王博 吳姝芹 蘇文新 李佳 崔慶華 陳煥輝

(桂林電子科技大學(xué)建筑與交通工程學(xué)院 廣西桂林 541004)

家用汽車越來越普及，給人們的出行帶來了極大便利，同時(shí)也帶來了某些安全隱患。近幾年，兒童被困車內(nèi)的報(bào)道時(shí)有發(fā)生，對(duì)于此類事件，國(guó)內(nèi)外尚沒有一種切實(shí)可行的檢測(cè)救援裝置，部分高校、公司提出一些研究方案，如：空氣溫度控制系統(tǒng)、座椅記憶檢測(cè)系統(tǒng)，但均未在市場(chǎng)中得到驗(yàn)證。由此可見，研究一套能夠?qū)崿F(xiàn)智能檢測(cè)、實(shí)時(shí)監(jiān)控、精準(zhǔn)定位、安全可靠的防兒童被困車內(nèi)的緊急救援系統(tǒng)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)由數(shù)據(jù)采集部分，傳輸顯示部分和車窗控制部分組成，本系統(tǒng)采用 STM32F103ZET6微處理器作為主控制器，采用溫濕度、甲醛、CO、CO2傳感器構(gòu)成數(shù)據(jù)采集部分，實(shí)時(shí)采集當(dāng)前車內(nèi)環(huán)境參數(shù)。采用基于SIM800C 芯片設(shè)計(jì)的 GPRS 芯片和 TFT 電容屏組成傳輸顯示部分，將采集到的數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)接脩羰謾C(jī)APP，將求救信息發(fā)送到車主手機(jī)及服務(wù)器后臺(tái)。車窗控制部分是根據(jù)主控芯片STM32分析判斷做出的控制信號(hào)和遠(yuǎn)程手機(jī)平臺(tái)傳輸?shù)目刂菩盘?hào)，完成對(duì)汽車車窗的升降控制。

基于GPRS技術(shù)的防兒童被困車內(nèi)救援系統(tǒng)具有以下三個(gè)功能。

1.1 防兒童被困緊急救援功能

系統(tǒng)裝載四路熱釋電人體紅外傳感器，四個(gè)方向無死角對(duì)車內(nèi)有無人員進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)結(jié)合等時(shí)間段二氧化碳濃度上升值輔助判定有無人員被困車內(nèi)，若系統(tǒng)分析判定出有人員被困，將啟動(dòng)緊急救援功能，開啟車窗通風(fēng)換氣，發(fā)送求救短信給車主， 聲光報(bào)警器響應(yīng)并自動(dòng)撥號(hào)呼叫車主，同時(shí)上傳報(bào)警信息及坐標(biāo)信息到服務(wù)器后臺(tái)，工作人員引導(dǎo)警方參與救援。

1.2 對(duì)車輛定位及車內(nèi)狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控功能

該系統(tǒng)帶有GPS+BD定位模塊，實(shí)時(shí)對(duì)汽車的位置、車速、車內(nèi)各種氣體濃度及有無人員狀態(tài)進(jìn)行采集，實(shí)時(shí)顯示到客戶端APP，用戶可隨時(shí)了解自己車輛狀況。車內(nèi)裝有ZE08-CH2O甲醛傳感器，確保車內(nèi)甲醛不超標(biāo)同時(shí)會(huì)對(duì)酒精濃度進(jìn)行檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)車內(nèi)酒精濃度偏高，系統(tǒng)的聲光報(bào)警器會(huì)做響應(yīng)，提醒駕駛員勿酒后行車。

1.3 汽車預(yù)使用狀態(tài)車內(nèi)空氣質(zhì)量調(diào)控功能

車輛放在太陽(yáng)下長(zhǎng)時(shí)間暴曬，車內(nèi)充滿各種揮發(fā)性有機(jī)化合物和有毒有害氣體，嚴(yán)重?fù)p害人體健康。車主使用汽車之前可通過手機(jī)APP查看車內(nèi)空氣質(zhì)量狀況，并且可以使用APP控制車窗升降，達(dá)到車內(nèi)空氣質(zhì)量調(diào)控目的。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片

主控芯片采用意法半導(dǎo)體公司推出的STM32F103ZET6,其內(nèi)核為ARM 32位的Cortex-M3，最高工作頻率72MHz，具有睡眠、停機(jī)、待機(jī)三種低功耗模式；具有48路ADC通道，多達(dá)8個(gè)定時(shí)器，9個(gè)通信接口。這款芯片能夠及時(shí)對(duì)車內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，并做出相應(yīng)的響應(yīng)，同時(shí)能夠上傳車內(nèi)信息到服務(wù)端和客戶端；多個(gè)定時(shí)器開啟多個(gè)中斷請(qǐng)求，確保客戶端控制車內(nèi)設(shè)備的優(yōu)先響應(yīng)。

2.2 數(shù)據(jù)采集與控制部分

數(shù)據(jù)采集部分的主要功能就是通過傳感器獲取當(dāng)前車內(nèi)環(huán)境參數(shù)并傳輸?shù)絊TM32微處理器中進(jìn)行處理判斷，本系統(tǒng)集成了溫濕度、甲醛、一氧化碳、二氧化碳、人體紅外傳感器和GPS+BD雙模定位模塊、車窗驅(qū)動(dòng)模塊、逆變電源模塊。系統(tǒng)能通過多種傳感器及多個(gè)模塊對(duì)車內(nèi)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并傳輸?shù)椒?wù)端，協(xié)助完成防兒童被困緊急救援功能。

人體紅外傳感器采用加裝菲涅爾透鏡的熱釋電人體紅外傳感器HC-SR501，感應(yīng)模塊采用雙元探頭，加圓形透鏡，人體檢測(cè)可重復(fù)觸發(fā)，自帶RT溫度補(bǔ)償電阻。本系統(tǒng)加裝四個(gè)HC-SR501模塊，分別布點(diǎn)在車?yán)锼膫€(gè)對(duì)角位置，同時(shí)對(duì)人體紅外進(jìn)行重復(fù)性檢測(cè)，提高檢測(cè)準(zhǔn)確性。

圖1 CO2隨時(shí)間變化曲線圖

二氧化碳傳感器采用MH-Z14傳感器，利用非色0散紅外（NDIR）原理對(duì)車內(nèi)的CO2進(jìn)行檢測(cè)。通過成人多次在晴朗天氣（室外溫度32℃左右）、靜止汽車內(nèi)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：當(dāng)一人被困在密封車內(nèi)時(shí)，車內(nèi)CO2濃度每分鐘持續(xù)上升78(±0.2)PPM時(shí)可以初步判定出有人被“困”在車內(nèi)。CO2濃度隨時(shí)間變化情況如圖1所示。從圖中可以看出，當(dāng)車身周圍環(huán)境固定，有人在停止的封閉的車內(nèi)，隨著時(shí)間的增加，CO2濃度近似呈直線上升，如圖1所示。

車窗驅(qū)動(dòng)模塊，系統(tǒng)實(shí)測(cè)時(shí)通過同時(shí)控制汽車后駕駛兩扇車窗完成測(cè)試。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，同時(shí)控制兩扇車窗，瞬間啟動(dòng)電流需要18A左右，故采用硬限流、軟啟動(dòng)結(jié)合的方式控制車窗。驅(qū)動(dòng)模塊電源輸入端串入0.25R水泥電阻和330uh磁環(huán)電感對(duì)輸入端進(jìn)行“硬限流”；在控制車窗啟動(dòng)程序中采用控制80KHz的PWM占空比從0逐漸上升的方式對(duì)車窗電機(jī)實(shí)現(xiàn)“軟啟動(dòng)”，實(shí)現(xiàn)對(duì)普通車窗升降的控制。對(duì)于車窗升降總成具備霍爾器件及防夾算法功能的車倆，需要同時(shí)控制防夾模塊的繼電器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)車窗升降的控制。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 GPRS通信

整套硬件裝置上電后進(jìn)行初始化系統(tǒng)，車載端SIM-800C模塊向服務(wù)器發(fā)送連接請(qǐng)求，連接成功后系統(tǒng)進(jìn)行正常工作。如果發(fā)送 5 次連接請(qǐng)求均沒有收到應(yīng)答信號(hào)，提示網(wǎng)絡(luò)連接失敗并重新發(fā)送連接請(qǐng)求。服務(wù)端開啟廣播監(jiān)聽狀態(tài)，以便隨時(shí)發(fā)現(xiàn)新的終端連接請(qǐng)求信號(hào)。

GPRS數(shù)據(jù)傳輸中應(yīng)用TCP/IP協(xié)議，利用STM32通過USART2發(fā)送“AT+CLPORT="TCP","8086"”指令控制SIM-800C與服務(wù)器8086端口建立TCP連接，連接過程中TCP提供一種面向連接的可靠的字節(jié)流服務(wù)，TCP將用戶數(shù)據(jù)打包構(gòu)成報(bào)文段，通過“AT+CIPSEND”指令發(fā)送到服務(wù)器8086端口。TCP連接成功后具有心跳檢測(cè)功能，確保長(zhǎng)連接、超時(shí)重傳功能。因此，TCP在傳輸中提供了可靠的通訊保障，同時(shí)對(duì)于這種小數(shù)據(jù)傳輸，成本極低。

采用GPRS技術(shù)對(duì)車內(nèi)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是GPRS支持Internet上應(yīng)用最廣泛的IP協(xié)議和X.25協(xié)議，GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋面極廣，手機(jī)有信號(hào)的地方，用戶都能通過手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)對(duì)車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)和調(diào)控。

3.2 C/S架構(gòu)

基于GPRS技術(shù)的防兒童被困車內(nèi)救援系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，主要由服務(wù)端(Server)和客戶端(Client)組成。

遠(yuǎn)程服務(wù)器的主要配置為Windows10＋Apache＋MySQL，主要作用如下。

(1)接收采集端的數(shù)據(jù)，完成采集端數(shù)據(jù)的收集、保存、整理、繪制圖表等；

(2)通過HTTP協(xié)議實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)到手機(jī)客戶端，并接收來自手機(jī)客戶端對(duì)車內(nèi)終端執(zhí)行控制請(qǐng)求，并下發(fā)控制指令到車載終端。

客戶端是基于Linux內(nèi)核的操作系統(tǒng)開發(fā)的Android手機(jī)APP，采用 XML 文件布局和Java語(yǔ)言控制功能的混合方式完成APP設(shè)計(jì)，XML文件主要進(jìn)行APP的UI界面設(shè)計(jì)，是整個(gè)軟件的軀殼。Java代碼完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收，存儲(chǔ)和處理等一系列數(shù)據(jù)處理任務(wù)，是整個(gè)軟件的大腦。本系統(tǒng)客戶端開發(fā)采用Android Studio軟件,使用Socket套接字鏈接網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和獲取服務(wù)器數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)能夠通過四路人體紅外探頭結(jié)合MH-Z14二氧化碳傳感器對(duì)車內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)快速的分析，判定出有無兒童被困車內(nèi)；系統(tǒng)功能穩(wěn)定、準(zhǔn)確性高，對(duì)車內(nèi)環(huán)境溫濕度的測(cè)量較為精準(zhǔn)，對(duì)污染氣體有較高的精準(zhǔn)度，且系統(tǒng)造價(jià)低廉，結(jié)構(gòu)緊湊，適合推廣應(yīng)用。同時(shí)利用GPRS無線傳輸技術(shù)，還能通過遠(yuǎn)程手機(jī)APP實(shí)時(shí)讀取并遠(yuǎn)程控制車內(nèi)環(huán)境，不僅保護(hù)了兒童，也改善了車內(nèi)環(huán)境的舒適度。