基于单片机和逆卡诺循环的联网人体降温监控系统
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摘要：在高温影响下，人容易出现体温调节功能紊乱，特别是在气温高于35℃的环境中从事重体力活动，容易导致中暑。本文研究一款基于单片机和逆卡诺循环的联网人体降温监控系统，该系统由智能温控系统和监测使用者生命体征系统两大智能部分构成，其中智能温控系统利用单片机做主控，温度传感器作调温开关，由水冷制冷系统和热交换穿着装置构成。用于实时监控环境温度、使用者体温、与人体热交换后水的温度，确保高温作业人员的健康安全。
关键词：单片机;逆卡诺循环;联网;人体降温;监控系统
一、概述
（一）研究目的
在高温影响下，人容易出现体温调节功能紊乱，特别是在气温高于35℃的环境中从事重体力活动，容易导致中暑。本文研究一款基于单片机和逆卡诺循环的联网人体降温监控系统，用于实时监控环境温度、使用者体温、与人体热交换后水的温度，确保高温作业人员的健康安全。
（二）研究意义
（1）利用电脑编程，智能监控所有在使用中的水冷制冷系统及使用者的体温，并能警示和预警大范围内试用者的生命体征异常情况。
（2）利用逆卡诺循环原理制作可穿戴在身上的智能制冷装置，摒弃目前市面传统制冷服需要管道拖拽的局限性，并且能根据外界温度和人体温度进行智能调温。
（3）穿戴模式不局限于背心，还提供袖套及常用的围脖模式。
二、研究方法
（一）现有人体制冷装置技术调研
通过大量文献表明，目前市面上主要的人体制冷装置多为空调服，按调温方式分为三个等级：第一类，被动式空调服：通过特殊材料实现自适应调节。它的缺点在于制冷时间短暂，吸放热速度较快，温度无法调节，降温时间短;并且对皮肤的遮盖透气性差，容易发生材料泄露等安全隐患事件。第二类，散热式散热服：这是一种通过例如蒸发吸热的特定方式来排放人体表面热量的方式。但是传统的风扇体积都比较大，不容易装在衣服上，就算勉强能够安装也会使得衣服穿着不舒服，并且行动上也显得不方便。第三类主动式降温服：能根据热环境的变化采取主动降温操作，这一般需借助于制冷机实现。[1]此类降温服质量重、体积大且管路限制在工作中使用的便利性。
（二）基于单片机和卡诺循环的联网人体降温监控系统原理
经过分析，我决定借鉴可穿在身上的空调衣的模式研制夏季户外工作者的人体智能制冷装置。它分为智能温控系统和监测使用者生命体征系统两大智能部分。
1.智能温控系统
智能温控系统系统由单片机做为主控，温度传感器作为调温开关，与水冷制冷系统和冷水与人体进行热交换系统构成。
单片机主控在智能温控系统的作用表现为三个：实时收集从人体热交换回来的热水的温度来调控水冷制冷系统的温度;实时收集使用者的体温，根据人体体温自动通过调节电压来调节输出功率，达到自动调温的效果;将收集到的使用者的体温通过无线通信模块与监测使用者生命体征系统进行数据交互。
2.基于卡诺循环的水冷制冷系统
1）逆卡诺循环基本原理：
①制冷剂原先处于低温高压状态，经膨胀机后变成了低温低压的液态制冷剂后，进入蒸发器中进行蒸发吸热。从空气中吸收大量的热量Q1，在T1温度下进行等温膨胀1-2;
②蒸发吸热后的制冷剂变成了气态物质后，接下来进入压缩机。经过压缩机的绝热压缩2-3后，又变回了高温高压的制冷剂（此时制冷剂中的热量分为两部分：空气中吸收的热量Q1及压缩机在压缩制冷剂过程中消耗的部分转化为热量的电能Q2;
③被压缩后的高温高压制冷剂进入冷凝器，在T2温度下进行等温压缩3-4，并将其所含热量（Q1+Q2）释放出去;
④放热后的制冷剂以液态形式进入膨胀机，再进行绝热膨胀4-1，使其温度由T2降至T1，即使工质回到初始状态1，如此不间断进行循环。
⑤冷水获得的热量Q3=制冷剂从空气中吸收的热量Q2+驱动压缩机的电能转化成的热量Q1，在标准工况下：Q2=3.6Q1，即消耗1份电能，得到4.6份的热量。[3]
逆卡诺循环是一切蒸发式制冷的基础。
2）基于逆卡诺循环原理，本水冷压缩式制冷机（系统）主要由：压缩机、冷凝器、节流毛细管和水冷蒸发器四部分组成，并用管道连接成一封闭循环系统。
①水冷蒸发器：这是一种使得制冷剂在低温液态下与需要冷却的水进行热交换的换热器，它由一组或几组盘管组成。当低温液态的制冷剂进入蒸发器盘管中时，由于它的温度低于盘管周围水的温度，进而实现蒸发汽化过程，从而带走盘管周边的水的热量，使得水保持低温状态，這就是水冷的制冷原理。
②压缩机：从水冷蒸发器出来的低压制冷剂蒸气进入压缩机被压缩，气体的压力被增加，当增加到与冷凝温度相对应的冷凝压力相等时，就能使得制冷剂蒸气进入冷凝器后在常温下呗冷凝液化。
③冷凝器：气态的制冷剂进入冷凝器向周围的环境介质液化放热重新变成液态的制冷剂进入新的循环使用。
④节流装置：使冷凝器中出来的冷凝液进一步降压降温成为低温低压液态制冷剂的装置。本项目采用常用的节流为毛细管。
3）制冷剂选择。目前市场上的制冷剂普遍采用氟化烃，它具有成本低，易于获取，无毒，不燃，具有较大的汽化潜热等特点。它的组成为碳（基本成分）+H，Cl，F的化合物。资料表明，含Cl量越多，毒性越强，含H量越多，易燃性越强，含Cl和F的量的越多，完全被卤化（大气寿命长），本项目采用的制冷剂是r134a。
作为人体智能制冷装置，最为重要的就是便携，水冷制冷装置作为整个装置最重的部分，通过精简设计仅有2.8KG。
3.冷水与人体进行热交换系统
制作包含背心式，袖套式和脖套式三种热交换穿着装置，这些穿着装置内置回旋盘状水管，将水冷制冷系统制备的冷水通过这些回旋盘状水管利用热交换原理冷却回心静脉血，带走人体因活动或外界环境升温的热量。热交换后的热水通过水泵再重新送往制冷系统的水冷蒸发器中进行冷却。 4.监测使用者生命体征系统
监测使用者生命体征系统通过无线通信模块与智能温控系统进行数据交互，其电脑端可以监控一定工作范围内所有工作中的智能温控系统的实时状态，从而监测每个使用者的生命体征，并根据其体征数据进行及时警示和报警，预防人体因高温导致中暑等。
（三）夏季户外工作者的人体智能制冷装置使用模式
1.换热管路循环结构
换热管路循环结构采用多管路循环式，增加了管路布局的灵活性，尽可能的获得更大的换热面积，在分支管路相连处使用密封性能好的快速插头，防止冷却液泄露，获得较好的冷却效率。本项目采用尺寸为4*6mm的换热管路。
2.穿戴模式多样化
在温度及风速改变的情况下，生理学规律中表示皮肤温度随着环境温度的下降而降低，并随着风速的减弱而增高头颈部的变化量最小，其次为躯干，臂部、腿部及手部变化最大。根据体表热流以及出汗量的分布，也可说明此规律。
因此，最稳定并且制冷效能最有效的部位是头颈部和躯干部位。因此，本项目将人体穿戴模式生成三种有效降温部位的模式，一是颈部，二是左手臂部（离心脏计近），三是躯体。使用者可以根据使用习惯自由搭配选择。因此，对应三种穿戴模式：背心式——冷却面积较大，制冷效果比较迅速;袖套式——直接冷却左手臂靠近心脏的回心静脉血，制冷有针对性，并且覆盖身体面积最小;围脖式——冷却颈动脉血，制冷效果强，与工人日常降温方式贴近。
三、研究结果
目前，夏季户外工作者的人体智能制冷装置已初步完成第一次研发，在小范围人群内试用，制冷效果反应效果良好，并且装置探测的人体温度误差较小，智能温控系统及监测使用者生命体征系统能正常进行数据交互，监测使用者生命体征系统也能正常警示和报警。及下一阶段将进行详细数据测试，及试用工作。
它实现了通过特定的程序与监控水冷系统连接，从而清楚知道人体体温变化，并能够在体征异常时发布预警和报警;穿戴模式多种，包括背心、袖套、围脖;可穿戴在身上，摒弃目前市面上传统制冷服需管道拖拽的缺点。
目前本项目已通过教育部科技查新工作站的查新，通過泉州市一鸣交通电器有限公司的安全技术检测，提交了国家知识产权局发明专利和实用新型专利。并于10月与福建省泉州市一鸣公司签订了开发协议。
参考文献：
[1]曾彦彰，等.纺织学报[J].Vol.28，pp.100-105，2007.
[2]刘静.热学微系统技术[J].2008.
[3]振东.逆卡诺循环中热量传导与守恒[J].科技风，2016，（01）：12.
[4]牛丽，钱晓明，范金土.换热管路间隔大小对可降温消防服降温效果的影响[J].纺织导报，2018（5）.
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