模块是智能新风防护系统的数据监测面板，为系统提供数据服务支持，镜片上配备了一个头戴式微型显示器，利用光学反射投影原理(HUD)通过折射分光棱镜，可在使用者视觉区域右上方投射出一块约为 6 英寸的半透明悬浮屏幕，区别于传统的显示装置，无需低头观看，视觉辅助显示模块有着更为良好的便捷性，拓展性以及交互性，在不影响视觉的前提下将数据显示在视觉边缘部分，使用者可以更加快速便捷地得到所需信息。图 2视觉辅助显示效果如图 3 所示，视觉辅助显示模块结构轻巧，重量仅 104 克，配合 FAST 悬挂组件，佩戴在使用者头部，最大程度减轻佩戴者的头部压力。图 3视觉显示模块悬挂于 FAST 组件视觉辅助显示模块可实时显示滤芯寿命、新风模块状态(进风量，氧气浓度，风机转速)以及当前设备电量。3主控系统设计整个新风防护系统采用模块化设计，各功能模块可根据实际需求与主控系统连接进行实时控制。控制系统主要由 Arduino Mega 2560 开发板、时钟模块 DS3231、驱动模块 L298N、温湿度传感器 DHT11、电源模块及 TFT 液晶显示模块等组成。系统控制逻辑如下:当温度在 25 35 之间，风机匀速工作;温度低于 25，风机按 5%的幅度均匀减速，当温度低于20 时，风机停止;温度高于 35，风机按 5%的幅度加速，当温度高于 38 时风机 100%运行。主控系统分为自动和手动两种模式，通过 TFT 液晶显示模块的虚拟按钮进行模式切换和系统数据的实时显示。4样机穿戴测试4 1系统样机制作智能新风防护系统壳体利用榫卯结构拆成对称的两部分进行打印，这样既满足系统需求，又能提高3D 打印的精度;整个新风防护系统结构部分及视觉显示模块均采用 3D 打印。智能新风防护系统整机重量 3 15 kg，样机定型85工业仪表与自动化装置2023 年第 2 期量产后可采用注塑生产，重量可控制在 2 kg 左右。样机穿戴效果如图 4 所示。图 4智能新风防护系统实物穿戴4 2穿戴测试如图 5 所示，项目组分别前往陕西西安、咸阳等多家医院、核酸检测点进行样机试用测试，测试者包括医院医生、护士、疫情期间从事疫情检测的疫检人员和社区巡检人员。其中，医院医护人员非常看重系统的轻便性、密闭性及重复使用的相关消毒情况;疫检人员更加重视系统的长时降温除雾功能及穿戴的便捷性。图 5小范围试用在温度为 35 40 的室外高热环境下，项目组采用生理信号采集系统分别对穿戴普通医用防护服和穿戴该文研制的智能新风防护系统的核酸检测人员的核心温度进行连续的采集、记录。实验数据如表 1 所示。表 1室外 35 40 环境下受试者核心温度变化时间/min受试者穿戴15304560未穿戴新风防护系统(核心温度/)3636 53737 5穿戴新风防护系统(核心温度/)35 535 836 136 4由表 1 可知，受试者穿着普通防护服时的核心温度随着时间的增加都呈现明显上升趋势;当穿着智能新风防护系统时，人体的核心温度没有出现大的波动情况，趋于稳定状态，且都低于未穿智能新风防护系统时人体的核心温度值。通过多次穿戴测试和数据分析，绝大多数的受试者均表示该文研制的智能新风防护系统能有效改善普通防护服闷热积汗的问题，且身体和心理上更加舒适。少数受试者对系统的重量和视觉显示功能给出了一些建议。项目组根据受试者的反馈后续进行针对性改善。图 6智能新风防护系统 V2 0如图 6 所示，根据用户的穿戴反馈，项目组对一代样机进行了功能性的改进，表 2 给出了两代样机的细节对比。整个系统操作更加简便，穿戴更加便捷。表 2样机 1 0 与样机 2 0 对比样机版本样机细节改进与区别样机 1 0样机 2 0二代机将一代机胸前控制系统集成于新风系统壳体内，便于穿戴，结构更紧凑，重量减轻 2 kg。样机 1 0样机 2 0二代机增设了可拆卸式智能数据显示模块，集成于左肩带。优化了智能控制算法，延长了整机工作时间，降低了制造成本。5结论该文研制的智能新风防护系统可配套市场上现有的普通防护服使用，防护服通过配套接口直接连(下转第 89 页)952023 年第 2 期工业仪表与自动化装置流站巡视和多设备状态监测数据信息的采集效率，使现场巡视人员能够及时掌握设备运行状态，对保障换流站可靠运行具有一定的工程应用价值。由于换流站电压等级较高，电磁干扰较多，该便携式智能终端信息采集和结果展示等功能还需根据实际工程需求进一步完善。参考文献:1 谷琛，李鹏，何慧文，等 1100 kV 以上电压等级直流输电技术研究 J 中国电机工程学报，2020，40(20):6745 6753 2 江秀臣，盛戈皞 电力设备状态大数据分析的研究和应用 J 高电压技术，2018，44(4):1041 1048 3 方静，彭小圣，刘泰蔚，等 电力设备状态监测大数据发展综述J 电力系统保护与控制，2020，48(23):176 184 4 李刚，张博，赵文清，等 电力设备状态评估中的数据科学问题:挑战与展望J 电力系统自动化，2018，42(21):10 17 5 唐文虎，牛哲文，赵柏宁，等 据驱动的人工智能技术在电力设备状态分析中的研究与应用J 高电压技术，2020，46(9):2985 2994 6 王德文，周青 一种电力设备状态监测大数据的分布式联机分析处理方法J 中国电机工程学报，2016，36(19):5111 5119 7SHI Weisong，CAO Jie，ZHANG Quan，et al Edge com-puting:vision and challenges J IEEE Internet of ThingsJournal，2016，3(5):637 646 8 李彬，贾滨诚，曹望璋，等 边缘计算在电力需求响应业务中的应用展望 J 电网技术，2018，42(1):79 87 9 刘东奇，曾祥君，王耀南 边缘计算架构下配电台区虚拟电站控制策略J 电工技术学报，2021，36(13):2852 2859 10MACH P，BECVA Z Mobile edge computing:a surveyon architecture and computation off loading J IEEE Com-munications Surveys Tutorials，2017，99:1 1 11 李文雅，杨青波，董朝阳，等 Loa 在分布式光伏电站监控系统中的应用与研究 J 工业仪表与自动化装置，2019(4):50 54 12 王旭东，王雷涛，武东亚，等 基于边缘计算与 Loa技术的配电网智能运检组网方案设计J 广东电力，2020，33(9):1 6 13 孙世岭 基于 Loa 技术的矿用顶底板测距传感器设计 J 工业仪表与自动化装置，2020(5):28 31 14 LUO Jian A ZigBee and sip based smart home systemdesign and implementationJ International Journal ofOnline Engineering，2017，13(1):42 60(上接第 59 页)接新风系统使用，方便快捷。根据样机的调研试用发现，核酸检测员对背负方式接受度更高，对系统的消杀、重量以及防护等级要求更多;巡检人员等外围疫检工作者则更加看重系统使用便捷性、降温效果和价格。试用过程中，受试者均表示穿戴系统后身体和心理上感觉更加舒适，能有效改善闷热积汗问题。同时，针对受试者的反馈建议，项目组将针对性改善部分问题。例如样机控制系统位于胸前位置，会影响医护人员采样工作，可将控制系统集成在新风模块壳体内;视觉辅助显示模块成本较高，可替换成普通屏显模块。目前，项目组已完成了二代样机的改进，并送往贵州省医疗器械检测中心检测，同时配合防护服进行细菌沾染实验，配套防护服无菌率达 100%。综上，该文研制的防护服配套穿戴式智能新风防护系统安全可靠，穿戴便捷，能有效解决普通防护服闷热积汗、护目镜起雾等问题，为奋战在抗疫一线的医护工作者和疫检人员提供更加舒适的工作环境。参考文献:1 党天华，赵蒙蒙，钱静 降温服的研究现状及应用前景 J 毛纺科技 2021，49(06):95 100 2 吴晗 智能降温服温控系统设计 D 武汉:华中科技大学，2019 3柯莹，周文 个体降温服降温效应评价指标及方法 J 服装学报，2021，6(01):1 7 4 安瑞平 强迫通风降温服的设计与评价 D 上海:东华大学，2019 5 柯莹，张海棠 降温服的研究现状及发展趋势 J 服装学报，2020，5(01):40 46 6 张静 基于热电制冷技术的降温服研究 J 机械设计与制造工程，2022，51(02):125 129982023 年第 2 期工业仪表与自动化装置