呂緒浩 何文超 徐 婷

（東北師范大學人文學院理工學院，吉林長春130117）

0 引言

兒童乘車安全是汽車安全領(lǐng)域的重要課題之一，目前研究工作主要集中在兒童約束系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計及其安全性評價等方面，對于車輛駐停后滯留車內(nèi)兒童的安全問題缺乏深入研究。美國Kids and Cars組織對2001—2010年美國兒童車內(nèi)非交通事故傷害進行統(tǒng)計和分類，結(jié)果顯示，兒童滯留車內(nèi)熱窒息死亡率達58%，遠高于其他傷害類型[1]。

針對該問題，本文設(shè)計一套主動安全防護系統(tǒng)，通過監(jiān)測駐停車輛內(nèi)的實時溫度及兒童滯留狀態(tài)綜合判定是否啟動防護報警功能。

1 主動防護系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 總體方案設(shè)計

兒童滯留車內(nèi)主動防護系統(tǒng)主要由微控制器模塊、信號檢測模塊和防護報警模塊組成。微控制器模塊以STM32單片機為核心，信號檢測模塊包括駐車狀態(tài)檢測電路、攝像頭人臉檢測電路和車內(nèi)溫度檢測電路，防護報警模塊包括車窗升降控制電路、聲光報警電路和遠程報警電路。圖1為兒童滯留車內(nèi)主動防護系統(tǒng)組成示意圖。

圖1 主動防護系統(tǒng)組成示意圖

1.2 工作原理

兒童滯留車內(nèi)主動防護系統(tǒng)的工作原理為：駐車狀態(tài)檢測電路通過傳感器判斷車輛是否真實駐停，當車輛駐停后，攝像頭人臉檢測電路判斷是否有兒童滯留，如有兒童滯留，車內(nèi)溫度檢測電路將測量溫度傳至微控制器。微控制器根據(jù)接收到的溫度判定是否啟動防護報警模塊。當溫度超過報警閾值，微控制器向車窗升降控制電路、聲光報警電路和遠程報警電路發(fā)出報警指令，啟動防護功能。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 微控制器模塊

微控制器模塊以STM32F103型單片機為控制核心，與外圍信號檢測模塊和防護報警模塊電路相連，如圖2所示。

圖2 微控制器模塊接口電路

2.2 信號檢測模塊

2.2.1 車輛駐停檢測電路

車輛駐停檢測電路采用多傳感器多項數(shù)據(jù)融合的方法判斷車輛是否真實駐停，電路原理圖如圖3所示，主要由GPS+北斗雙模定位模組S1216F8-BD、三軸加速度計MPU6050、原車電源開關(guān)狀態(tài)和門鎖開關(guān)狀態(tài)檢測電路組成。原車電源開關(guān)狀態(tài)和門鎖開關(guān)狀態(tài)通過電壓方式檢測，光耦隔離器PC817起到電壓轉(zhuǎn)換作用的同時，隔離了檢測裝置對原車電器的影響。

2.2.2 攝像頭人臉檢測電路

攝像頭人臉檢測電路采用嵌入式OpenMV機器視覺模塊，利用內(nèi)置Haar Cascade 特征檢測器實現(xiàn)人臉檢測功能。Cascade分類器將Haar特征分為25個階段進行級聯(lián)檢測。圖4為OpenMV實物和人臉檢測效果。

2.2.3 車內(nèi)溫度檢測電路

參照職業(yè)衛(wèi)生標準《職業(yè)性中暑的診斷》（GBZ 41—2019）[2]，當體溫超過38 ℃時身體開始熱衰竭。由于高溫環(huán)境下紅外傳感器測量人體體溫誤差較大，本文暫以環(huán)境溫度達到38 ℃作為報警閾值。溫度傳感器選用DS18B20，單總線結(jié)構(gòu)，只需占用一根端口線與微處理器通信，節(jié)省了大量引線和邏輯電路。

2.3 防護報警模塊

2.3.1 車窗升降控制電路

兒童滯留車內(nèi)發(fā)生危險時，首要措施是降溫通風。車窗升降控制電路使用原車車窗升降機構(gòu)，當微控制器啟動防護功能時，繼電器吸合，接通車窗升降機構(gòu)電源使車窗下降。

圖3 車輛駐停信號檢測電路

圖4 OpenMV實物及人臉檢測效果

2.3.2 聲光報警電路

兒童滯留車內(nèi)發(fā)生危險時，路人是最直接有效的救助人員。聲光報警電路采用原車閃光燈和防盜喇叭，當微控制器啟動報警功能時，發(fā)出控制信號使繼電器吸合，接通閃光燈和防盜喇叭電源，聲光報警提醒路人注意。

2.3.3 遠程報警電路

兒童滯留車內(nèi)發(fā)生危險時，需及時通知車主返回。遠程報警電路采用安信可公司的工業(yè)級四頻GSM/GPRS A6模組，工作頻段850/900/1 800/1 900 MHz，可低功耗實現(xiàn)短信數(shù)據(jù)信息的傳輸。電路如圖5所示。

圖5 遠程報警電路

3 軟件程序設(shè)計

本文設(shè)計的兒童滯留車內(nèi)主動防護系統(tǒng)的程序流程如圖6所示：系統(tǒng)初始化后，首先通過GPS模塊檢測車輛的速度，當車速低于某一值時基本可以判斷車輛處于靜止狀態(tài)；然后再輔以三軸加速度計，對空間X、Y、Z三個維度的加速度進行矢量合成，形成與重力加速度方向一致的矢量和a，當矢量和在1個重力加速度左右時即可判斷車輛處于靜止狀態(tài)[3]；最后通過檢測原車電源開關(guān)狀態(tài)和門鎖開關(guān)狀態(tài)判斷車輛是否處于真實停駐狀態(tài)；如果車輛駐停，攝像頭人臉檢測模塊執(zhí)行人臉檢測算法，當檢測到車內(nèi)有滯留兒童時，讀取溫度傳感器溫度，若超過設(shè)定閾值，降下車窗通風降溫，聲光報警提醒路人注意，同時GSM短信通知車主速速返回。

4 結(jié)語

為避免兒童滯留車內(nèi)高溫死亡或受永久性傷害，本文設(shè)計了一套主動安全防護系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由微控制器模塊、信號檢測模塊及防護報警模塊組成，通過采集的數(shù)據(jù)可準確判定車輛是否真實駐停和車內(nèi)是否有兒童滯留，當發(fā)生危險時可及時有效地控制執(zhí)行元件通風降溫，并啟動報警功能，最大限度地降低兒童滯留車內(nèi)風險。

圖6 系統(tǒng)程序流程圖