張亞萍，宗桂林，魯加寶

(淮北師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 淮北 235000)

0 引言

隨著教育的改革和農(nóng)村留守兒童的增加，以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施的改善，校車已經(jīng)逐步成為學(xué)生上學(xué)的主要交通工具。在農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)，校車往往是由私人車輛改裝而成，校車司機(jī)缺乏專業(yè)培訓(xùn)，安全意識(shí)淡薄，導(dǎo)致乘車兒童的安全并不能得到保證。在校車事故時(shí)有發(fā)生的背景中，校車安保系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用已經(jīng)得到了人們的重視，利用自動(dòng)化、信息化的科學(xué)手段對校車安全進(jìn)行有效的監(jiān)管非常有必要。

近年來，單片機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，在現(xiàn)代社會(huì)各行業(yè)都得到廣泛的應(yīng)用[1]。利用單片機(jī)控制技術(shù)，能夠?qū)π＼囉行У貙?shí)現(xiàn)安全問題的監(jiān)控和報(bào)警。在該領(lǐng)域相關(guān)研究已經(jīng)有所開展，但投入實(shí)際應(yīng)用的很少[2]。最近幾年，機(jī)器視覺技術(shù)也有了很大的發(fā)展[3]，在單片機(jī)控制技術(shù)上加入機(jī)器視覺技術(shù)更能方便地實(shí)現(xiàn)校車的安全報(bào)警控制。

盡管這些技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)安全報(bào)警，但是如果報(bào)警裝置過于單一，一旦出現(xiàn)報(bào)警裝置失靈的情況，后果將不堪設(shè)想。因而，設(shè)計(jì)一款具有多重報(bào)警機(jī)制和自動(dòng)開啟防護(hù)設(shè)備的兒童防滯留校車報(bào)警系統(tǒng)對于保障乘車兒童生命安全變得十分有必要。兒童滯留校車報(bào)警系統(tǒng)可以避免因兒童被遺漏在車內(nèi)而發(fā)生的安全事故，該系統(tǒng)在未來的校車安全防護(hù)應(yīng)用中將會(huì)有很好的發(fā)展前景。

1 系統(tǒng)組成

兒童滯留校車報(bào)警系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)電路[4]、撥動(dòng)開關(guān)檢測電路、聲音檢測電路、熱釋紅外采集電路、繼電器控制電路、語音報(bào)警模塊電路、電源電路以及GSM模塊電路組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊

STC89C52單片機(jī)、電容和按鍵組成的復(fù)位電路，11.052M晶振和電容組成的晶振電路同下載口組合在一起構(gòu)成了單片機(jī)最小系統(tǒng)。其原理如圖2所示。

圖2 最小系統(tǒng)原理圖

2.2 熱釋紅外感應(yīng)模塊

選擇HC-SR505作為熱釋紅外模塊用于檢測車內(nèi)是否有人存在，通過對外界采集信號電壓和設(shè)定電壓的比較，控制模塊輸出電平的高低。該模塊的工作電壓范圍為4.5～20 V，感應(yīng)距離在3 m內(nèi)，感應(yīng)角度小于100度錐角。人若進(jìn)入感應(yīng)區(qū)，OUT引腳輸出“1”，可重復(fù)觸發(fā)，直到人離開感應(yīng)區(qū)，OUT引腳才延時(shí)輸出“0”。該模塊OUT引腳與單片機(jī)P1.1引腳相連。模塊的接口電路原理如圖3所示。

圖3 熱釋紅外模塊接口電路原理圖

2.3 聲音檢測模塊

系統(tǒng)選擇聲音傳感器作為聲音信息檢測模塊，檢測周圍是否存在聲音。聲音檢測模塊采集的聲音信號經(jīng)整流放大后，送入LM393電壓比較器進(jìn)行比較，從而控制模塊的輸出。模塊對環(huán)境聲音十分靈敏，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)閾值。若聲音強(qiáng)度沒有達(dá)到閾值，OUT口輸出為高電平；若超過閾值，則OUT口輸出為低電平。OUT引腳與單片機(jī)STC89C52的P1.0引腳直接連接，聲音檢測模塊的檢測輸出可轉(zhuǎn)換成單片機(jī)的控制輸入，檢測聲音存在與否，繼而控制后續(xù)報(bào)警電路的啟閉。該模塊電路原理如圖4所示，模塊接線說明：VCC外接3.3～5 V電壓；GND外接GND；DO口外接單片機(jī)P1.0口。

2.4 ISD1820語音報(bào)警模塊

該語音報(bào)警模塊的主要芯片為ISD1820，按住REC鍵不放，可向模塊錄入車內(nèi)有人的報(bào)警語音，模塊的P-E口與單片機(jī)的P1.2引腳相連，P1.2口輸出為低電平時(shí)語音模塊開啟播放，P1.2口輸出為高電平時(shí)語音模塊關(guān)閉播放。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行模式時(shí)，檢測到車內(nèi)有人后，通過FT跳線直通控制，可使ISD1820芯片錄入的報(bào)警語音直接傳輸?shù)綋P(yáng)聲器，繼而循環(huán)播放報(bào)警錄音。語音報(bào)警模塊的電路原理如圖5所示。

圖4 聲音檢測模塊電路原理圖

圖5 語音報(bào)警模塊電路原理圖

2.5 報(bào)警短信發(fā)送模塊

選用SIM800A芯片實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程短信信息交互。SIM800A是一種集成GSM和GPRS的模塊[5]。GSM模塊工作頻率為900 MHz，而GPRS模塊工作頻率為1 800 MHz[6]。SIM800A可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS和數(shù)據(jù)信息的傳輸，自帶(850 M/900 M/1 800 M/1 900 M)專用小辣椒天線，2.4 G藍(lán)牙陶瓷天線[7]，SIM卡接口支持1.8/3 V SIM卡。模塊的RXD口與單片機(jī)的RXD口相連，TXD口與單片機(jī)的TXD口相連，構(gòu)成串口通訊，從而使單片機(jī)可以通過AT指令集控制SIM800A模塊發(fā)送報(bào)警短信。模塊內(nèi)部具體原理如圖6所示。

圖6 SIM800A電路原理圖

2.6 繼電器控制電路

繼電器是一種廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制領(lǐng)域的器件，它能實(shí)現(xiàn)隔斷功能，因而廣泛應(yīng)用于遙控、遙測等設(shè)備中。在本系統(tǒng)中，繼電器由三極管9012帶動(dòng)，三極管9102的基極與單片機(jī)P1.4引腳相連。當(dāng)檢測到有人時(shí)，P1.4口輸出為低電平，三極管導(dǎo)通帶動(dòng)繼電器通電，從而使銜鐵的動(dòng)靜觸點(diǎn)吸合，LED指示燈亮起來，與端子相連的車門開啟電路啟動(dòng)。繼電器控制電路的原理如圖7所示。

2.7 二擋撥動(dòng)開關(guān)檢測電路

通過撥動(dòng)開關(guān)實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行模式的切換。當(dāng)二檔撥動(dòng)開關(guān)撥下去時(shí)，單片機(jī)控制引腳P1.3為低電平，系統(tǒng)進(jìn)入工作模式；當(dāng)二檔撥動(dòng)開關(guān)撥上去時(shí)，單片機(jī)控制引腳P1.3為高電平，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式。其電路原理如圖8所示。

圖8 撥動(dòng)開關(guān)檢測電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序編寫軟件采用Keil C51和Proteus 7.8軟件。其中，Keil C51為編程工具，主要進(jìn)行程序的撰寫、調(diào)試和產(chǎn)生一個(gè)可執(zhí)行性文件“*.hex”；Proteus 7.8是一個(gè)專業(yè)的單片機(jī)仿真軟件，主要對系統(tǒng)的運(yùn)行過程進(jìn)行仿真模擬。具體運(yùn)行流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

主控算法步驟如下：

(1)對IO口、定時(shí)器和串口進(jìn)行初始化；

(2)判斷二檔撥動(dòng)開關(guān)是否撥下去，如果檢測到撥動(dòng)開關(guān)撥下去，代表司機(jī)拔下鑰匙，則系統(tǒng)進(jìn)入工作模式，否則轉(zhuǎn)到(1)；

(3)檢測熱釋紅外感應(yīng)模塊和聲音檢測模塊是否異常，如無異常或只有一種異常，則轉(zhuǎn)到(1)；

(4)若熱釋紅外感應(yīng)模塊和聲音檢測模塊同時(shí)檢測到異常，則繼電器通電；

(5)LED警示燈亮起(報(bào)警)，與端子相連的車門開啟電路啟動(dòng)(車門打開)；

(6)循環(huán)播放報(bào)警錄音，繼而司機(jī)手機(jī)客戶端接收到報(bào)警短信。

4 系統(tǒng)實(shí)物圖及測試結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)實(shí)物圖

圖10為系統(tǒng)實(shí)物圖。從圖10可以看出，將撥動(dòng)開關(guān)撥上去代表司機(jī)將鑰匙插上，則系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式，在待機(jī)模式下，系統(tǒng)報(bào)警功能模塊不工作；將撥動(dòng)開關(guān)撥下去代表司機(jī)拔下鑰匙，則系統(tǒng)進(jìn)入啟動(dòng)模式，即系統(tǒng)報(bào)警功能模塊可以正常工作。

圖10 系統(tǒng)實(shí)物圖

當(dāng)司機(jī)拔下鑰匙(撥動(dòng)開關(guān)撥下去)時(shí)，可能出現(xiàn)以下幾種情況：

(1)車內(nèi)沒人。車內(nèi)沒人時(shí)，紅外傳感器和聲音傳感器分別輸出“0”和“1”，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

(2)車內(nèi)有人。當(dāng)紅外傳感器被遮擋并且車內(nèi)有聲音發(fā)出時(shí)，紅外傳感器和聲音傳感器分別輸出“1”和“0”，語音報(bào)警器立馬開啟，通過ISD1820模塊播放錄制好的報(bào)警語音，揚(yáng)聲器自動(dòng)播報(bào)“車內(nèi)有兒童被遺留”，GSM模塊發(fā)送預(yù)先寫入的報(bào)警短信給手機(jī)端，同時(shí)繼電器燈亮起，車門被自動(dòng)打開。

4.2 系統(tǒng)測試

為了測試系統(tǒng)性能，以10組不同距離、不同音量的數(shù)據(jù)分別測試相應(yīng)模塊是否工作及響應(yīng)時(shí)間、是否漏報(bào)和是否誤報(bào)等情況。具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 兒童滯留校車報(bào)警系統(tǒng)測試表

由表1可以看出，該系統(tǒng)對聲音強(qiáng)度在40 dB以上、距離小于3.5 m的報(bào)警準(zhǔn)確率是百分之百，未出現(xiàn)漏報(bào)和誤報(bào)的情況；而且在有效范圍內(nèi)測試距離越近、音量越高，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間越短、準(zhǔn)確率越高。

5 結(jié)論

針對當(dāng)前校車安全隱患問題進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)開發(fā)出兒童滯留校車報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)作為控制核心，根據(jù)傳感器檢測的信號，對報(bào)警模塊做出控制。通過多次測試，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)具有準(zhǔn)確度高、安裝維護(hù)簡單、成本低、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。