一、前言

在持續(xù)的 COVID19 大流行情況下，人們已經(jīng)進(jìn)行了許多研究以強(qiáng)調(diào)空氣傳播是主要的傳播途徑。但是口罩的病毒感染預(yù)防效果沒(méi)有被充分討論，因此我們開(kāi)發(fā)這套藍(lán)牙口罩防護(hù)裝置旨在為社會(huì)提供有益的防護(hù)指標(biāo)。在這個(gè)項(xiàng)目中，主要使用Realtek藍(lán)牙計(jì)算技術(shù)對(duì)口罩周圍的空氣流場(chǎng)進(jìn)行可視化評(píng)估和口罩抑制飛沫感染的防護(hù)效能進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)感染變得越來(lái)越明顯的證據(jù)是呼吸液滴的傳播路線起著主導(dǎo)作用，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 是探索 COVID-19 的傳播機(jī)制方面的重要考量，預(yù)計(jì)將用于液滴傳播的所有物理方面的驗(yàn)證，從液滴的形成通過(guò)氣流的運(yùn)輸?shù)鹊取４送?，一些明確佩戴口罩有效性的數(shù)值指標(biāo)是否對(duì)社會(huì)有益，這仍然是一個(gè)有爭(zhēng)議的問(wèn)題暫不在本研究范圍。許多關(guān)于個(gè)人防護(hù)裝備 (PPE) 的可視化研究結(jié)果，尤其是面部口罩去年就有報(bào)道，我們使用日本一組感染者的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)提出了一個(gè)比較可靠的模型，它表明口罩的預(yù)防效果與大約 75% 的感染人口數(shù)相當(dāng)。然而，可通過(guò)光學(xué)測(cè)量捕獲的最小課粒是有限的，人體呼出的氣體中所含的幾微米或更小的氣溶膠微滴數(shù)由使用的設(shè)備和測(cè)量條件決定。

例如，關(guān)于人類咳嗽產(chǎn)生的飛沫數(shù)量有多種理論。1μm 或更小的顆粒數(shù)量在 1,000 和 1,000,0007–10 之間變化。雖然據(jù)報(bào)道氣溶膠微滴感染是 COVID-19 的主要傳播途徑，目前仍是不清楚感染風(fēng)險(xiǎn)隨著吸入的飛沫數(shù)量或體積的變化而變化。這種智慧型口罩是非常適合評(píng)估統(tǒng)計(jì)引起感染的飛沫數(shù)量；因此在對(duì)人體呼出的飛沫進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，一些研究認(rèn)為背景氣流上的液滴到達(dá)多遠(yuǎn)，氣流和行為的液滴不均勻，受環(huán)境影響很大,然而很少有關(guān)于面罩的 CFD 研究示例。本藍(lán)牙口罩方案的開(kāi)發(fā)希望能夠?yàn)樘峁┮环N新的防護(hù)手段來(lái)降低他人對(duì)自己感染的風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)抑制液滴數(shù)量從而是有效控制流行病爆發(fā)的認(rèn)知。

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圖 1. 簡(jiǎn)易藍(lán)牙智能口罩的測(cè)試裝置圖

二、智能口罩概述

Smart Mask 是一款個(gè)人防護(hù)面罩，具有可重復(fù)使用和可互換的過(guò)濾器，可無(wú)線升級(jí)帶有健康云分析的傳感服務(wù)的科技裝置。Smart Mask 的主要組件如下所述：

1) 可重復(fù)使用的面罩外殼帶有可更換的過(guò)濾器組和插入式傳感器模塊；

2) 一個(gè)具有嵌入式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備核心的傳感模塊，可充電電池、藍(lán)牙無(wú)線電和一些重要的傳感器；

3) 一部手機(jī)用戶應(yīng)用程序

4) 邊緣云計(jì)算后端作為具有個(gè)人健康數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的健康人工智能門戶，具有人工智能分析、警報(bào)和健康建議。

以下歸納了主要部件的主要研究問(wèn)題如表一所示。

A. 面具、材料和設(shè)計(jì)

面罩原型由一個(gè) 3D 打印的底盤和一個(gè)易于拆卸的電子模塊。過(guò)濾器是可更換，考量面罩增加了電子模塊太重，若沒(méi)有支撐結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致面具錯(cuò)位且使用會(huì)不舒服。此外模塊會(huì)接觸面部會(huì)使得用戶不舒服，傳感器直接接觸用戶的臉會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。而且電子產(chǎn)品模塊不能是一次性的；因此電子模塊必須附加到新的面罩上，研究了各種面罩設(shè)計(jì)，以確定最適合佩戴智能口罩后綜合考量并設(shè)計(jì)出用戶較為滿意的設(shè)計(jì)如下圖示。

B. 傳感和藍(lán)牙通信Soc

傳感和通信模塊的目的是為用戶提供準(zhǔn)確可靠的信息，不同類型的傳感器可用于檢測(cè)某些類型的事件。

例如，環(huán)境光傳感器 (ALS) 可以放置在面罩下方來(lái)測(cè)量光強(qiáng)度。在特定的光照強(qiáng)度下，當(dāng)可用光超過(guò)閾值時(shí)，可以假設(shè)面具不能很好地貼在用戶的皮膚，因此不能完全保護(hù)用戶。同樣地，來(lái)自加速度計(jì)的信息可用于測(cè)量智能面罩的潛在運(yùn)動(dòng)。類似地，空氣質(zhì)量可以在等效二氧化碳 (eCO2) 的幫助下測(cè)量總數(shù)空氣中的揮發(fā)性化合物。值得注意的是，如果空氣面具下的質(zhì)量正在下降，更有可能是用戶正在觸摸他們的面罩以釋放下面的熱空氣。在這里，如果用戶觸摸他們的口罩，他們可以將病毒傳播到它。為了最大限度地提高用戶的保護(hù)級(jí)別，有意或需要通過(guò)以下方式避免從面罩上意外的移動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，嵌入智能面罩的傳感器需要為用戶提供準(zhǔn)確可靠的信息。

因此，我們研究了面罩內(nèi)的傳感器位置對(duì)應(yīng)于傳感器的讀數(shù)。

例如，當(dāng)監(jiān)控面罩下的溫度，我們注意到傳感器的位置（例如，在面罩的按鈕上或在面罩的一側(cè)）會(huì)影響獲得的溫度。因此，一個(gè)溫度傳感器提供更高的溫度讀數(shù)取決于傳感器在面罩中的位置。如上所述，口罩下面的空氣質(zhì)量是設(shè)計(jì)過(guò)程中研究的關(guān)鍵參數(shù)之一。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一旦用戶戴上口罩，溫度就會(huì)迅速升高。然而，一段時(shí)間后，溫度開(kāi)始飽和，如果用戶保持穩(wěn)定（例如，坐在公共汽車上時(shí)）。在這個(gè)時(shí)刻工作，發(fā)現(xiàn)過(guò)濾器的選擇也有影響關(guān)于飽和溫度。

值得注意的是，每個(gè)用戶將有一個(gè)個(gè)人的舒適度，因此，一個(gè)不同的閾值溫度是可接受面罩的下方。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，過(guò)濾器越大（即顆粒物保護(hù)），下面的空氣越熱。一旦獲得來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)，提供立即向用戶獲取傳感器信息。這樣，我們專注用戶的智能手機(jī)與實(shí)時(shí)傳感器的通信。對(duì)于原型Smart Mask，我們使用了 藍(lán)牙低功耗（BLE）通信。能源管理是智能面具的一個(gè)重要方面。電池壽命對(duì)于用戶滿意度至關(guān)重要。其他換句話說(shuō)，如果用戶必須經(jīng)常給他們的面罩電池充電，他們會(huì)極為拒絕且不悅。

因此選擇可充電電池且快速充電等方面需要考慮為用戶提供精致輕巧的智能口罩設(shè)計(jì)的目的考量：

首先，傳感器信息需求準(zhǔn)確可靠。傳感器類型和位置對(duì)測(cè)量結(jié)果有影響。

其次，實(shí)時(shí)溝通可確保用戶在以下情況下立即得到通知他們的面具有問(wèn)題需要注意。

最后，最大限度地延長(zhǎng)和優(yōu)化 Smart 的電池壽命確保用戶的滿意度和佩戴面具的舒適度。

C. 集成應(yīng)用程序和 UI

設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了一個(gè)移動(dòng)應(yīng)用程序，以充當(dāng)智能面具的伴侶。該應(yīng)用程序是設(shè)計(jì)使用以用戶為中心的設(shè)計(jì)，以最大限度地用戶接受程度和用戶體驗(yàn)，并識(shí)別用戶要求、背景要求和相關(guān)的文化方面屏蔽使用并提供無(wú)縫連接和用戶Smart Mask、應(yīng)用程序、傳感器、分析和掩碼、應(yīng)用程序和后端之間的數(shù)據(jù)可視化。移動(dòng)應(yīng)用程序的 UI 提供了有關(guān)以下方面的重要信息Smart Mask 的狀態(tài)以及在何時(shí)提醒用戶需要（例如，電池電量不足、面罩漏氣、過(guò)濾器需要更換）。這些警報(bào)在 Smart口罩生態(tài)系統(tǒng)是確保安全運(yùn)行的重要組成部分條件。

移動(dòng)應(yīng)用程序的用戶界面是基于在項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)進(jìn)行的用戶研究通過(guò)對(duì)代表的七位潛在用戶的深入訪談不同的用戶組和使用環(huán)境。此外，用戶研究為設(shè)計(jì)提供了重要的用戶需求物理智能面具以及功能和Smart Mask 移動(dòng)應(yīng)用程序的可用性。基于這些結(jié)果，移動(dòng)應(yīng)用程序的用戶界面概念是設(shè)計(jì)和測(cè)試。不同的匿名用戶界面設(shè)計(jì)概念在 75 個(gè)用戶測(cè)試中進(jìn)行了測(cè)試，以映射用戶界面偏好和測(cè)試清晰度和移動(dòng)應(yīng)用程序 UI 的可理解性。主 UI 視圖顯示保護(hù)的一般狀態(tài)具有適當(dāng)?shù)念伾ňG色、黃色、紅色）和狀態(tài)消息。進(jìn)入黃色（瀕危）和紅色（妥協(xié)）狀態(tài)將導(dǎo)致通知/警報(bào)顯示在電話屏幕上，并聽(tīng)到警報(bào)信號(hào)。按下“注意”圖標(biāo)周圍的區(qū)域?qū)@示有關(guān)調(diào)整掩碼的上下文相關(guān)圖形說(shuō)明。

這應(yīng)用程序的其他視圖包括保護(hù)視圖、掩碼空氣質(zhì)量視圖、面罩狀態(tài)視圖和室外空氣質(zhì)量視圖用于外部數(shù)據(jù)。按下（或敲擊）保護(hù)區(qū)域默認(rèn)應(yīng)用程序視圖將顯示有關(guān)防護(hù)等級(jí)和如何調(diào)整面罩的說(shuō)明為適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。保護(hù)等級(jí)和相關(guān)只要狀態(tài)有效，就會(huì)顯示指令?？諝赓|(zhì)量視圖以類似的方式運(yùn)行，顯示信息關(guān)于整體面罩空氣質(zhì)量和測(cè)量濕度、溫度、二氧化碳、污染物和污染物。這另一方面，掩碼狀態(tài)視圖顯示更詳細(xì)有關(guān)電池電量、過(guò)濾器狀態(tài)和連接的信息地位。此外，使用空氣質(zhì)量的外部空氣質(zhì)量指數(shù)量表（對(duì)敏感群體來(lái)說(shuō)好、中等、不健康、不健康、非常不健康和危險(xiǎn)）和報(bào)告的用戶健康服務(wù)區(qū)域的 COVID-19 病例可以報(bào)道。應(yīng)用程序已連接到邊緣消息代理將面罩?jǐn)?shù)據(jù)從移動(dòng)應(yīng)用程序中繼到分析跨平臺(tái)的組件以及警報(bào)和通知。通信和警報(bào)顯示是實(shí)時(shí)完成的對(duì)于當(dāng)前選擇的掩碼。

該應(yīng)用程序允許用戶更換他們所戴的面具，提供手段指示過(guò)濾器的變化，并提供一個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)指示口罩當(dāng)前是否正在使用。對(duì)于用戶測(cè)試，通過(guò)發(fā)出命令遠(yuǎn)程控制應(yīng)用程序消息代理。這使可用性測(cè)試人員能夠攜帶遠(yuǎn)程出綠野仙蹤型測(cè)試場(chǎng)景2019冠狀病毒病封鎖?？捎眯院陀脩趔w驗(yàn)應(yīng)用程序與代表不同的五個(gè)用戶進(jìn)行了測(cè)試用戶組和使用環(huán)境。這些測(cè)試的結(jié)果表明應(yīng)用程序 UI 和 UX 都很好。這預(yù)期的用戶組可以使用該應(yīng)用程序有效性、效率和良好的用戶體驗(yàn)。

D. 后端和健康 AI

Health AI 后端的作用是提供

1）無(wú)縫支持在線智能口罩的數(shù)據(jù)分析服務(wù)操作，

2）促進(jìn)多個(gè)用戶之間的協(xié)作和利益相關(guān)者在運(yùn)營(yíng)期間，

3）提供手段故障恢復(fù)、受控?cái)?shù)據(jù)共享、外部數(shù)據(jù)源和第三方服務(wù)集成到平臺(tái)并提供健康數(shù)據(jù)長(zhǎng)期存儲(chǔ)和大數(shù)據(jù)服務(wù)數(shù)據(jù)分析針對(duì)不同的利益相關(guān)者。

一、在線操作過(guò)程中，智能口罩的安全性用戶是最關(guān)心的。所以除了口罩傳感器的數(shù)據(jù)分析，用戶需要了解口罩使用和建議中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤基于對(duì)用戶上下文用例特定的分析個(gè)性化的健康數(shù)據(jù)。此外通知用戶由于錯(cuò)誤，設(shè)備故障或更改可能導(dǎo)致的危險(xiǎn)操作環(huán)境，例如快速變化環(huán)境參數(shù)，例如危險(xiǎn)物質(zhì)泄漏進(jìn)入空中，操作中需要數(shù)據(jù)分析組件為用戶創(chuàng)建實(shí)時(shí)警報(bào)。

二、平臺(tái)應(yīng)便于定位

在某些情況下監(jiān)控多個(gè)用戶的面具和動(dòng)作當(dāng)?shù)丨h(huán)境，例如醫(yī)院急診室。這后端平臺(tái)應(yīng)集成移動(dòng)應(yīng)用程序，從口罩收集的傳感器數(shù)據(jù)、個(gè)性化的健康數(shù)據(jù)、和基于位置的環(huán)境數(shù)據(jù)，用于內(nèi)部實(shí)時(shí)分析，以提供操作的聚合視圖以促進(jìn)用戶在此類領(lǐng)域的安全協(xié)作和合作可能的危險(xiǎn)環(huán)境。

三、平臺(tái)本身應(yīng)該能夠監(jiān)控和分析自己的在線運(yùn)營(yíng)和性能，以提高保護(hù)并從軟件和硬件中恢復(fù)組件故障和網(wǎng)絡(luò)連接問(wèn)題。最起碼，用戶應(yīng)該被告知平臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)連接性和相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。

四、后端的Health AI組件提供

用于長(zhǎng)期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的裝置，從面罩和操作環(huán)境以及相關(guān)分析。這這種分析的結(jié)果有利于多個(gè)利益相關(guān)者，如用戶、平臺(tái)管理、第三方服務(wù)提供者、研究人員和公共第 3 方服務(wù)提供商，僅舉幾例。因此，我們采用了可預(yù)見(jiàn)的邊緣計(jì)算范式用于智能口罩平臺(tái)和后端設(shè)計(jì)和原型在底層物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上實(shí)施智能口罩和用戶的移動(dòng)應(yīng)用程序已連接。邊緣計(jì)算能夠利用最終用戶設(shè)備（例如，智能手機(jī)）和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施組件，例如網(wǎng)關(guān)，作為分布式計(jì)算平臺(tái)的一部分，其中分區(qū)的分布式 IoT 應(yīng)用程序組件可以是通過(guò)虛擬化從云中利用 。

不同規(guī)模的虛擬化允許多種選擇用于將這些軟件組件部署到底層系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)。有鑒于此，我們?cè)O(shè)計(jì)了后端功能以實(shí)時(shí)分析的方式組件可以直接放置在操作場(chǎng)所的智能口罩用戶。此外，我們采用了當(dāng)前行業(yè)軟件開(kāi)發(fā)實(shí)踐，即 DevOps、CI/CD 和微服務(wù)，作為平臺(tái)組件開(kāi)發(fā)解決方案。由于這些技術(shù)目前是眾所周知的廣泛使用，集成第三方服務(wù)和外部數(shù)據(jù)源變得簡(jiǎn)單明了。此外，現(xiàn)有的邊緣平臺(tái)管理解決方案（例如 Kubernetes 和帶有容器的微服務(wù)虛擬化）已經(jīng)成為可與現(xiàn)有的系統(tǒng)監(jiān)控功能和故障恢復(fù)。

圖 2. Smart Mask 軟件架構(gòu)。

智能口罩的最終軟件架構(gòu)平臺(tái)和后端如圖 2 所示。從云層，我們?cè)谶@里放置智能蒙版功能軟件組件作為微服務(wù)，本質(zhì)上是構(gòu)建具有不同部署選項(xiàng)的分布式應(yīng)用程序邏輯基于他們的計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)資源跨層需求。平臺(tái)管理解決方案，例如 Kubernetes，需要半自動(dòng)運(yùn)行平臺(tái)，部署軟件組件并監(jiān)控其表現(xiàn)。此外，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)控管理員監(jiān)控平臺(tái)狀態(tài)的UI，即狀態(tài)微服務(wù)、連接設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)連接作為額外的安全措施。例如，一個(gè)監(jiān)控微服務(wù)應(yīng)該收集平臺(tái)運(yùn)行的數(shù)據(jù)基于對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析，實(shí)時(shí)可視化并向用戶發(fā)送警報(bào)。云層還包含一個(gè)用于面罩長(zhǎng)期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)解決方案?jìng)鞲衅?、用戶和操作環(huán)境數(shù)據(jù)，以及用于外部 3rd 方服務(wù)集成的公開(kāi)接口。在邊緣層，我們放置了數(shù)據(jù)分析組件實(shí)時(shí)創(chuàng)建有關(guān)操作的信息口罩使用者所在場(chǎng)所的條件。融合的然后消息代理管理數(shù)據(jù)和信息跨系統(tǒng)交付，放置在靠近用戶的位置促進(jìn)優(yōu)先信息的加速交付。消息傳遞的代理解決方案支持不同類型用于數(shù)據(jù)傳播的消息的不同數(shù)據(jù)類型多種應(yīng)用場(chǎng)景和通知（例如，信息/警報(bào)）和單獨(dú)的系統(tǒng)控制命令。使用眾所周知的解決方案，例如 MQTT(S) 協(xié)議，便于輕松集成其他軟件組件跨層。在設(shè)備層我們放置了 Smart Mask 和它們的無(wú)線連接到本地邊緣服務(wù)器的移動(dòng)應(yīng)用程序，為多個(gè)用戶提供實(shí)時(shí)分析服務(wù)和消息傳遞。

三、藍(lán)牙Soc選擇

業(yè)內(nèi)可選藍(lán)牙Soc 近年來(lái)如雨后春筍般的涌現(xiàn)出來(lái)，這提供給欲從事藍(lán)牙應(yīng)用開(kāi)發(fā)者們的豐富選擇余地，然而對(duì)比了其他家藍(lán)牙芯片，Realtek在業(yè)內(nèi)獨(dú)具風(fēng)格的特性，讓人眼前一亮，其最新出來(lái)的RTL8762CK/CKF藍(lán)牙芯片功能強(qiáng)大, 高度靈活且超低功耗的Bluetooth 5.0 基于Realtek Semiconductor Corp RTL8762CK /CKF SoC解決方案的芯片, 它結(jié)合了領(lǐng)先的射頻收發(fā)器的卓越性能和32位ARMCortex-M4F CPU以及強(qiáng)大的支持功能和外設(shè)。

2.1、芯片簡(jiǎn)介

一般說(shuō)明

與智能PMU超低功耗

支持藍(lán)牙5.0核心規(guī)范

支持2 mbps勒

LE廣告擴(kuò)展

勒長(zhǎng)期

額外的副詞通道

頻道選擇# 2

高工作周期Non-Connectable睡覺(jué)

集成單片機(jī)執(zhí)行藍(lán)牙協(xié)議棧

支持多個(gè)水平低能量狀態(tài)

支持LE L2CAP面向連接的通道的支持

支持勒小功率的定向廣告

支持LE數(shù)據(jù)長(zhǎng)度擴(kuò)展功能

支持固件升級(jí)的OTA(無(wú)線)編程機(jī)制

支持差距,丙氨酸/關(guān)貿(mào)總協(xié)定,SMP, L2CAP

通用申請(qǐng)缺口中心,外圍,觀察者和電視臺(tái)的角色

Cortex-M4處理器

手臂Cortex-M4浮點(diǎn)單元(最大40 mhz)

串行閃存控制器(一個(gè)和Qual-bits模式)與16 kb 4路緩存。

總160 kb SRAM

4 kbits eFUSE制造商使用

支持AES128/192/256加密/解密引擎

嵌入式2 mbit flash (RTL8762CKF / RTL8762CJF)

RF性能

接收靈敏度:-97 dbm祝福(分鐘)

快AGC控制來(lái)改善接收動(dòng)態(tài)范圍

支持藍(lán)牙低能量PHY

周邊接口

靈活的通用操作系統(tǒng)

RTL8762CJ: 24 gpios (max)

RTL8762CJF: 26 gpios (max)

RTL8762CK: 32 gpios (max)

RTL8762CKF: 34 gpios (max)

硬件Keyscan和Quad-decoder

嵌入式紅外收發(fā)器

實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器(RTC)

支持通用的四線SPI主/從

支持8通道低功率比較器

400年過(guò)度增殖,12位,8通道AUXADC

計(jì)時(shí)器x 8

I2C x 2

PWM x 8

UART x 2

i2 / PCM接口為外部音頻編解碼器

支持I8080 LCD的接口

支持外部40 mhz晶體沒(méi)有電容器(在有限的條件)

支持外部32.768 khz晶體沒(méi)有電容器(在有限的條件)

支持嵌入內(nèi)部32 k RCOSC保持BLE鏈接(在有限的條件)

嵌入式PGA與五波段情商和音頻ADC模擬麥克風(fēng)接口包

RTL8762CJ: 40-pin 5 x5mm QFN

RTL8762CJF: 40-pin 5 x5mm QFN

RTL8762CK: 48-pin 6 x6mm QFN

RTL8762CKF: 48-pin 6 x6mm QFN

2.2、工作原理及組成簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)主要由飛利浦新風(fēng)ACM015 模組及ACM055 口罩和基于紙質(zhì)電子呼吸傳感器組成，其核心無(wú)線傳輸處理芯片采用了Realtek RTL8762CK/CKF芯片，RTL8762CK/CKF藍(lán)牙芯片功能強(qiáng)大, 高度靈活且超低功耗的Bluetooth 5.0 基于Realtek Semiconductor Corp RTL8762CK/CKF SoC解決方案的芯片, 它結(jié)合了領(lǐng)先的射頻收發(fā)器的卓越性能和32位ARMCortex-M4F CPU以及強(qiáng)大的支持功能和外設(shè). 由其組成的系統(tǒng)原理如下：

首先由飛利浦新風(fēng)口罩ACM015 &ACM055新風(fēng)模組負(fù)責(zé)空氣的抽樣后，然后通過(guò)基于紙質(zhì)電子呼吸傳感器（見(jiàn)圖示）的檢測(cè)，超過(guò)其濃度會(huì)產(chǎn)生口罩顏色變換及其他的告警提示人們盡快遠(yuǎn)離潛在的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

圖示：紙質(zhì)電子呼吸傳感器

系統(tǒng)可選的應(yīng)用“image sensor unique scan QR code”部分，用于未來(lái)口罩常態(tài)化下的社交或者其他應(yīng)用場(chǎng)景（通過(guò)雙方QR碼的交換來(lái)），目前暫作為保留功能。如何解QR碼原理如下：一般來(lái)說(shuō)，二維碼解碼算法是通過(guò)識(shí)別黑色或白色，在二維碼圖像中找到有意義的符號(hào)如方形模塊。它類似于條形碼。

以下是解碼過(guò)程的示例：

a）.計(jì)算閾值并將圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像

b）. 找到取景器圖案。Finder 圖案由位于角落的三個(gè)相同圖案組成。模塊序列固定為1黑色|1白色|3黑色|1白色|1黑色。

如圖示意。

c）. 分析定位器圖案的位置以識(shí)別旋轉(zhuǎn)。

d）. 分析取景器圖案的位置以識(shí)別距離。

e）.計(jì)算模塊大小

f）.獲取二維碼圖片的版本

g）. 從二維碼生成位圖

h）.讀出校正等級(jí)和掩模圖案

i）. 使用掩碼模式應(yīng)用 XOR 操作

j）.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)則分析符號(hào)

k）.獲取比特流并應(yīng)用糾錯(cuò)程序

l）. 重組比特流并按規(guī)則解碼。

2.2.1、FAN 部分由飛利浦新風(fēng)ACM015 模組組成，主要導(dǎo)入新鮮的空氣并進(jìn)行熱交換以達(dá)到提升呼吸。

采用ACM015 動(dòng)力模組擁有超強(qiáng)動(dòng)力引擎，加速口罩內(nèi)空氣循環(huán)，大大降低呼吸阻力；有更多新鮮空氣，更少CO2，告別悶熱和濕氣，呼吸更舒適。

2.2.2、Sensor部分（集成了UV sensor，溫濕度sensor、Air質(zhì)量sensor 等等）

1）紫外線指數(shù)傳感器 (UV sensor UVIS25):

ST意法半導(dǎo)體的新家庭紫外線指數(shù)傳感器提供了一個(gè)直接數(shù)字輸出的紫外線指數(shù)(紫外線指數(shù)),國(guó)際測(cè)量紫外(UV)輻射的強(qiáng)度。利用ST專有技術(shù),紫外線指數(shù)設(shè)備對(duì)紫外線敏感波從紫外線a (315 - 400 nm)紫外線b (280 - 315 nm)最關(guān)心的波長(zhǎng)對(duì)人類健康的影響。UVIS25允許紫外線指數(shù)的測(cè)量,不需要一個(gè)專門的算法來(lái)計(jì)算紫外線指數(shù),沒(méi)有具體的校準(zhǔn)在客戶生產(chǎn)設(shè)施。這些傳感器用于紫外線指數(shù)測(cè)量在可穿戴設(shè)備,智能手機(jī)、平板電腦、氣象站設(shè)備和其他許多新興的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

2）ST意法溫濕度sensor (HTS221):

意法半導(dǎo)體的數(shù)字濕度及溫度傳感器基于平面電容技術(shù)，在感應(yīng)元件中集成了溫度和濕度傳感器。利用我們?cè)诩铀俣扔?jì)和陀螺儀方面讀取小電容變化的豐富經(jīng)驗(yàn)，意法半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)了差分電容感應(yīng)元件，與溫度傳感器一起，可提供相對(duì)濕度數(shù)據(jù)。其傳感器、數(shù)字處理電路、板上校準(zhǔn)、專有算法都集成于單獨(dú)的封裝中，易于使用。其小尺寸及低功耗是手機(jī)、智能家庭（家庭應(yīng)用及HVAC）、倉(cāng)儲(chǔ)物流應(yīng)用的理想選擇。

3) Air質(zhì)量sensor (SGP41):

空氣質(zhì)量傳感器可用于檢測(cè)空氣中的污染物，這包括可能會(huì)對(duì)人體健康有害的顆粒物、污染物和有害氣體。它們可用于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、工業(yè)氣體檢測(cè)、飛機(jī)上的燃燒控制器和制氧機(jī)等應(yīng)用。揮發(fā)性有機(jī)化合物 (VOC) 傳感器能夠檢測(cè)揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)和有臭味的污染物，一個(gè)空氣質(zhì)量傳感器是指一個(gè)便攜設(shè)備,空氣質(zhì)量測(cè)量功能。能夠監(jiān)測(cè)有害空氣污染物,包括臭氧,二氧化氮、二氧化碳和可吸入顆粒物．空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)不同機(jī)制依賴于操作為一個(gè)特定的目的。例如,激光粒子計(jì)數(shù)器提供數(shù)據(jù)的大小和數(shù)量的粒子移動(dòng)通過(guò)一個(gè)室。 這些傳感器也依賴于算法將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可讀的測(cè)量，該算法可以取得必要的改變等因素濕度、溫度、等,干擾測(cè)量，具體應(yīng)用參考以下圖示例子：

具體網(wǎng)站可以下載：www.sensirion.com:

2.2.3、Core部分

2.2.3.1 芯片配置:

RTL8762C/RTL8752C 系列芯片配置表

1) 使用external Flash，VBAT 會(huì)受限于Flash 電壓；

2) external 32.768KHz 共用2 個(gè)IO，MIC BIAS 共用1 個(gè)IO， external Flash 4-bit mode 共用2 個(gè)IO；

SWD port 和UART port 計(jì)入IO 總數(shù)。

3) P0_3 為log pin 只能NC，不能復(fù)用。

4) Audio ADC 使用P2_6，P2_7；另外有1 Channel Low power competitor

5) 1 個(gè)UART 已作log 使用。

2.2.3.2 芯片配置:復(fù)位

HW_RST_N 是RTL8762C 芯片的復(fù)位管腳，低電平有效。該管腳為高阻態(tài)，芯片內(nèi)建~100K ohm 上拉，建議在外部管腳添加電容。如果不用reset IC，建議外部加10K 上拉電阻。

2.2.3.3 晶振需求

1）40MHz crystal:

為MCU active 狀態(tài)的參考時(shí)鐘，RTL8762C可以使用CL規(guī)格為7pF~12pF的40M晶振。晶振規(guī)格要求請(qǐng)參考HDK 文檔中rBom list 。

使用CL=7/9pF 晶振是可以只使用芯片內(nèi)部電容作為匹配電容，但量產(chǎn)時(shí)需要對(duì)每顆IC 單獨(dú)做校準(zhǔn)。如果期望使用統(tǒng)一的電容設(shè)定值，不對(duì)每塊PCB 都做單獨(dú)的頻偏校準(zhǔn)，建議使用CL=12pF 的晶振和外部電容C1，C2 和芯片內(nèi)部電容共同調(diào)整頻偏。如何選擇合適的內(nèi)部&外部電容值，請(qǐng)參考4.1 量產(chǎn)頻偏校準(zhǔn)說(shuō)明。

2）32.768 KHz crystal:

晶振規(guī)格要求具體請(qǐng)參考HDK 文檔中rBom list，如果使用CL 規(guī)格為7pF 的32.768KHz 晶體時(shí)，匹配電容可以不上件。

2.2.4、電源部分

采用大容量多顆疊加鈕扣電池的低功耗設(shè)計(jì)，使得產(chǎn)品電池更換更加容易方便，且長(zhǎng)時(shí)間保持強(qiáng)勁的動(dòng)力輸出從而保證顧客的戶外活動(dòng)不受任何影響并獲得更好的病毒監(jiān)測(cè)防護(hù)。

三、軟件設(shè)計(jì)

軟件參考SDK開(kāi)發(fā)手冊(cè)，這里簡(jiǎn)單介紹一下：

在開(kāi)發(fā)軟件前需要準(zhǔn)備安裝有Keil Tool及Jlink 開(kāi)發(fā)工具、SDK、 EVB等等，其開(kāi)發(fā)環(huán)境連接如下圖所示：

3.1，打開(kāi)VS Code

網(wǎng)上有免費(fèi)的vs code工具，它是微軟Visual Studio 家族里新一代輕量級(jí)IDE tools.采用組件或者插件搭積木式的開(kāi)源工具，業(yè)界享有盛名。

3.2，導(dǎo)入BEE2-SDK-v1.2.0工程后，用戶根據(jù)自己的需要自行配置SSH，powershell，其他shell進(jìn)行交互式開(kāi)發(fā)。在vs code平臺(tái)下也可以利用keil 編譯器來(lái)完成Realtek 編譯工作，當(dāng)然也可以完全采用GNU gcc 編譯，自行搭建全免費(fèi)的交叉編譯開(kāi)源環(huán)境，只是過(guò)程比較繁瑣，例如在liunx下的gcc編譯器，這里就不一一講解。用戶可以下載的GNU ARM工具鏈：gcc-arm-10.3-2021.07-x86_64-arm-none-eabi.tar.xz

四、燒錄及調(diào)試

4.1，調(diào)試校準(zhǔn)頻偏

Realtek 有 8 762C 自動(dòng)校準(zhǔn)頻偏方案，需到淘寶購(gòu)買 Golden 板：

購(gòu)買后按照操作說(shuō)明輕松就完成頻偏校準(zhǔn)工作。

4.2.準(zhǔn)備燒錄

以下介紹如何用串口給RTL8762CK/CKF燒錄固件的步驟：

4.2.1，將板子與四線串口連接上

VDD

P30(Tx) <=> Rx

P31(Rx) <=> Tx

GND

注意：燒錄時(shí)務(wù)必將LOG腳接地

4.2.2,然后打開(kāi)并設(shè)置燒錄工具 MPTool，在工具的左上角\類型->選\ (量產(chǎn) 或 調(diào)試)，這里選\調(diào)試模式,再配置一些參數(shù)，導(dǎo)入添加Image共5個(gè)文件

Patch文件：

App 文件：

Config file 文件：

OTA header file文件：

App data文件：

4.2.3,在量產(chǎn)的時(shí)候用 MPPackTool 將多個(gè)文件打包成一個(gè)文件

4.3，RF TEST TOOL燒錄及驗(yàn)證

RF TEST TOOL的 log 輸出信息如圖，則說(shuō)明燒錄完成。

燒錄完成后，可以把選項(xiàng)改為 R F T est ，測(cè)試 一下 燒錄是否成功：

點(diǎn)擊start 和 stop L og 輸出信息如圖，則說(shuō)明燒錄成功，此時(shí)可以用藍(lán)牙綜測(cè)儀測(cè)試到相關(guān)藍(lán)牙參數(shù)，或者送給認(rèn)證機(jī)構(gòu)認(rèn)證。

五、Debug 分析及測(cè)試工具介紹

六、遠(yuǎn)景的應(yīng)用場(chǎng)景分析

目前，大眾市場(chǎng)是“不智能”的布口罩，呼吸器和外科口罩。只有少數(shù)產(chǎn)品存在嘗試為面具添加智能。市面上最先進(jìn)的口罩是“單機(jī)”幾乎沒(méi)有額外功能的產(chǎn)品（例如，緩解呼吸的風(fēng)扇通過(guò)面罩或檢測(cè)進(jìn)氣的傳感器），而不是集成的智能系統(tǒng)，我們是一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)的一部分，即設(shè)備+云+應(yīng)用程序。將 Smart Mask 與其他替代品進(jìn)行比較。有以下不同點(diǎn)：

1、過(guò)濾是口罩的基本特征，它能過(guò)濾不需要的物質(zhì)。

2、考慮醫(yī)療用途的口罩必須具有醫(yī)療級(jí)。

3、風(fēng)格/時(shí)裝秀是多樣的，其特征使面膜部分可取并更換且具備良好的舒適度。

4、增加的電子功能，如傳感，考慮如果口罩具有測(cè)量各種因素的能力。

另外面罩通風(fēng)意味著需要有風(fēng)扇。產(chǎn)生的嗓音反過(guò)來(lái)可以校正用于改善/放大語(yǔ)音。增加的智力功能，例如基于 AI 的指導(dǎo)研究，如面罩提供為用戶提供指導(dǎo)、警報(bào)和通知。人數(shù)層面建議是指為更廣泛的人提供建議的上市使用的能力，而數(shù)據(jù)混搭和共享研究確定后端 AI 分析可以從其他來(lái)源的數(shù)據(jù)中受益并共享數(shù)據(jù)和分析結(jié)果（以安全、可靠和匿名方式）。因此我們的智能口罩解決方案，提供數(shù)字化可穿戴設(shè)備保護(hù)。Smart Mask 將提供一個(gè)全新的向愿意投資的客戶提供市場(chǎng)定制安全。Smart Mask 提供“智能作為服務(wù)”并提供非常個(gè)人的健康和福祉好處。它是 N95 型可重復(fù)使用的呼吸面罩，輔以可變傳感器、實(shí)時(shí)連接后端分析和用戶移動(dòng)應(yīng)用程序。下一代的智能口罩解決方案可防止 COVID-19 通過(guò)正常的呼吸和說(shuō)話。智能口罩及其生態(tài)系統(tǒng)提供“人工智能即服務(wù)”并提供個(gè)人健康和福利。智能傳感模塊可以是配置了各種傳感器措施，如二氧化碳呼氣、脈搏、溫度和進(jìn)氣量。智能面具還可以測(cè)量空氣污染和其他幾種環(huán)境變量。測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上，用戶可以通過(guò)手機(jī)監(jiān)控自己的健康數(shù)據(jù)應(yīng)用。

七、結(jié)論

本文介紹了一款智能口罩，并附有生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)和智能服務(wù)的建議，以防止 COVID-19 和其他呼吸道病毒的入侵。用戶也想要差異化未來(lái)口罩越來(lái)越被視為一種時(shí)尚宣言，而這個(gè)即可保持安全的產(chǎn)品也可以擴(kuò)展到時(shí)尚、運(yùn)動(dòng)、老人、臨床等。Smart Mask 不僅僅是一次性的解決方案。相反它提供創(chuàng)新的多學(xué)科應(yīng)用場(chǎng)景。我們的目標(biāo)是旨在幫助我們的合作伙伴不斷創(chuàng)造全球市場(chǎng)機(jī)會(huì)在智能可穿戴市場(chǎng)的突破。Realtek無(wú)線一直在此領(lǐng)域帶給用戶極致的體驗(yàn)，未來(lái)與用戶一道開(kāi)創(chuàng)新的應(yīng)用市場(chǎng)并培育巨大的市場(chǎng)先機(jī)。