王星宇，李康偉，張 帆，孫海峰，楊 蟠，李春華

（合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽合肥 230601）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車已普及到千家萬戶。汽車的大眾化，也讓與其相關(guān)的問題不斷出現(xiàn)，例如：兒童滯留車內(nèi)窒息而亡，多是由于父母或其他監(jiān)護(hù)人的疏忽，在停車離開后無意將兒童鎖在車內(nèi)，或?yàn)榱朔奖銜簳r(shí)將兒童有意鎖在車內(nèi)，進(jìn)而引發(fā)兒童車內(nèi)意外傷亡事故[1]。兒童被鎖車內(nèi)帶來了大量的安全隱患，可能會(huì)脫水、中暑、體溫?zé)?、窒息甚至死亡。兒童滯留車?nèi)的安全事故已經(jīng)占到車內(nèi)非交通死亡相當(dāng)大的比例，兒童乘車安全成為汽車安全領(lǐng)域新的重要課題[2]。

經(jīng)過前期研究調(diào)查，總結(jié)出當(dāng)前國(guó)內(nèi)外針對(duì)兒童滯留車內(nèi)安全問題的研究主要有三大類：

（2）基于車門鎖的檢測(cè)：如通過檢測(cè)車門是否被鎖，同時(shí)結(jié)合座椅壓力傳感器判斷車內(nèi)是否有兒童滯留車內(nèi)[4]。

（3）基于多種傳感器的檢測(cè)：如通過二氧化碳、紅外傳感器等檢測(cè)兒童是否被滯留車內(nèi)[5]，并通過報(bào)警模塊實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，將二氧化碳、壓力、溫度等傳感器等集成于一體，通過傳感器檢測(cè)兒童滯留，通風(fēng)控制器實(shí)現(xiàn)自救功能[6]。同時(shí)利用GSM 模塊報(bào)警，用戶手機(jī)可以及時(shí)接收到報(bào)警短信[7]。

上述各種研究中基于多種傳感器的檢測(cè)，同時(shí)具備遠(yuǎn)程防遺忘和自救功能是研究的熱點(diǎn)。因此開發(fā)基于溫度、二氧化碳等傳感器檢測(cè)兒童滯留車內(nèi)，并通過通信、執(zhí)行等模塊，實(shí)現(xiàn)預(yù)防兒童被鎖車內(nèi)的功能。

1 系統(tǒng)分析

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

基于上述研究的啟發(fā)，利用STM32 單片機(jī)，通過二氧化碳傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等，實(shí)現(xiàn)對(duì)車內(nèi)二氧化碳濃度、溫度以及車窗是否被拍打等方面的監(jiān)測(cè)，通過發(fā)送信息的方式完成報(bào)警。希望通過這樣一套系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)更精確的檢測(cè)，減少安全隱患。

1.2 工作原理

兒童是否已被鎖車內(nèi)并存在危險(xiǎn)，需要檢測(cè)以下4 個(gè)關(guān)鍵量：①車輛行駛狀態(tài)；②車內(nèi)有無滯留人員；③車內(nèi)環(huán)境情況（包括溫度、二氧化碳濃度）；④車窗振動(dòng)情況。

整套系統(tǒng)工作流程如圖1 所示。本系統(tǒng)擬采用GPS 北斗模塊，通過判斷車速是否低于5 km/h 來判斷車輛是否停止。若車輛處于停止?fàn)顟B(tài)，再利用人體紅外傳感器檢測(cè)車內(nèi)是否有滯留人員，若存在滯留人員，則將OLED（Organic Electroluminescence Display，有機(jī)電致發(fā)光顯示器）屏開啟，并將各傳感器初始化，開始使用傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集到的車內(nèi)二氧化碳濃度信息和車內(nèi)溫度信息，通過OLED 屏實(shí)時(shí)顯示。若車內(nèi)溫度低于30 ℃且二氧化碳濃度較低、振動(dòng)傳感器采集到的振動(dòng)頻率較低，則判斷此時(shí)為安全狀態(tài)，并重新檢測(cè)車輛運(yùn)行狀態(tài)，開啟下一輪檢測(cè)；若車內(nèi)溫度高于40 ℃或二氧化碳濃度過高，則判斷此時(shí)車內(nèi)滯留兒童存在危險(xiǎn)，系統(tǒng)向監(jiān)護(hù)人發(fā)送危險(xiǎn)短信，直至車門打開或溫度下降至30 ℃以下，則可認(rèn)為車內(nèi)滯留兒童獲救，系統(tǒng)結(jié)束工作，否則系統(tǒng)重新檢測(cè)車輛運(yùn)行狀態(tài)，開啟下一輪檢測(cè)；若車內(nèi)溫度30～40 ℃或者振動(dòng)傳感器采集到的振動(dòng)頻率過高，則判斷此時(shí)車內(nèi)滯留兒童存在安全隱患，進(jìn)入警告狀態(tài)，并開始計(jì)時(shí)，若警告計(jì)時(shí)超過5 min，則發(fā)送警告短信通知監(jiān)護(hù)人，重新檢測(cè)車輛運(yùn)行狀態(tài)，開啟下一輪檢測(cè)，否則直接重新檢測(cè)車輛運(yùn)行狀態(tài)，開啟下一輪檢測(cè)。

圖1 系統(tǒng)工作流程

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)工作原理，繪制該系統(tǒng)的總體狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖（圖2）。基于原理圖及狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖設(shè)計(jì)出的實(shí)物如圖3 所示。

(4)保留um弧線，連接mn線段，ny線段，yx線段，保留xv弧線，再將除A 、B中心線及φe圓以外的線刪除，再在x處倒Rs=1.5的圓角，得圖6。

圖2 項(xiàng)目狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

圖3 系統(tǒng)實(shí)物

2.2 系統(tǒng)組成模塊說明及測(cè)試

2.2.1 人體紅外檢測(cè)模塊

人體紅外檢測(cè)模塊采用HC-SR602，HC-SR602 模塊具有靈敏度高、響應(yīng)快、靜態(tài)功耗小、體積小、安裝方便等特點(diǎn)。鏡頭、引腳已焊接，電源無需調(diào)試即可使用。

對(duì)人體紅外檢測(cè)模塊進(jìn)行測(cè)試。初始化時(shí)，人體紅外感應(yīng)模塊輸出無人信號(hào)，LED 燈滅。當(dāng)檢測(cè)到有人時(shí)，人體紅外感應(yīng)模塊輸出有人信號(hào)，LED 電平翻轉(zhuǎn)（亮），如圖4 所示；當(dāng)人體靜止不動(dòng)或者未檢測(cè)到人時(shí)，人體紅外模塊輸出信號(hào)保持上一個(gè)狀態(tài)。

圖4 檢測(cè)到有人時(shí)，傳感器燈亮

2.2.2 溫度、二氧化碳濃度檢測(cè)模塊

溫度檢測(cè)采用HDC1080。HDC1080 是一款具有集成溫度傳感器的數(shù)字濕度傳感器，其能夠以超低功耗提供出色的測(cè)量精度。

二氧化碳濃度檢測(cè)采用MHZ19B。MHZ19B 二氧化碳?xì)怏w傳感器是一個(gè)通用、小型傳感器，利用NDIR（Non-Dispersive InfraRed，非分散紅外技術(shù)）原理對(duì)空氣中存在的二氧化碳進(jìn)行探測(cè)，具有很好的選擇性，無氧氣依賴性，壽命長(zhǎng)。

該模塊通過串口與單片機(jī)進(jìn)行通信，能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度和濕度及二氧化碳濃度。當(dāng)前狀態(tài)溫度、濕度及二氧化碳濃度值如圖5 所示。

圖5 當(dāng)前環(huán)境的溫度、濕度及二氧化碳濃度值

2.2.3 振動(dòng)采集模塊

振動(dòng)采集模塊采用SW-18010P。SW-18010P 為彈簧型、無方向性振動(dòng)感應(yīng)觸發(fā)開關(guān)，具有信號(hào)干凈、波形好、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

當(dāng)按壓振動(dòng)傳感器，累積一定次數(shù)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出響聲，同時(shí)LED 燈會(huì)閃爍，如圖6 所示。

圖6 按壓一定次數(shù)，LED 燈閃爍

2.2.4 GSM 模塊

GSM 模塊采用YH-SIM800A。YH-SIM800A 是高品質(zhì)串口GSM/GPRS 模塊，可通過串口傳輸標(biāo)準(zhǔn)的AT 命令對(duì)模塊進(jìn)行控制，可為產(chǎn)品提供簡(jiǎn)單方便的GSM 語(yǔ)音、短信、GPRS 的數(shù)據(jù)通信。

插入SIM 卡后，可以對(duì)指定的手機(jī)號(hào)碼發(fā)送短信。如圖7所示，手機(jī)收到了來自車內(nèi)反饋回的報(bào)警信息。

圖7 手機(jī)收到來自GSM 模塊發(fā)送的報(bào)警短信

2.2.5 GPS 北斗模塊

GPS 北斗模塊采用BH-ATGM332D。BH-ATGM332D 是高性能、低功耗GPS、北斗雙模定位模塊，可以通過串口向單片機(jī)系統(tǒng)和電腦輸出GPS 及北斗定位信息，使用簡(jiǎn)單方便。

GPS 信號(hào)良好時(shí)，板載的液晶屏?xí)@示出實(shí)時(shí)的定位信息，顯示的信息依次為：當(dāng)前日期、當(dāng)前時(shí)間、緯度、經(jīng)度、正在使用的GPS 衛(wèi)星、可見的GPS 衛(wèi)星、正在使用的北斗衛(wèi)星、可見的北斗衛(wèi)星、海拔高度、速度、航向等。當(dāng)前位置信息如圖8所示。

圖8 GPS 模塊定位當(dāng)前位置信息

3 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用前景

基于上述原理設(shè)計(jì)出的車內(nèi)兒童防滯留系統(tǒng)，利用GPS 定位實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)的判斷；采用紅外探測(cè)器檢測(cè)車內(nèi)是否有人員。擁有更加完善的檢測(cè)系統(tǒng)，充分考慮到各種不同的情況下兒童是否遇到危險(xiǎn)，避免誤報(bào)情況的同時(shí)，也能盡可能減小安全隱患。

隨著車輛保有量的不斷增加，車內(nèi)兒童防滯留系統(tǒng)潛在市場(chǎng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大。此外，車內(nèi)兒童防滯留系統(tǒng)不限于運(yùn)用在家用轎車上，還可以運(yùn)用在校車和客車上，可在一定程度上減少了安全事故的發(fā)生，同時(shí)提高乘車的舒適性。如果車內(nèi)兒童防滯留系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，可徹底解決車輛駐停后車內(nèi)兒童人身安全沒有防護(hù)措施的問題。

兒童滯留車內(nèi)的安全事故已經(jīng)占到車內(nèi)非交通死亡相當(dāng)大的比例，解決兒童滯留車內(nèi)的安全問題有重要的現(xiàn)實(shí)意義，因此該系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值和成果推廣前景較為可觀。

4 結(jié)束語(yǔ)

介紹基于STM32 單片機(jī)設(shè)計(jì)的車內(nèi)兒童防滯留系統(tǒng)，通過二氧化碳傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、人體紅外傳感器等，從多個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)車內(nèi)有無滯留兒童的監(jiān)測(cè)和報(bào)警。擁有檢測(cè)車內(nèi)溫度、二氧化碳濃度、GPS 定位、噪聲和振動(dòng)檢測(cè)等功能。系統(tǒng)經(jīng)過初步驗(yàn)證已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)的基本目的。本產(chǎn)品以人為主體，特別是嬰幼兒群體，可以與車內(nèi)嬰兒座椅相結(jié)合，真正起到對(duì)滯留兒童生命健康的保護(hù)作用。