一种基于呼吸阻力动态分析的呼吸器防护状态智能判识装置

本发明涉及呼吸防护与职业健康监测，具体涉及一种基于呼吸阻力动态分析的呼吸器防护状态智能判识装置。

背景技术：

1、自吸过滤式呼吸器广泛应用于矿山、冶金、化工、医疗卫生等场景，主要用于阻挡粉尘、有毒颗粒物及有害气体，保护作业人员呼吸系统。呼吸器的防护效果主要由密封性能、呼吸阻力两大指标决定：面罩与面部密封不严会造成外界有害气体渗入；滤材长期积尘会导致呼吸阻力持续升高，加重佩戴者呼吸负担。

2、现有检测设备多为实验室离线检测装置，无法在实际佩戴过程中实时监测；同时传统设备仅单独检测密封状态或呼吸阻力，缺乏同步监测能力。此外，传统阻力限值采用统一标准，无法适配不同佩戴者的肺功能、作业强度等个体差异，检测结果实用性较差。针对上述缺陷，本案提出一种智能判识装置。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有呼吸器检测设备离线使用、监测维度单一、无法适配个体差异的缺陷，提供一种基于呼吸阻力动态分析的呼吸器防护状态智能判识装置，实现佩戴过程中密封泄漏、阻力超限的同步实时监测，提升呼吸防护的安全性与监测适配性。

2、一种基于呼吸阻力动态分析的呼吸器防护状态智能判识装置，包括呼吸器主体单元、呼吸阻力采集单元、数据处理单元、防护状态判识单元、嵌入式控制单元以及报警反馈单元；

3、还包括：

4、所述呼吸器主体单元包括呼吸面罩1、导气软管2以及固定绑带3，所述导气软管的一端与呼吸面罩1相连通，所述固定绑带3安装于呼吸面罩两侧，用于固定呼吸面罩佩戴位置；

5、所述呼吸阻力采集单元包括差压传感器4和数模转换模块5，所述差压传感器4通过气压传输管路2与呼吸面罩1内部相连通，所述差压传感器4用于实时采集人体呼吸过程中的压力变化信号，所述数模转换模块5用于将采集到的模拟信号转换为数字信号；

6、所述数据处理单元包括信号滤波模块6、数据归一化模块7以及时间窗切分模块8，所述信号滤波模块6用于对呼吸阻力原始信号进行滤波去噪，所述数据归一化模块7用于对呼吸阻力数据进行标准化处理，所述时间窗切分模块8用于对连续呼吸阻力数据进行滑动窗口切分；

7、所述防护状态判识单元包括防护失效判识模块9以及阻力超限预测模块10，所述防护失效判识模块9基于呼吸阻力变化特征识别呼吸器是否存在泄漏，所述阻力超限预测模块10用于预测人体吸气阻力耐受阈值；

8、所述嵌入式控制单元包括树莓派主控板11、数据存储模块12以及通信模块13，所述树莓派主控板11分别与数模转换模块5电性连接，与防护失效判识模块9以及阻力超限预测模块10信号连接，所述数据存储模块12用于存储呼吸阻力数据及模型分析结果；

9、所述报警反馈单元包括蜂鸣器14以及显示模块15，所述蜂鸣器14与树莓派主控板11电性连接，所述显示模块15用于显示呼吸阻力状态信息及报警结果。

10、优选的，所述呼吸面罩1采用硅胶半面罩结构，所述差压传感器4嵌设于呼吸面罩内部，所述树莓派主控板11接收差压传感器4采集的呼吸压力数据，对人体呼吸状态进行动态分析。

11、通过采用上述技术方案，通过实时监测人体呼吸过程中的压力变化，实现对呼吸器佩戴状态下呼吸阻力变化规律的动态分析，从而提高呼吸器防护状态监测的实时性与准确性。

12、优选的，所述信号滤波模块6采用低通滤波方式对原始呼吸阻力信号进行去噪处理，所述数据归一化模块7用于降低不同数据量纲对模型分析结果的影响。

13、通过采用上述技术方案，可有效降低环境噪声及随机干扰对呼吸阻力信号的影响，提高后续模型分析结果的稳定性与可靠性。

14、优选的，所述时间窗切分模块8采用滑动窗口方式对连续呼吸阻力数据进行切分。

15、通过采用上述技术方案，可对人体呼吸过程中的动态变化特征进行连续提取，以提高模型对呼吸状态变化的识别能力。

16、优选的，所述防护失效判识模块9采用afe模块与transformer模型相结合的方式进行状态分析，afe特征增强模块用于对呼吸阻力信号中的局部关键特征进行提取与增强，transformer模型用于学习呼吸阻力序列中的全局关联特征及长期动态变化规律。

17、通过采用上述技术方案，可有效提高不同泄漏状态下呼吸阻力变化特征的识别能力，从而实现对呼吸器防护失效状态的准确判识。

18、优选的，所述阻力超限预测模块10包括卷积神经网络、注意力机制以及长短期记忆网络，所述注意力机制用于增强模型对关键呼吸特征的关注能力。

19、通过采用上述技术方案，可提高人体吸气阻力耐受阈值预测精度，使阻力超限判识结果更加符合不同个体的实际呼吸能力差异。

20、优选的，所述树莓派主控板11用于完成呼吸阻力数据采集、模型运行、状态分析以及报警控制，所述通信模块用于实现装置与外部终端之间的数据传输。

21、通过采用上述技术方案，可实现呼吸阻力数据的实时处理与远程传输，提高装置的便携性与工程应用能力。

22、优选的，所述蜂鸣器14用于在树莓派检测到呼吸器发生防护失效或吸气阻力达到超限状态时发出报警信号，所述显示模块15用于实时显示当前呼吸阻力状态及报警信息。

23、通过采用上述技术方案，可提醒佩戴者及时调整呼吸器佩戴状态或更换滤材，从而提高呼吸防护安全性。

24、（三）有益效果

25、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

26、1）本发明实现了呼吸器防护失效与阻力超限状态的同步判识，提高了呼吸防护状态监测的全面性；

27、2）本发明基于呼吸阻力动态变化特征实现实时分析，能够提高复杂工况下的判识准确性；

28、3）本发明采用嵌入式平台实现实时部署，具有体积小、功耗低以及便携性好的特点；

29、4）本发明能够结合个体生理参数动态预测吸气阻力阈值，相较于传统统一限值方法具有更好的个体适应性；

30、5）本发明可广泛应用于矿山、化工、冶金以及医疗卫生等呼吸防护场景。

1.一种基于呼吸阻力动态分析的呼吸器防护状态智能判识装置，包括呼吸器主体、呼吸阻力采集单元、数据处理单元、防护状态判识单元、嵌入式控制单元以及报警反馈单元，所述呼吸器主体包括呼吸面罩 (1)、导气软管 (2) 与固定绑带 (3)，其特征在于： 所述呼吸阻力采集单元包括差压传感器 (4)、数模转换模块 (5)，所述差压传感器 (4) 通过导气软管 (2) 与呼吸面罩 (1) 内部连通，差压传感器 (4) 的信号输出端电性连接数模转换模块 (5)； 所述数据处理单元包括信号滤波模块 (6)、数据归一化模块 (7)、时间窗切分模块 (8)，所述数模转换模块 (5) 的输出端依次连接信号滤波模块 (6)、数据归一化模块(7)、时间窗切分模块 (8)； 所述防护状态判识单元包括防护失效判识模块 (9)、阻力超限预测模块 (10)，两个模块的信号输入端均连接时间窗切分模块 (8)； 所述嵌入式控制单元包括树莓派主控板 (11)、数据存储模块 (12)、通信模块 (13)，所述树莓派主控板 (11)分别信号连接防护失效判识模块 (9)、阻力超限预测模块 (10)，电性连接数据存储模块(12)、通信模块 (13)； 所述报警反馈单元包括蜂鸣器 (14)、显示模块 (15)，所述蜂鸣器(14)、显示模块 (15) 均与树莓派主控板 (11) 电性连接。

2.根据权利要求 1 所述的基于呼吸阻力动态分析的呼吸器防护状态智能判识装置，其特征在于：所述差压传感器 (4) 为微差压传感器，测量量程为 ±500pa，信号采样频率设置为 50hz~200hz。

3.根据权利要求 1 所述的基于呼吸阻力动态分析的呼吸器防护状态智能判识装置，其特征在于：所述信号滤波模块 (6) 采用低通滤波电路，用于滤除呼吸阻力原始信号中的环境噪声与随机干扰信号。

4.根据权利要求 1 所述的基于呼吸阻力动态分析的呼吸器防护状态智能判识装置，其特征在于：所述时间窗切分模块 (8) 采用滑动窗口结构，对连续的呼吸阻力时序信号进行分段处理。

5.根据权利要求 1 所述的基于呼吸阻力动态分析的呼吸器防护状态智能判识装置，其特征在于：所述防护失效判识模块 (9) 集成特征提取单元与信号分析单元，用于识别呼吸器密封泄漏对应的阻力信号特征。

6.根据权利要求 1 所述的基于呼吸阻力动态分析的呼吸器防护状态智能判识装置，其特征在于：所述阻力超限预测模块 (10) 集成特征提取与时序分析单元，用于结合呼吸信号预判佩戴者吸气阻力耐受阈值。

7.根据权利要求 1 所述的基于呼吸阻力动态分析的呼吸器防护状态智能判识装置，其特征在于：所述树莓派主控板 (11) 集成数据运算、逻辑控制功能，统筹实现信号采集、状态分析、报警控制全流程工作。

8.根据权利要求 1 所述的基于呼吸阻力动态分析的呼吸器防护状态智能判识装置，其特征在于：所述显示模块 (15) 为液晶显示组件，用于实时展示呼吸阻力数值、设备防护状态及报警提示信息。

9.根据权利要求 1 所述的基于呼吸阻力动态分析的呼吸器防护状态智能判识装置，其特征在于：所述呼吸面罩 (1) 采用硅胶半面罩结构，所述差压传感器 (4) 嵌装于呼吸面罩 (1) 的内侧腔体中。