肖家寶，王玉國，洪 磊，余森澤

（南京工程學(xué)院 汽車與軌道交通學(xué)院，江蘇 南京 211167）

1 引言

隨著汽車保有量的不斷增加，汽車成為了很多家庭必不可少的出行工具。隨之各種安全隱患不斷暴露出來。一項(xiàng)不完全統(tǒng)計表明，在美國平均每9天就有1名兒童因此喪生。另外，車內(nèi)致死現(xiàn)象不止發(fā)生在兒童身上。高溫、缺氧、CO中毒［1］等都會導(dǎo)致車內(nèi)乘客致死事故發(fā)生。例如，CO2濃度過高會使駕駛員產(chǎn)生困意，甚至產(chǎn)生暈厥引發(fā)交通事故。

研究表明：在夏天32℃太陽直射下，不到20min車內(nèi)溫度可急劇上升至60℃以上［2］。高溫還會導(dǎo)致車內(nèi)坐墊等皮質(zhì)或塑料材質(zhì)物品釋放出甲醛等有害氣體，危害乘客身體健康［3］。

針對上述問題，有人提出讓家長教孩子按汽車?yán)冗M(jìn)行自救，還有人提出給孩子準(zhǔn)備一張寫上“救命”A4大小的白紙，讓孩子自行尋求路人幫助，也有人提出教孩子使用安全錘，讓孩子自救。但諸如此類的方法僅對有一定自理能力的孩子有效，而往往車內(nèi)高溫致死的孩子只有2歲左右年齡，根本無法自救。

美國學(xué)者Edward Sazonov和Tim Haskew發(fā)明了一種監(jiān)測裝置。當(dāng)一輛熱氣騰騰的汽車內(nèi)部檢測到兒童或動物呼吸的CO2時，會發(fā)出手機(jī)警報。該裝置僅能發(fā)出警報而無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自救。高溫環(huán)境下兒童死亡往往發(fā)生在短短的幾分鐘時間里，在車主收到警報后也很難及時實(shí)施救援。

針對以上問題，采用溫濕度傳感器、CO傳感器、語音模塊、攝像頭模塊、無線模塊［4］等功能模塊以及ARM嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計出一套能自動監(jiān)測汽車客室環(huán)境并能對車內(nèi)環(huán)境進(jìn)行自動調(diào)節(jié)的系統(tǒng)。

2 汽車乘客生命智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)總體設(shè)計

汽車乘客生命智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖1所示。由車載端、服務(wù)器端和遠(yuǎn)程客戶端3大部分組成，每一部分子系統(tǒng)又包括信息感知層、信息處理層、信息反饋層以及動作執(zhí)行層。

圖1 汽車乘客生命智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

3 汽車乘客生命智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)車載端系統(tǒng)開發(fā)

汽車乘客生命智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)車載端又包括車載環(huán)境檢測系統(tǒng)和車載控制系統(tǒng)兩部分，實(shí)現(xiàn)對車內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測、顯示、調(diào)控。

車載檢測系統(tǒng)將檢測到的車內(nèi)溫度、濕度、有害氣體濃度等參數(shù)通過總線傳輸至車載控制系統(tǒng)，由車載控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、無線傳輸、閾值判斷以及智能控制等操作。保證車內(nèi)乘客能實(shí)時觀察到車內(nèi)環(huán)境指標(biāo)，并通過車載控制系統(tǒng)對車內(nèi)環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.1 車載檢測系統(tǒng)開發(fā)

汽車乘客生命智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的車載檢測子系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。車載檢測子系統(tǒng)由溫濕度傳感器、CO傳感器、CO2傳感器、甲醛傳感器、壓力傳感器等各類感器模塊以及攝像頭模塊組成。對汽車客室的溫濕度、CO、CO2、甲醛濃度以及車內(nèi)乘客數(shù)量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并通過總線將獲取的數(shù)據(jù)傳輸至車載控制系統(tǒng)。

圖2 車載檢測系統(tǒng)架構(gòu)

溫濕度傳感器選用分辨率為0.1℃、精度為±0.5℃、檢測范圍為-40～80℃的單總線式DHT22溫濕度傳感器；CO2傳感器選取測量范圍為400～8192ppm、允許使用溫度為-40～125℃的IIC通信的CCS811 CO2傳感器模塊；選取檢測范圍10～1000ppm的MQ-7CO傳感器、5～500ppm的MQ-138氣體傳感器對車內(nèi)CO、甲醛、苯等有毒氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測，MQ-7、MQ-138連接8位低功耗PCF8591模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，將模擬電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并通過IIC接口傳輸給車載控制系統(tǒng)。

3.2 車載控制系統(tǒng)開發(fā)

汽車乘客生命智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的車載控制子系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。車載控制系統(tǒng)采用搭載Linux操作系統(tǒng)的ARM Cortex-A53嵌入式工控板作為中央控制器。通過總線獲取車載環(huán)境檢測系統(tǒng)傳輸而來的數(shù)據(jù)，外接電容式觸摸屏對車內(nèi)當(dāng)前環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，通過無線傳輸模塊將車內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸至服務(wù)器。

圖3 車載控制系統(tǒng)架構(gòu)

當(dāng)客室環(huán)境危害到乘客生命安全時，系統(tǒng)首先會對車內(nèi)乘客進(jìn)行語音提醒，若超過時間閾值后車內(nèi)環(huán)境未發(fā)生轉(zhuǎn)變，則通過GSM模塊對車主進(jìn)行短信預(yù)警。

車載控制系統(tǒng)控制器為1.4GHz、64位、四核Cortex-A53處理器的ARM控制板；無線傳輸部分采用ME909S-821通信模塊，將信號采集系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡(luò)上傳到云端服務(wù)器。當(dāng)車內(nèi)環(huán)境出現(xiàn)危險時，對車主發(fā)送求救短信信息和電話撥號；語音預(yù)警模塊選用SYN6658語音合成模塊，控制器通過串口輸入數(shù)據(jù)，合成需要播放的語音，實(shí)現(xiàn)對車內(nèi)乘客的預(yù)警。

車載控制系統(tǒng)工作流程如圖4所示。車載端上電啟動后系統(tǒng)開始工作，首先檢測系統(tǒng)對車內(nèi)環(huán)境進(jìn)行檢測，將獲得的數(shù)據(jù)傳輸至車載控制系統(tǒng)。

車載控制系統(tǒng)一方面將檢測而來的數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器進(jìn)行存儲，另一方面讀取云端設(shè)定的閾值。將各環(huán)境參數(shù)與設(shè)定的閾值進(jìn)行比對：若超出所設(shè)定的安全范圍則進(jìn)行車內(nèi)有無遺留乘客的判斷，若未超出安全范圍則繼續(xù)檢測；若車內(nèi)無遺留乘客則不進(jìn)行任何處理；若車內(nèi)有遺留乘客則對遺留乘客進(jìn)行語音預(yù)警，提示車內(nèi)乘客進(jìn)行手動調(diào)節(jié)車內(nèi)環(huán)境；若車內(nèi)有遺留乘客，且乘客未采取任何措施來改善汽車客室環(huán)境，車載控制系統(tǒng)則通過GSM模塊對車主進(jìn)行短信預(yù)警，及時提醒車主通過遠(yuǎn)程客戶端對客室環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)；若車主也未進(jìn)行任何處理，則交由控制系統(tǒng)做出必要的應(yīng)急措施以保證乘客生命安全。

4 汽車乘客生命智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)服務(wù)器及遠(yuǎn)程客戶端開發(fā)

綜合安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等方面因素考慮，服務(wù)器選擇商業(yè)云端服務(wù)器。如圖5所示，服務(wù)器端一方面對多臺車載端傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合存儲，以供用戶通過客戶端隨時調(diào)取查看，另一方面讀取客戶端發(fā)送來的控制指令開啟或關(guān)閉車內(nèi)攝像頭模塊、控制汽車進(jìn)行通風(fēng)降溫。

如圖6所示，客戶端包括PC端和手機(jī)端。用戶可以通過客戶端隨時調(diào)取服務(wù)器上存儲的車內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)查看，并對各環(huán)境參數(shù)閾值以及緊急呼叫號碼進(jìn)行修改。另外，可以遠(yuǎn)程控制車內(nèi)空調(diào)等其他設(shè)備進(jìn)行通風(fēng)降溫以調(diào)節(jié)汽車客室環(huán)境。

圖4 車載控制系統(tǒng)工作流程圖

圖5 車載控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

5 結(jié)束語

1）采用溫濕度傳感器、CO傳感器、語音和攝像頭等傳感監(jiān)測裝置，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，研究開發(fā)了一種能自動監(jiān)測汽車客室環(huán)境并能對車內(nèi)環(huán)境進(jìn)行自動調(diào)節(jié)的系統(tǒng)。

2）當(dāng)客室環(huán)境危害到乘客生命健康時對車內(nèi)乘客進(jìn)行預(yù)警，保證了車內(nèi)乘客生命安全。利用無線通信技術(shù)結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)云技術(shù)使得車主能實(shí)時查看和控制汽車當(dāng)前狀況。

圖6 客戶端架構(gòu)圖