錢(qián) 坤馬淑文

（1.楊浦高級(jí)中學(xué)，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)，上海 200092）

家用超聲波兒童防墜樓監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

錢(qián) 坤1馬淑文2

（1.楊浦高級(jí)中學(xué)，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)，上海 200092）

高層建筑是城市發(fā)展的必然產(chǎn)物,隨之而來(lái)的是兒童意外墜樓安全事故頻頻發(fā)生，主要原因是兒童獨(dú)自在家且缺少家長(zhǎng)的監(jiān)護(hù)，其中窗臺(tái)是最易釀成墜樓事故的高危地帶。對(duì)此，文章設(shè)計(jì)出一套家用兒童防墜樓監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)運(yùn)用超聲波的渡越時(shí)間檢測(cè)法和三球定位算法來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)兒童與窗臺(tái)的位置，并設(shè)立兩級(jí)預(yù)警機(jī)制。當(dāng)二次警報(bào)觸發(fā)時(shí)，即兒童離窗臺(tái)太近時(shí)，激發(fā)執(zhí)行機(jī)構(gòu)及時(shí)封閉窗臺(tái)。此外，從空氣溫度、濕度以及兩者距離三個(gè)角度來(lái)分析超聲波系統(tǒng)工作的誤差并將之解決。

超聲波；渡越時(shí)間；三球定位；兩級(jí)預(yù)警

隨著城市的發(fā)展，人們居住的條件得到日益改善，高樓、復(fù)式樓或別墅成為常見(jiàn)的居住場(chǎng)所。近年來(lái)，兒童在這樣的居住場(chǎng)所意外墜樓事故頻頻發(fā)生，多是因?yàn)閮和?dú)自在家，且家中沒(méi)有安裝防護(hù)欄而導(dǎo)致兒童從窗臺(tái)意外墜下造成。兒童在每個(gè)家庭都被視作掌上明珠，孩子的意外墜樓對(duì)整個(gè)家庭是沉重的打擊。為了避免悲劇重演，家長(zhǎng)須提高兒童安全監(jiān)管意識(shí)，同時(shí)應(yīng)做好防護(hù)設(shè)施。但家長(zhǎng)監(jiān)管再緊，不可能隨時(shí)隨地、每分每秒讓孩子呆在自己的眼皮底下。因此，為了盡可能消除窗臺(tái)邊存在的隱患，自動(dòng)預(yù)防兒童墜樓監(jiān)護(hù)系統(tǒng)勢(shì)在必行。

目前，市面上沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)于監(jiān)護(hù)兒童防墜樓的智能系統(tǒng)，而且國(guó)內(nèi)也很少有這方面的文獻(xiàn)研究。作為家用兒童防墜樓監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，關(guān)鍵是室內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)定位技術(shù)。劉等提出一種分布式智能防兒童墜樓安全窗預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)紅外線技術(shù)檢測(cè)出兒童和窗臺(tái)的距離。相對(duì)于紅外線技術(shù)，超聲波技術(shù)定位精度高，定位速度快，產(chǎn)品成本較低，設(shè)備易于安裝，受環(huán)境影響小、抗干擾能力強(qiáng)，能夠很好地滿足室內(nèi)定位的需要。

鑒于上述考慮，本文提出一種基于超聲波定位技術(shù)的家用兒童防墜樓監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，通過(guò)超聲波的渡越時(shí)間檢測(cè)法和三球定位算法來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)兒童相對(duì)窗臺(tái)的位置，并當(dāng)兒童與窗臺(tái)太近時(shí)激發(fā)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)關(guān)閉窗臺(tái)來(lái)保護(hù)兒童人身安全。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)由兩大部分組成：第一部分是由三個(gè)超聲波模塊構(gòu)成，第二部分是由一個(gè)上位機(jī)和一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成。

超聲波模塊發(fā)射超聲波并接受反射信息，提供計(jì)時(shí)功能。上位機(jī)作為總控裝置，除了控制超聲波模塊外，還包括溫度傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由一個(gè)有菱形支架的攔截網(wǎng)構(gòu)成，并在上下的窗框上打洞。執(zhí)行機(jī)構(gòu)平時(shí)是收起的，只有當(dāng)系統(tǒng)確認(rèn)兒童即將到達(dá)窗臺(tái)時(shí)才被激發(fā)打開(kāi)，如圖1所示。

圖1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)激發(fā)前后對(duì)比

1.2 工作原理

在電源接通后，上位機(jī)發(fā)布復(fù)位命令后發(fā)出射頻信號(hào)，通知超聲波模塊發(fā)射超聲波并接受反射信號(hào)，然后將超聲波來(lái)回所需時(shí)間傳給上位機(jī)。由上位機(jī)處理超聲波模塊的數(shù)據(jù)和溫度傳感器的數(shù)據(jù)后獲得兒童的位置，記作(x,y,z)。設(shè)上位機(jī)的坐標(biāo)為(x0,y0,z0)，則根據(jù)兩點(diǎn)距離公式計(jì)算出兒童和上位機(jī)的距離d：

該距離 d也就是兒童到窗臺(tái)的距離，并將此距離不斷與事先設(shè)定的預(yù)警距離比對(duì)。若小于初次預(yù)警距離，就發(fā)出聲光報(bào)警，及時(shí)通知家長(zhǎng)。若兒童繼續(xù)向上位機(jī)靠近，并小于二次預(yù)警距離，就發(fā)出聲光報(bào)警，并由上位機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)打開(kāi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

1.3 兒童位置的計(jì)算

該系統(tǒng)的關(guān)鍵即上位機(jī)計(jì)算出兒童的位置坐標(biāo)。超聲波渡越時(shí)間檢測(cè)法是根據(jù)超聲波發(fā)射與接收的時(shí)間差來(lái)計(jì)算被測(cè)物體的距離。系統(tǒng)中的三個(gè)超聲波模塊發(fā)出超聲波并開(kāi)始計(jì)時(shí)接受到反射信號(hào)后就停止計(jì)時(shí)。設(shè)三個(gè)超聲波模塊的位置坐標(biāo)分別為(x1,y1,z1),(x2,y2,z2)，(x3,y3,z3)，以及計(jì)時(shí)時(shí)間差分別為t1，t2，t3，超聲波在空氣中的傳播速度為c。則根據(jù)三球定位算法，計(jì)算出(x,y,z)，即兒童的位置坐標(biāo)。

1.4 系統(tǒng)控制流程圖

系統(tǒng)的控制流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制流程框圖

2 誤差分析

2.1 溫度的影響

由于電磁波的傳播速度為3×108m/s，而超聲波在常溫常壓下的傳播速度344 m/s，其速度相對(duì)電磁波是非常慢的。所以各超聲波模塊接收到由上位機(jī)發(fā)出的指令信號(hào)的時(shí)間并不一樣，但其誤差可被略去。由于空氣溫度每變化1℃，超聲波傳播速度相應(yīng)變化約0.607m/s ，波速與溫度的關(guān)系詳見(jiàn)表1。

表1 波速與溫度關(guān)系

當(dāng)環(huán)境溫度在 0～40℃之間變化時(shí)，聲速誤差從-5.5～12.2%。所以要增加溫度補(bǔ)償。對(duì)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，可得圖 3所示的結(jié)論。在上位機(jī)上加溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度T，并通過(guò)圖3中的擬合方程得出實(shí)時(shí)聲波數(shù)據(jù)，則三球定位算法中的超聲波傳播速度c=0.5615×T +331.2316，從而減少誤差。

圖3 超聲波傳播速度擬合方程

2.2 濕度的影響

如果濕度是在10%到90%相對(duì)濕度內(nèi)隨機(jī)分布，對(duì)20℃時(shí)的超聲波影響是0.15%，即在0.3m時(shí)有0.3mm的誤差。因而此誤差對(duì)本系統(tǒng)無(wú)太大的影響。故可忽略不計(jì)。

2.3 距離的影響

隨著距離的增加，超聲波的信號(hào)幅度減小，導(dǎo)致接受信號(hào)超過(guò)門(mén)限電路時(shí)間延后，增加計(jì)時(shí)時(shí)間，導(dǎo)致時(shí)間誤差。通過(guò)自動(dòng)增益控制電路，可以很好地彌補(bǔ)這一問(wèn)題。

3 結(jié)論與展望

本文首次采用超聲波定位技術(shù)設(shè)計(jì)出家用兒童防墜樓監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用超聲波渡越時(shí)間檢測(cè)法和三球定位算法計(jì)算兒童位置坐標(biāo)，進(jìn)而得到兒童相對(duì)窗臺(tái)的距離。將該距離與兩級(jí)預(yù)警距離比對(duì)，若發(fā)現(xiàn)存在危險(xiǎn)則執(zhí)行聲光報(bào)警，甚至觸發(fā)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)關(guān)閉窗臺(tái)，從而有效防止兒童墜樓事故的發(fā)生。

將來(lái)可以在初次報(bào)警和二次報(bào)警時(shí)增加短信提示功能，以便更好更快地通知家長(zhǎng)。同時(shí)可以設(shè)立一些危險(xiǎn)區(qū)，一旦兒童靠近這些區(qū)域就會(huì)報(bào)警。

[1] 2015年兒童意外墜樓安全事件盤(pán)點(diǎn).http://www.bbaqw.com/ wz/19733.htm,2015-12-24.

[2] 劉嘉新,邱晉偉,肖雯,等.分布式智能防兒童墜樓安全窗預(yù)警系統(tǒng)[J].信息技術(shù), 2014 (10):143-146.

[3] 孫露露,崔澤,周靜,等.室內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)超聲定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試[J].中國(guó)科技信息,2014(24): 171-173.

[4] 張海鷹,高艷麗.超聲波測(cè)距技術(shù)研究[J].儀表技術(shù),2011(9): 58-60.

[5] 趙小強(qiáng),趙連玉.超聲波測(cè)距系統(tǒng)中的溫度補(bǔ)償[J].組合機(jī)床與自動(dòng)機(jī)床加工技術(shù),2008(12): 62-64.

[6] 趙海,張寬,朱劍,等.基于TDOA的超聲波測(cè)距誤差分析與改進(jìn)[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,32(6): 802-805.

Home ultrasonic children fall prevention monitoring system

High-rise buildings mushroom as cities grow, followed by the frequent children fall accidents. Children stay home lonely and lack of parental care, and they probably fall down from the windowsill. In order to prevent children from falling, we design a home monitoring system which utilizes the ultrasonic time-of-flight method and three-ball intersection positioning algorithm. Our system can detect the position of children in real time and set up two-level early warning mechanism. If the second-level warning is triggered, the system can make an automatic response and close the windowsill. In addition, we analysis and solve some issues of the system from three perspectives, i.e., air temperature, air humidity, and the distance.

Ultrasonic; time-of-flight; three-ball intersection positioning; two-level early warning

TP37

A

1008-1151(2016)07-0026-03

2016-06-12

錢(qián)坤（1999－），男，楊浦高級(jí)中學(xué)學(xué)生，研究方向?yàn)楣こ毯臀锢?；馬淑文，同濟(jì)大學(xué)信息化辦公室高級(jí)工程師。