王文樂 鄭鑫 袁昊 胡一品 張軼 季惠

摘 要：汽車在給人們出行帶來便利的同時也引發(fā)了一些兒童安全問題，尤其是由于成人的疏忽而導(dǎo)致兒童被遺忘在車內(nèi)最終導(dǎo)致死亡的事件頻發(fā)。針對該問題也曾有研究人員利用不同的軟件設(shè)計出基于STM32F103、基于MCS-51以及基于ATmega16的防滯留系統(tǒng)等。文章則是基于Arduino系統(tǒng)的原理以及方法設(shè)計了一套用于防止兒童被滯留車內(nèi)的報警系統(tǒng)，并通過模擬實驗初步驗證了該系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：兒童安全;Arduino系統(tǒng);防滯留報警;模擬實驗

中圖分類號：U462.1 ?文獻標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）06-56-03

Abstract： While cars bring convenience to people's travel， they also give rise to some children's safety problems， especially the frequent incidents that children are left behind in the car and eventually die due to adults' negligence. To solve this problem， some researchers have designed STM32F103， McS-51 and ATmega16 based anti-retention systems with different software. In this paper based on the principle and method of Arduino system， we designed an alarm system to prevent children from being trapped in the car， and preliminarily verified the feasibility of this system through simulation experiments.

Keywords： Childrens safety; Arduino system; Retention prevention; Simulation design

CLC NO.： U462.1 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）06-56-03

前言

兒童車內(nèi)安全問題一直是廣受關(guān)注的問題，尤其是由于成人的疏忽將兒童遺留于車內(nèi)導(dǎo)致兒童死亡的案例頻發(fā)更是加劇了該問題受關(guān)注的程度。據(jù)圣何塞州立大學(xué)的統(tǒng)計報告表明，在美國，兒童因為被滯留在車內(nèi)而導(dǎo)致死亡的案例，1998年～2018年共發(fā)生了794起，平均每九天就會發(fā)生一起此類事件[1]。而在我國從2013年至今，據(jù)統(tǒng)計共有147名兒童被困車中，其中40%的兒童不幸死亡[2]。被遺忘在車中導(dǎo)致兒童死亡的直接原因歸于“汽車熱”。研究表明，在陽光照射下汽車的車內(nèi)溫度在2分鐘內(nèi)就可以上升到34攝氏度，在20分鐘內(nèi)就會上升到42攝氏度，此溫度對成人亦可造成不可逆的傷害[3]。而兒童因為身體發(fā)育尚未成熟，體溫上升速度是成人的三到五倍，而呼吸系統(tǒng)和耐熱能力又遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及成人;另一方面又缺乏危險意識，自救能力不足（嬰兒甚至不能呼救），從而導(dǎo)致悲劇的發(fā)生。解決該問題的根本方就是避免將兒童長時間遺忘在車內(nèi)。因此，設(shè)計一套防止兒童由于疏忽大意而被長時間滯留在車內(nèi)的報警系統(tǒng)是很有必要的。

與此相關(guān)的研究也有很多。國外與此相關(guān)的方法有：提出了一種利用膠帶和皮筋制成顏色醒目的綢帶用于連接車門把手和駕駛座椅后背，當(dāng)家長下車時就可以看到后排是否有滯留的兒童幫助提醒的方法;也有軟件開發(fā)人員開發(fā)出應(yīng)用軟件，該軟件會根據(jù)不同情況發(fā)出語音提示，提醒車主車內(nèi)是否有滯留兒童;還有一些廠商設(shè)計出車內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)，當(dāng)車門鎖死，監(jiān)測到車內(nèi)有物體移動，系統(tǒng)就會發(fā)出警報，并向車主手機發(fā)送信息等等[4]。國內(nèi)也有不少的相關(guān)研究：有人設(shè)計了基于STC89C52RC的防滯留系統(tǒng)，當(dāng)紅外傳感器和聲音傳感器同時檢測到車內(nèi)有滯留人員時，車內(nèi)就會發(fā)出聲音報警;而有人設(shè)計了一套系統(tǒng)通過利用車內(nèi)座椅傳感器檢測座椅上是否有滯留人員從而決定是否發(fā)出警報以達(dá)到防滯留兒童的功能;也有人設(shè)計了基于MCS-51單片機的防滯留系統(tǒng)，當(dāng)檢測到車內(nèi)二氧化碳濃度過高就會發(fā)出警報，同時打開車窗進行通風(fēng)[5]。

本文則是基于Arduino系統(tǒng)（軟件平臺及硬件器材）設(shè)計了一套用于防止兒童被滯留車內(nèi)的報警系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到車內(nèi)滯留的兒童或者其他生命體時會發(fā)出報警信號，并主動調(diào)節(jié)局部環(huán)境以保證車內(nèi)滯留人員的安全，并通過模擬實驗初步驗證了該系統(tǒng)的可靠性。

1 Arduino簡介及系統(tǒng)搭建

Arduino是一個簡單快速的原型制作工具，其便捷的使用方式可以使任何人快速的上手，能夠極大的節(jié)省學(xué)習(xí)時間，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，從而更好的幫助開發(fā)產(chǎn)品。Arduino系統(tǒng)由一個可編程的電路板（硬件）和被稱為IDE （集成開發(fā)環(huán)境）的軟件部分組成。其硬件部分可以獨立的工作，也可以和其他傳感器模塊結(jié)合增加產(chǎn)品的功能[6]。

系統(tǒng)硬件部分以Arduino UNO開發(fā)板為核心控制器，包含三個主要單元，內(nèi)含人體紅外傳感器、溫濕度傳感器、液晶顯示器和繼電器，整體設(shè)計如圖1所示。

（1）人體紅外傳感器：該傳感器能夠探測到人體發(fā)出特定波長的紅外線。安裝在車載兒童防滯留報警系統(tǒng)中，主要用于監(jiān)測車內(nèi)是否有滯留的兒童，當(dāng)模塊檢測到人體發(fā)出的紅外線后，輸出高電平，反之，輸出低電平。Arduino主控模塊接收到該感應(yīng)模塊輸出的高電平后就會令汽車的燈光和喇叭開啟幫助報警。

（2）溫濕度傳感器：由溫度、濕度組合傳感器輸出的已經(jīng)校準(zhǔn)信號的傳感元件。在車載兒童防滯留報警系統(tǒng)中，與人體紅外傳感器配合工作。當(dāng)紅外傳感器檢測到車內(nèi)有被滯留的兒童，此傳感器開始檢測車內(nèi)的溫濕度是否處于人體感覺舒適的范圍內(nèi)，如果不在便會開啟汽車空調(diào)，進行溫濕度調(diào)節(jié)。

（3）繼電器：由于Arduino系統(tǒng)所需要的傳感器都是極其敏感的電子設(shè)備，只能產(chǎn)生很小的電流，因此需要借助繼電器來驅(qū)動更大的電流裝置。

（4）液晶顯示屏：用于顯示數(shù)字信號和溫度信號。

2 系統(tǒng)工作原理

圖2為基于Arduino的防滯留報警系統(tǒng)的工作流程圖。其工作原理是：當(dāng)汽車停駛一段時間時（30s或1min后），啟動報警單元通過人體紅外傳感器監(jiān)測車內(nèi)有無滯留兒童，如果沒有檢測到任何信號系統(tǒng)便會自動關(guān)閉;如果檢測到車內(nèi)有兒童（或其它生命體）存在就反饋給Arduino UNO控制板，輸出信號控制車燈和喇叭發(fā)出聲光報警，同時溫濕度傳感器實時檢測車內(nèi)溫濕度，將其控制在人體舒適度范圍內(nèi)，并持續(xù)直至車內(nèi)滯留兒童被救出系統(tǒng)關(guān)閉。

3 模擬實驗及結(jié)果

本系統(tǒng)需要各個模塊單元相互協(xié)調(diào)工作，一旦某個模塊單元出現(xiàn)問題就會影響整個系統(tǒng)的正常工作。模擬時首先將各個單元模塊的元件安裝到開發(fā)板上，需要注意引腳是否插緊，元件接口正負(fù)極是否正確;接著將開發(fā)板上的杜邦線，按照程序規(guī)定的接口連接好;最后連接電源，按照以下三種情況進行測試：

測試情形（1）：車內(nèi)有滯留兒童，但車內(nèi)溫濕度在舒適范圍內(nèi)（溫度：10℃-25℃，濕度：40%-60%）。

如圖3所示。初始狀態(tài)：將空調(diào)開啟（溫濕度正常），繼電器開關(guān)指示燈熄滅，模擬車內(nèi)有人狀態(tài)。開始測試：模擬車門關(guān)閉（模擬開關(guān)關(guān)閉30s后，注意此時空調(diào)被關(guān)閉），觀察人體感應(yīng)模塊是否發(fā)出高電平，蜂鳴器是否開啟，以及空調(diào)是否開啟。

測試結(jié)果：通電后（30s后），人體感應(yīng)模塊探測到了人體發(fā)出的紅外線并將二極管點亮，蜂鳴器開啟，液晶顯示屏顯示溫度和濕度都在設(shè)定范圍內(nèi)，繼電器模塊開關(guān)指示燈點亮，即空調(diào)沒有開啟，測試成功，如圖3所示。

測試情形（2）：車內(nèi)有滯留兒童，車內(nèi)溫濕度數(shù)值都不在最佳的范圍內(nèi)。

如圖4所示。初始狀態(tài)：與情形1稍有不同，將空調(diào)開啟到溫度與濕度超過舒適度的范圍，其它條件相同，然后開始測試。

測試結(jié)果：通電后（30s后），與人體感應(yīng)模塊相連的二極管被點亮，蜂鳴器開啟，起初液晶顯示屏顯示的溫濕度不在程序設(shè)定值之內(nèi)，因此控制繼電器模塊工作，繼電器開關(guān)指示燈關(guān)閉，即空調(diào)開啟，1min后顯示溫度和濕度都在正常范圍內(nèi)，測試成功。

測試情形（3）：車內(nèi)沒有滯留兒童。

測試結(jié)果：人體感應(yīng)模塊沒有探測到人體發(fā)出的紅外線，二極管熄滅，蜂鳴器關(guān)閉，繼電器模塊開關(guān)指示燈點亮，繼電器模塊依然不工作，即空調(diào)不開啟，測試成功，如圖5所示。

4 結(jié)論

基于Arduino系統(tǒng)（軟件平臺及硬件器材）設(shè)計了一套用于防止兒童被滯留車內(nèi)的報警系統(tǒng)。并通過三種情形的模擬實驗初步驗證了該系統(tǒng)的可靠性。Arduino系統(tǒng)的簡單快捷為本文想法的實現(xiàn)提供了幫助。但是也正是由于該系統(tǒng)過于簡單，因此將其真正用到實車上還面臨些許困難（需要增加許多的元件連接以及接口匹配等），后續(xù)我們將會繼續(xù)下一步的研究，同時也希望該模擬報警系統(tǒng)的設(shè)計能夠給更多的人啟發(fā)。

參考文獻

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[2] 徐亞坤，李鳴，楊大勇.基于Android的動態(tài)稱重數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)[J].電子器件，2018，41（04）.

[3] 郭志濤，韓海凈，孔江浩，楊革宇，曹小青.基于Android移動終端的多功能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018，41（16）.

[4] 丁超，楊永杰，潘睿，申紅明.基于Android系統(tǒng)的可穿戴報警設(shè)備設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018，41（16）.

[5] 李行，李波，韓燕.基于Android系統(tǒng)的數(shù)控機床實時監(jiān)測研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2018（07）.

[6] 靳繼來，謝艷新，鐘成梁，郭俊志，李雨澤. 基于單片機的家用多功能加濕器設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2017，（2）：112-115.