李 鋒

兒童誤鎖車內(nèi)報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)

李 鋒

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

為避免兒童被誤鎖車內(nèi)發(fā)生悲劇，文章設(shè)計(jì)了一種兒童誤鎖車內(nèi)報(bào)警裝置。該裝置主要由信號檢測采集模塊、信號處理控制模塊和信號執(zhí)行三個(gè)部分組成。通過各傳感器模塊的檢測，當(dāng)車內(nèi)兒童因家長遺忘而滯留車內(nèi)時(shí)，向車主人發(fā)送報(bào)警信息，同時(shí)車窗打開，車內(nèi)播放預(yù)存家長視頻安撫兒童情緒，從而使駕駛員及時(shí)發(fā)現(xiàn)被困兒童，減少兒童被誤鎖車內(nèi)事件的發(fā)生，保障兒童的安全。

傳感器；DTU模塊；單片機(jī)

前言

隨著人們生活水平的不斷提高，每個(gè)家庭擁有一輛適合自己的汽車已不再是奢望。雖然現(xiàn)在大眾交通也已普及，但是汽車出行也更加方便自由，所以個(gè)人對汽車的需求量也逐年攀升。2021年4月6日，公安部交通管理局發(fā)布最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，一季度全國新注冊登記機(jī)動(dòng)車966萬輛，同比增長67.31%，比2019年同期增長31.96%，創(chuàng)同期歷史新高。然而，人們在享受汽車帶來的方便的同時(shí)，汽車使用過程中的各種安全問題頻繁出現(xiàn)。其中，因家長疏忽導(dǎo)致兒童被遺忘在車內(nèi)而悶死的悲劇時(shí)有發(fā)生。特別是在酷暑時(shí)節(jié)，當(dāng)外界溫度達(dá)到35 ℃時(shí)，陽光照射15分鐘后，封閉車廂內(nèi)的溫度將升至65 ℃左右。在這樣的高溫環(huán)境中，被困車內(nèi)的兒童會(huì)急速引發(fā)“熱射病”，重則危及生命安全。因此，設(shè)計(jì)一款性能穩(wěn)定、使用方便的報(bào)警系統(tǒng)非常迫切，而目前兒童誤鎖車內(nèi)的相關(guān)研究非常少，我們研究的主要方向是系統(tǒng)檢測到滯留兒童，自動(dòng)控制車窗降下和汽車空調(diào)系統(tǒng)開啟，從而達(dá)到通風(fēng)降溫的目的，還需要給其車主及家長發(fā)送短信撥打電話來提醒[1]，車內(nèi)播放預(yù)存視頻安撫兒童情緒。對兒童誤鎖車內(nèi)的情況起到報(bào)警及應(yīng)急處理，避免悲劇發(fā)生，對于有需求的駕駛?cè)藖碚f具有重要意義。

1 裝置整體設(shè)計(jì)

兒童誤鎖車內(nèi)報(bào)警裝置主要由信號檢測采集、信號處理和信號執(zhí)行3個(gè)部分組成[2]，利用熱釋紅外電傳感器、車門鎖傳感器、車速傳感器、車座背部壓力傳感器、CO2檢測模塊、溫濕度檢測模塊、語音播放模塊、車窗升降電路以及無線通信模塊設(shè)計(jì)出兒童誤鎖車內(nèi)保護(hù)裝置，通過熱釋紅外電傳感器、車門鎖傳感器、車速傳感器、車座背部壓力傳感器、CO2檢測模塊、溫濕度檢測模塊檢測車輛行駛狀態(tài)以及車內(nèi)人員情況，由STM32單片機(jī)控制系統(tǒng)判斷DTU模塊是否對信號作出反應(yīng)，達(dá)到保護(hù)被誤鎖車內(nèi)兒童的目的，利用音頻模塊播放家長預(yù)存視頻，安撫兒童情緒，防止因家長疏忽而對兒童造成傷害。裝置原理如圖1所示。

圖1 兒童誤鎖車內(nèi)報(bào)警裝置原理圖

1.1 信息收集功能

通過車速傳感器檢測車輛是否處于行駛狀態(tài)，熱釋電紅外傳感器、車座背部壓力傳感器、CO2檢測模塊、溫濕度檢測模塊用于檢測車內(nèi)中是否存在兒童，控制系統(tǒng)自帶計(jì)時(shí)器用于計(jì)算兒童被鎖時(shí)間，門鎖傳感器用于檢測車是否已被鎖死。將檢測的數(shù)據(jù)上傳到STM32單片機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)處理。

1.2 數(shù)據(jù)分析功能

STM32單片機(jī)控制系統(tǒng)開始檢測，當(dāng)檢測到車門鎖信號有效，而且其中熱釋電紅外傳感器、壓力傳感器以及CO2檢測模塊中有一種檢測到信號的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)認(rèn)為有人被鎖在車內(nèi)，向無線通信模塊與音頻播放模塊傳輸信息。

1.3 信息報(bào)警功能

系統(tǒng)裝有DTU模塊，當(dāng)傳感器模塊檢測到數(shù)據(jù)異常，STM32單片機(jī)控制系統(tǒng)判斷發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，DTU模塊發(fā)出指令向家長發(fā)出報(bào)警，產(chǎn)生短信和電話通知，提醒駕駛員及時(shí)返回處理。音頻播放模塊在車內(nèi)播放預(yù)存視頻，安撫兒童情緒。

1.4 車窗升降功能

STM32單片機(jī)控制系統(tǒng)分析判斷兒童是否被鎖車內(nèi)超過1分鐘以及家長是否對其做出反應(yīng)，車窗控制開關(guān)用于接受STM32單片機(jī)控制系統(tǒng)的信號，開啟一定開度車窗。當(dāng)車門鎖傳感器檢測到車門打開后，車窗上升關(guān)閉等待下一次指令。

2 裝置硬件設(shè)計(jì)

兒童誤鎖車內(nèi)報(bào)警裝置由汽車電瓶供電，整個(gè)系統(tǒng)的電源通斷依靠汽車鑰匙開關(guān)擋來控制。開關(guān)擋位中的 ACC 擋作為系統(tǒng)啟動(dòng)的觸發(fā)條件，一旦監(jiān)測到這個(gè)觸發(fā)條件，STM32單片機(jī)會(huì)自動(dòng)的控制整個(gè)系統(tǒng)的電源通電。對整個(gè)系統(tǒng)開始自檢工作，自檢狀態(tài)良好，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的系統(tǒng)語音模塊提示系統(tǒng)可以正常工作。當(dāng)任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題的時(shí)候，語音模塊提示錯(cuò)誤，等待檢修[3]。

2.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)

采用STM32-G474RE單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，STM32使用高性能、實(shí)時(shí)性、數(shù)字信號處理、低功耗、低電壓于一身，同時(shí)保持高集成度和開發(fā)簡易的優(yōu)點(diǎn)。其主要含兩個(gè)部分：各種型號的STM32板和編程軟件。硬件部分主要用于嵌入各個(gè)模塊（熱釋紅外電傳感器、車門鎖傳感器、車速傳感器、車座背部壓力傳感器、CO2檢測模塊、溫濕度檢測模塊、語音播放模塊、車窗升降電路以及無線通信模塊等）的電路板。軟件部分主要通過編寫程序依托到計(jì)算機(jī)的開發(fā)環(huán)境之中。

2.2 熱釋紅外傳感器

熱釋電紅外傳感器選用HC-SR501，為常用人體紅外感應(yīng)模塊。檢測距離為1 m～5 m、感應(yīng)角度小于100度錐角。滿足在車內(nèi)人員檢測的距離和角度，鎖車后檢測到人體后觸發(fā)，控制板接收到高電平并作出判斷[4]。本設(shè)計(jì)為節(jié)省資源，熱釋電傳感器只有在車門鎖住時(shí)工作。后檢測到人體后觸發(fā)，STM32控制板接收到高電平并作出判斷。

2.3 車速傳感器

車速傳感器類型較多，本設(shè)計(jì)采用光電式車速傳感器，它是固態(tài)的光電半導(dǎo)體傳感器，由帶孔的轉(zhuǎn)盤兩個(gè)光導(dǎo)體纖維，一個(gè)發(fā)光二極管，一個(gè)作為光傳感器的光電三極管組成。一個(gè)以光電三極管為基礎(chǔ)的放大器為發(fā)動(dòng)機(jī)控制電腦或點(diǎn)火模塊提供足夠功率的信號，光電三極管和放大器產(chǎn)生數(shù)字輸出信號（開關(guān)脈沖）。發(fā)光二極管透過轉(zhuǎn)盤上的孔照到光電二極管上實(shí)現(xiàn)光的傳遞與接收。轉(zhuǎn)盤上間斷的孔可以開閉照射到光電三極管上的光源，進(jìn)而觸發(fā)光電三極管和放大器，使之像開關(guān)一樣地打開或關(guān)閉輸出信號。開關(guān)的速度越快，說明汽車的車速越快，而當(dāng)檢測到一直開時(shí)，車速為零，單片機(jī)控制系統(tǒng)判定其為停車，與傳感器結(jié)合判斷車內(nèi)是否有滯留兒童。

2.4 車門鎖傳感器

采用汽車車門自帶車門鎖傳感器，這樣既保證汽車內(nèi)飾的美觀性又可以完成相對應(yīng)的檢測功能，通過車門鎖傳感器能夠檢測車主是否鎖車門[5]，若車門已鎖，系統(tǒng)開始工作。本文車門鎖狀態(tài)檢測采用磁性感應(yīng)開關(guān)模塊將其接入汽車中控板的信號線并聯(lián)接入到單片機(jī)數(shù)字引腳，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測開閉鎖狀態(tài)。

2.5 車座背部壓力傳感器

采用擴(kuò)散硅壓力傳感器，其工作原理是基于壓阻效應(yīng)，利用壓阻效應(yīng)原理，被測介質(zhì)的壓力直接作用于傳感器的膜片上（不銹鋼或陶瓷），使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發(fā)生變化，利用電子線路檢測這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對應(yīng)于這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)測量信號。一根線連接電源正極，另一個(gè)線也就是信號線經(jīng)過STM32單片機(jī)控制系統(tǒng)連接到電源負(fù)極。當(dāng)人體坐在汽車內(nèi)后，車座底部與背部受力，給單片機(jī)傳送信息，單片機(jī)結(jié)合其他幾個(gè)傳感器做出判斷家長離開后是否有兒童被遺忘在車?yán)铩?/p>

2.6 CO2檢測模塊

選用SKA/CO2-101二氧化碳?xì)怏w檢測模塊。專門針對空氣中存在的二氧化碳CO2氣體，進(jìn)行24小時(shí)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測濃度含量檢測。采用原裝進(jìn)口氣體傳感器，通過32位微處理器和24位數(shù)據(jù)采集器后，進(jìn)行全量程的溫濕度補(bǔ)償。可直接輸出模擬電流4 mA～20 mA，模擬電壓0.4～2 V、0～5 V，數(shù)字信號。通過其檢測車內(nèi)CO2濃度，配合熱釋電紅外傳感器、溫濕度傳感器、車門鎖傳感器以及車速傳感器。經(jīng)控制系統(tǒng)判斷車內(nèi)是否有兒童滯留。

2.7 音頻播放模塊

采用MP3模塊與7寸LCD屏顯示屏配合使用，MP3模塊接入汽車音響播放音頻，LCD屏接入單片機(jī)控制系統(tǒng)。LCD屏以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點(diǎn)、線、面配合背部燈管構(gòu)成畫面，有機(jī)身薄，節(jié)省空間、省電，不產(chǎn)生高溫、完全不發(fā)燙等優(yōu)點(diǎn)。完全無輻射、畫面柔和不傷眼[6]，可以減少顯示器對眼睛的傷害。對兒童健康不會(huì)造成危害。而當(dāng)報(bào)警指令發(fā)出后，家長預(yù)存的視頻將通過LCD屏循環(huán)播放，從而安撫兒童的情緒。

2.8 車窗升降電路

采用接入單片機(jī)嵌入汽車中控的方式，通過連桿來舉升車窗玻璃，同時(shí)保持其處于水平狀態(tài)。采用蝸桿帶動(dòng)蝸輪的機(jī)械結(jié)構(gòu)是為了形成自鎖，防止車窗下降5 cm后，被撬開，減少被盜風(fēng)險(xiǎn)，從而也能實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制車窗升降的功能，并且為保證鎖車后車內(nèi)兒童安全，其指令優(yōu)先級大于汽車中控指令。

2.9 DTU無線通信模塊

DTU硬件組成部分主要包括CPU控制模塊、無線通訊模塊以及電源模塊。有組網(wǎng)迅速靈活，建設(shè)周期短、成本低；網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣；安全保密性能好；鏈路支持永遠(yuǎn)在線、按流量計(jì)費(fèi)、用戶使用成本低等優(yōu)點(diǎn)。

GPRS DTU上電后，首先讀出內(nèi)部FLASH中保存的工作參數(shù)（包括GPRS撥號參數(shù)，串口波特率，數(shù)據(jù)中心IP地址等等，事先已經(jīng)配置好）。

GPRS DTU主動(dòng)發(fā)起與數(shù)據(jù)中心的通信連接，并保持通信連接一直存在。由于GPRS DTU處于移動(dòng)內(nèi)網(wǎng)，而且IP地址不固定。因此，只能由GPRS DTU主動(dòng)連接數(shù)據(jù)中心，而不能由數(shù)據(jù)中心主動(dòng)連接GPRS DTU。這就要求數(shù)據(jù)中心具備固定的公網(wǎng)IP地址或固定的域名。數(shù)據(jù)中心的公網(wǎng)IP地址或固定的域名作為參數(shù)存儲(chǔ)在GPRS DTU內(nèi)，以便GPRS DTU一旦上電撥號成功，就可以主動(dòng)連接到數(shù)據(jù)中心。與車主手機(jī)建立通訊，車主通過手機(jī)可以實(shí)時(shí)查看車內(nèi)CO2、溫度、濕度等情況。當(dāng)系統(tǒng)自主檢測到有兒童被鎖在車內(nèi)時(shí)，STM32控制板通過DTU模塊向駕駛員發(fā)送短信，進(jìn)行報(bào)警，提示駕駛員及時(shí)采取措施。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本裝置工作過程：系統(tǒng)初始化，然后檢測車輛是否處于行駛狀態(tài)，檢測車是否已被鎖死。當(dāng)停車且車門被鎖時(shí)，熱釋電紅外傳感器、車座背部壓力傳感器、CO2檢測模塊啟動(dòng)，檢測環(huán)境中是否存有人被困車內(nèi)。若檢測到車內(nèi)有人被誤鎖，則開啟一定開度車窗，向車主發(fā)送信息并開啟車內(nèi)視頻安撫兒童情緒。

4 結(jié)論

綜上所述，兒童誤鎖車內(nèi)報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)，通過熱釋紅外電傳感器、車門鎖傳感器、車速傳感器、車座背部壓力傳感器、CO2檢測模塊能夠?qū)噧?nèi)情況進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)測，并在兒童被困時(shí)，通過車窗升降電路下降車窗避免兒童窒息，并利用DTU無線通信模塊及時(shí)給家長發(fā)送報(bào)警信號，從而保證了兒童的人身安全。用音頻模塊播放家長預(yù)存視頻，安撫兒童情緒[7]，從根本上解決兒童被誤鎖車內(nèi)的問題，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 周潤景.傳感器與檢測技術(shù)[M].2版.北京:電子工業(yè)出版社, 2014.

[2] 黃晶晶,羅文華.車輛智能報(bào)警系統(tǒng)的研究[J].河北農(nóng)機(jī), 2016(05):38.

[3] 趙陽剛.基于Arduino與XBee的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].太原:中北大學(xué),2017.

[4] 張永生,張夢杰,范金鑫,等.基于 STM32F103 的車載兒童防滯留報(bào)警系統(tǒng)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2017(12):132-133.

[5] 趙文松,趙曉軒.兒童被遺忘車內(nèi)傷害事故的深層原因及對策研究[J].汽車與安全,2017(11):94-96.

[6] 文強(qiáng),張銣鈁.基于人臉識別的預(yù)防兒童誤鎖車內(nèi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通,2019(3):62.

[7] 王晶,文師華,劉星宇,等.防止兒童誤鎖車內(nèi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2018(4):34-36+41.

Design of Alarm Device for Children's Mislocking in Vehicle

LI Feng

( Shandong Huayu Institute of Technology, Shandong Dezhou 253034 )

In order to avoid the tragedy of children being locked in the car by mistake, an alarm device for children locking in the car by mistake is designed in this paper. The device is mainly composed of three parts: signal detection and acquisition module, signal processing control module and signal execution. Through the detection of each sensor module, when the children in the car are stranded in the car due to their parents' forgetting, it sends alarm information to the car owner, opens the window and broadcasts prestored parent video in the car to calm the children's emotions, so that the driver can find the trapped children in time.Reduce the occurrence of children being locked in the car by mistake and ensure the safety of children.

Sensor;DTU module;MCU

A

1671-7988(2022)01-98-04

TH122

A

1671-7988(2022)01-98-04

CLC NO.: TH122

李鋒，就職于山東華宇工學(xué)院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.001.023