郭昕 朱嘉林 程進(jìn) 王一飛 任寶凱 顧明凱 趙奕鈇 劉靖宇 王曉嵐 張?zhí)祛?李曉彤 鄒小平

北京信息科技大學(xué),北京市傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101

0 前言

近年來，車內(nèi)窒息的悲劇多次上演。夏季天氣炎熱，許多車主將車停在路邊等人或休息時(shí)，通常會(huì)緊閉車窗打開空調(diào)，從而引發(fā)車內(nèi)窒息[1]的安全事故。此外，還有多起兒童被鎖車內(nèi)導(dǎo)致窒息死亡的事件[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年因被鎖在車內(nèi)[3]窒息死亡的案件將近300起。尤其是今年，國內(nèi)暴雨洪水頻發(fā)，因意外被困車內(nèi)身亡的人員多達(dá)數(shù)十人。對(duì)于被鎖車內(nèi)[4]或是已經(jīng)窒息昏迷的人員，最重要的就是第一時(shí)間開窗[5]通風(fēng)并進(jìn)行救助，所以制作出一款防止車內(nèi)窒息的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是非常必要的。車內(nèi)窒息的主要原因包括：車內(nèi)密閉導(dǎo)致氧氣濃度不夠；停放的密閉車輛開空調(diào)時(shí)，因?yàn)槠腿紵怀浞挚赡軙?huì)產(chǎn)生大量一氧化碳導(dǎo)致人中毒，甚至死亡；夏季密閉時(shí)車內(nèi)溫度僅15分鐘就可高達(dá)65℃，及易致人缺氧死亡。早至2016年就曾發(fā)生兒童被鎖在車內(nèi)導(dǎo)致窒息身亡的悲劇，起初，針對(duì)于車內(nèi)窒息隱患的應(yīng)對(duì)方案僅僅是呼吁車主提高安全意識(shí)，直至2019年才有團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)防止車內(nèi)窒息的安全系統(tǒng)。但是，目前關(guān)于防止車內(nèi)窒息的智能系統(tǒng)的研究多數(shù)處于設(shè)計(jì)層面，而且形式單一，幾乎市面上所能查到的防止車內(nèi)窒息的系統(tǒng)都是針對(duì)兒童所設(shè)計(jì)的，功能也僅僅包含檢測(cè)車內(nèi)的二氧化碳濃度以及人體紅外感應(yīng)，而忽略了成年人也會(huì)因暴雨等自然災(zāi)害導(dǎo)致被困車內(nèi)面臨窒息危險(xiǎn)的情況。

本款產(chǎn)品致力于檢測(cè)車外水位深度、車內(nèi)溫度和各項(xiàng)氣體濃度[6]。當(dāng)車內(nèi)有人且3項(xiàng)指標(biāo)有任意一項(xiàng)不在正常范圍之內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)可第一時(shí)間啟動(dòng)自救措施，并同時(shí)發(fā)出警報(bào)：自動(dòng)搖下車窗，語音求救提醒路人，向第一聯(lián)系人發(fā)送短信[7]求救。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的總體框架

系統(tǒng)由檢測(cè)模塊、STM32單片機(jī)和功能報(bào)警模塊3部分構(gòu)成。檢測(cè)模塊由熱釋電傳感器、水位傳感器、一氧化碳傳感器、溫度傳感器、LED燈組成；功能報(bào)警模塊由直流電機(jī)、語音播報(bào)器、GSM通信模塊組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

1.2.1 檢測(cè)模塊

檢測(cè)模塊主要用于前端檢測(cè)。首先啟動(dòng)熱釋電檢測(cè)模塊，熱釋電傳感器能夠通過紅外感應(yīng)檢測(cè)到車內(nèi)是否有人，當(dāng)判定車內(nèi)有人后向單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，使LED燈亮起。則單片機(jī)控制剩下3個(gè)傳感器啟動(dòng)，將一氧化碳傳感器、水位傳感器和溫度傳感器放置在車內(nèi)外需要檢測(cè)的地方，即使在人處于睡眠狀態(tài)下，也能敏銳捕捉信號(hào)。一氧化碳傳感器的接觸端設(shè)計(jì)為圓柱形，增加與一氧化碳等有害氣體的接觸面積，當(dāng)有一氧化碳?xì)怏w與傳感器接觸時(shí)，會(huì)引起其表面電導(dǎo)率的變化，從而改變輸出電阻，并最終影響輸出電壓。水位傳感器的接觸端設(shè)計(jì)為扁平狀，增加與水的接觸面積，若有水接觸時(shí)便會(huì)觸發(fā)響應(yīng)。溫度傳感器接觸端設(shè)計(jì)成塊狀，增大與空氣的接觸面積，實(shí)時(shí)檢測(cè)車內(nèi)溫度，并通過串口輸出數(shù)值。3個(gè)檢測(cè)傳感器工作后，只要捕捉到信號(hào)便向單片機(jī)返回信號(hào)，使單片機(jī)觸發(fā)報(bào)警模塊。檢測(cè)模塊所使用的3種傳感器見表1所示。

表1 3種傳感器的介紹

1.2.2 功能報(bào)警模塊

功能報(bào)警模塊由SIM900A、語音播報(bào)器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、直流電機(jī)和車窗玻璃組成。當(dāng)單片機(jī)接收到檢測(cè)模塊返回的信號(hào)后，首先觸發(fā)電機(jī)工作，使車窗玻璃降下，第一時(shí)間開窗自救；同時(shí)，控制語音播報(bào)器提醒路人該車輛出現(xiàn)異常，從而發(fā)現(xiàn)車內(nèi)需要救助人員；系統(tǒng)的遠(yuǎn)程信息交互由SIM900A芯片實(shí)現(xiàn)，SIM900A芯片上集成了GSM和GPRS模塊，芯片的RXD口與單片機(jī)的TXD口相連，芯片的TXD口與單片機(jī)的RXD口相連，構(gòu)成串口通訊，從而使單片機(jī)通過AT指令集控制SIM900A芯片向預(yù)設(shè)的緊急聯(lián)系人的手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信。

1.2.3 整個(gè)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)檢測(cè)模塊的熱釋電、溫度、一氧化碳和水位傳感器分別連接在STM32單片機(jī)I/O口上。功能報(bào)警模塊的YS-M3語音播報(bào)器與STM32單片機(jī)的輸出端相連，SIM900A連接單片機(jī)TXD和RXD引腳，構(gòu)成串口通信，電機(jī)驅(qū)動(dòng)板與STM32單片機(jī)的輸出端相連，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)搖下車窗玻璃。系統(tǒng)電路原理圖如圖2所示。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)所用編程語言為 C 語言，系統(tǒng)的程序邏輯為：首先檢測(cè)車上是否有人，當(dāng)車內(nèi)有人時(shí)，控制模塊使其他各項(xiàng)檢測(cè)傳感器開始工作；通過檢測(cè)車內(nèi)一氧化碳含量、溫度數(shù)值和車外水位深度，各檢測(cè)傳感器將數(shù)據(jù)傳輸給控制模塊，控制模塊根據(jù)邏輯進(jìn)行判斷，若有1項(xiàng)超過設(shè)定閾值則啟動(dòng)報(bào)警模塊；報(bào)警模塊實(shí)現(xiàn)車窗玻璃降下，語音播報(bào)器提醒路人車內(nèi)發(fā)生危險(xiǎn)，GSM模塊發(fā)送短信求救。系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

2 系統(tǒng)功能驗(yàn)證

將熱釋電傳感器、一氧化碳傳感器、溫度傳感器、水位傳感器放置在車內(nèi)外需要被檢測(cè)的地方，實(shí)物連接如圖4所示。系統(tǒng)驗(yàn)證過程中，實(shí)驗(yàn)者上車后分別開關(guān)空調(diào)各30次，其中58次均能自動(dòng)搖下車窗，車外播放警示語音且發(fā)送短信給第一聯(lián)系人。此外，測(cè)試車內(nèi)是否有人，車外進(jìn)氣管和排氣管是否進(jìn)水時(shí)，熱釋電傳感器和水位傳感器均能夠穩(wěn)定響應(yīng)，測(cè)試結(jié)果如表2所示。由此可見，本系統(tǒng)具有較高的可靠性。此外，測(cè)試結(jié)果顯示，判斷車內(nèi)氣體含量這一功能目前還存在誤報(bào)的可能，因此，計(jì)劃下一步改進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，將重點(diǎn)優(yōu)化車內(nèi)氣體檢測(cè)功能，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。

表2 測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)束語

在如今經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展的情況下，中國有車一族數(shù)量非常龐大，車輛安全已經(jīng)成為了社會(huì)熱點(diǎn)問題。本產(chǎn)品針對(duì)夏季密閉車內(nèi)使用空調(diào)過程中以及夏季暴雨洪水等惡劣天氣下存在的安全隱患而設(shè)計(jì)，可應(yīng)用于多種危險(xiǎn)情況，擁有廣闊的市場(chǎng)前景。

相較于其他功能簡(jiǎn)單的防止車內(nèi)窒息的智能系統(tǒng)，本系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)車內(nèi)一氧化碳含量、溫度和車外水位深淺等指標(biāo)，在發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)能夠第一時(shí)間開窗自救，并且立刻發(fā)出求救短信和語音播報(bào)提示，讓車主盡快得到救援，從而大大降低事故發(fā)生的可能性。此外，也方便其他人員救助，減少人員和經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，易安裝，適用范圍廣。