楊均悅,楊藝璇,袁喆

(1.大連交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.大連交通大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)①

據(jù)公安部統(tǒng)計，2019年全國機動車保有量達3.48億輛，汽車保有量達2.6億輛，小型載客汽車保有量達2.2億輛，其中，私家車(私人小微型載客汽車)保有量達2.07億輛；機動車駕駛?cè)诉_4.35億人，其中汽車駕駛?cè)?.97億人.機動車及駕駛?cè)藬?shù)量迅速增長，給人們生活帶來便捷的同時，也帶來不容忽視的行車安全隱患.在各類行車事故的報道里，多起事故是因為車主將寵物或兒童遺忘在車內(nèi)導(dǎo)致悲劇發(fā)生，其中不僅有私家車，校車也有發(fā)生過這樣的事故.很多人對夏天封閉車內(nèi)的高溫危險并不清楚，尤其是兒童的身體狀況對這樣的高溫更是難以抵抗，在同樣的溫度情況下，兒童面臨的危險要遠遠高于成年人.研究發(fā)現(xiàn)，在外界溫度達到35℃時，封閉的汽車內(nèi)溫度將迅速升高，十幾分鐘后車內(nèi)的溫度就會達到65℃，而人在這樣的溫度下，30 min就會失去生命.

因此,本文提出一種太陽能車載乘客監(jiān)測與報警系統(tǒng)，其能有效感應(yīng)車內(nèi)是否有生命體存在以及車內(nèi)溫度，發(fā)出報警信號，并采取降溫措施，避免事故發(fā)生.同事太陽能的蓄電方式，更加清潔環(huán)保，為城市環(huán)境減少一份負擔，保障行車安全的同時，還有很好的市場推廣價值.

1 系統(tǒng)功能要求

設(shè)計的總體思路是系統(tǒng)可以在危險情況發(fā)生時做出報警提示功能，報警功能要求有兩個方面：一是要讓離開的駕駛員得到報警信號，二是讓行人得知報警信息.據(jù)此可設(shè)計出如圖1所示的系統(tǒng)功能要求.

圖1 系統(tǒng)總體框圖

如圖1所示，系統(tǒng)功能運行過程為，通過人體傳感器，分別檢測車內(nèi)駕駛位與乘客位的人體信號：若駕駛位無人而乘客位有人時，進入一級報警狀態(tài)，向駕駛員手機發(fā)送報警信號，提醒駕駛員返回，同時檢測車內(nèi)溫度；若車內(nèi)溫度達到40℃以上，則進入二級報警狀態(tài)， 啟動聲光報警系統(tǒng)， 報警燈閃爍并發(fā)出蜂鳴聲，提醒路過行人，同時啟動應(yīng)急風扇，進行暫時的物理降溫，給救援爭取時間.系統(tǒng)的功能流程圖如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)的功能流程圖

2 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)的硬件組成主要由輸入模塊與輸出模塊兩大部分構(gòu)成，其中輸入模塊包括：電源電路、晶振復(fù)位模塊、人體感應(yīng)模塊、溫度感應(yīng)模塊、按鍵模塊；輸出模塊包括指示燈模塊、數(shù)碼管顯示模塊、風扇電機模塊、報警模塊，以及無線接收模塊.系統(tǒng)硬件總體框圖如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)總體框圖

(1)太陽能電壓源

系統(tǒng)的供電模塊采用DC12V太陽能電壓源，并為單片機、傳感器等其他元器件進行供電，不依賴與車內(nèi)電源系統(tǒng)，搭配電池可以實現(xiàn)充電功能.

(2)單片機控制器

單片機的選擇，首先考慮要滿足系統(tǒng)功能控制需求，I/O口的數(shù)量要有足夠裕量；其次，溫控風扇電機部分的方式是通過PWM來控制電機轉(zhuǎn)速，由于PWM是通過調(diào)節(jié)占空比來改變電機兩端的電壓從而實現(xiàn)調(diào)速目的，所以選擇的單片機要有計數(shù)器和定時器的功能[1].考慮系統(tǒng)使用過程中可能出現(xiàn)的突發(fā)情況，單片機要具備中斷的功能.該系統(tǒng)是車載設(shè)備，在成本上要盡量控制，價格方面選擇滿足功能要求的低價產(chǎn)品.在使用操作上，如STM32單片機是32位的嵌入式單片機，本系統(tǒng)的功能要求比較簡單，不需要使用編程復(fù)雜的單片機，會增加編程難度.STC89C52單片機足夠滿足該系統(tǒng)的設(shè)計需求，且編程容易.綜合以上整體考慮因素，選擇了價格便宜、有定時中斷功能、編程簡單容易的89C52單片機作為系統(tǒng)的主控制器[2].

(3)人體感應(yīng)模塊

本系統(tǒng)選用HC-SR501紅外技術(shù)自動控制模塊進行人體感應(yīng)，感應(yīng)模塊的探頭采用LHI778 的探頭設(shè)計，是德國設(shè)計技術(shù)，HC-SR501在探測時感應(yīng)靈敏，在很低的電壓模式下依然可以進行探測，是可靠的人體探測傳感器，在很多自動化的電氣設(shè)備里被選擇使用[3-4].直流工作電壓范圍在4.5～20 V之間的直流電壓，輸出方式為高電平3.3 V或者低電平0 V，滿足整體電路的電壓需求.通過感應(yīng)透鏡擴大感應(yīng)范圍，感應(yīng)角度小于100°錐角，覆蓋后座乘客范圍.采用兩個HC-SR501感應(yīng)模塊，分別感應(yīng)駕駛員和乘客，通過單片機判斷兩個輸入信號的情況，發(fā)出報警信號[5].

(4)溫度感應(yīng)模塊

在太陽能車載乘客監(jiān)測與報警系統(tǒng)中，溫度感應(yīng)模塊選用了DS18B20，它是一款單線溫度傳感器，傳感器探測到環(huán)境溫度后，可以把探測到的信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送微處理器進行處理，在單片機到溫度傳感器的數(shù)據(jù)傳輸上，只通過一個接口就可以完成[6].該傳感器在測量范圍上是完全滿足太陽能車載乘客監(jiān)測與報警系統(tǒng)的要求，范圍可以達到-55～+125℃，精度也足夠，DS18B20在-10～+85℃時精度可以達到±0.5℃.

(5)風扇電機模塊

風扇電機模塊的主要功能是實現(xiàn)無駕駛員，車內(nèi)鎖有乘客的情況下，啟動直流風扇電機，給乘客一個保護的作用，為救援贏得時間.在風扇控制部分設(shè)計了兩個擋位，根據(jù)溫度傳感器測到的溫度值，自動調(diào)整風扇風力大小.直流電機風扇部分選擇使用PWM來控制電機驅(qū)動電路，單片機輸出信號后，經(jīng)過三極管電路進行電機驅(qū)動，控制實現(xiàn)大小不同的轉(zhuǎn)速[7-8].

(6)報警模塊

報警模塊采用報警燈和報警器兩種報警器件，其作用為在人體感應(yīng)傳感器檢測到駕駛位無人，乘客位有人，且溫度達到一定數(shù)值時的情況下，報警燈進行閃爍報警，報警蜂鳴器發(fā)出求救聲響.這樣的功能設(shè)計是為了防止駕駛員有特殊情況需要暫時離開駕駛座，報警系統(tǒng)如果發(fā)出警報聲光，會影響到周圍環(huán)境，此時只啟動一級報警，給駕駛員發(fā)送消息；只有當車內(nèi)溫度達到設(shè)定值時，該溫度是人體不適溫度，確認危險發(fā)生，啟動第二級報警系統(tǒng)，報警燈蜂鳴器開始響應(yīng).

(7)無線通信模塊

本系統(tǒng)的無線通信模塊主要實現(xiàn)在檢測到駕駛員位無人、車內(nèi)有乘客的情況下，給駕駛員手機發(fā)送報警信息，提醒駕駛員危險情況，及時避免事故發(fā)生.本系統(tǒng)選用了ESP8266無線串口模塊.ESP8266無線串口模塊有著低功耗、通訊距離遠、體積小巧、價格低廉等優(yōu)勢，該模塊支持標準的 IEEE802.11b/g/n協(xié)議，完整的TCP/IP 協(xié)議.模塊的工作電壓是3.3V，在供電上單片機的電壓可以滿足該模塊供電需求.跨陣M4物聯(lián)模塊搭載ESP無線傳輸模塊，可以進行遠程系統(tǒng)開關(guān)控制，也可以實現(xiàn)手機短信報警發(fā)送的功能.

3 微型處理器軟件代碼設(shè)計

(1)主函數(shù)設(shè)計

在主函數(shù)里設(shè)定了溫度的上下限值，該值控制風扇兩個擋位.接著調(diào)用定時器初始化程序，打開總中斷，定時器0的工作方式為方式1，打開定時器0中斷，允許定時器0定時.然后調(diào)用延時函數(shù)，延時20 s.初始化單片機的I/O口為高電平，進入while(1)循環(huán)，循環(huán)體里調(diào)用紅外報警函數(shù)，運行后續(xù)代碼功能.主函數(shù)流程圖如圖4所示.

圖4 主函數(shù)流程圖

(2)人體感應(yīng)報警函數(shù)設(shè)計

人體感應(yīng)由兩個人體紅外傳感器HC-SR501進行檢測，分別連接單片機P1.1和P1.2的兩個I/O口，其中P1.1對應(yīng)乘客位，P1.2對應(yīng)駕駛員位.從主程序進入紅外報警函數(shù)后，對P1.1和P1.2兩個I/O口接收到的信號進行判斷，當P1.1口的信號為高電平，即有信號，P1.2口接收到的信號為低電平時，即無信號，啟動報警模式，無線通信模塊接口由低電平轉(zhuǎn)換為高電平，向駕駛員手機發(fā)送報警信息.人體感應(yīng)報警函數(shù)圖如圖5所示.

圖5 人體感應(yīng)報警函數(shù)圖

(3)APP控制端軟件代碼設(shè)計

上位機的控制端界面主要實現(xiàn)系統(tǒng)運行的提示、報警燈的提示、短信下發(fā)的任務(wù)設(shè)置.上位機的控制端使用物聯(lián)模塊“跨陣M4”平臺，在物聯(lián)平臺基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)設(shè)計，優(yōu)化界面.控制端使用JavaScript語言進行開發(fā)，選擇了WebStorm編輯器.

4 仿真與實驗分析

利用Keil軟件進行電路功能運行測試，系統(tǒng)的單片機最小系統(tǒng)、人體紅外傳感器、溫度傳感器、電機風扇、數(shù)碼管顯示電路、報警電路都在仿真軟件上設(shè)計出來，單片機代碼加載后測試.仿真電路圖如圖6所示.

圖6 仿真電路圖

通過系統(tǒng)仿真，檢測所設(shè)計線路的可行性，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計硬件電路板. 電 路 板 設(shè)計尺寸為18 cm×10 cm.再根據(jù)前文所述,試驗裝置研制如圖7所示,將系統(tǒng)集成于該裝置內(nèi).

圖7 系統(tǒng)集成裝置

進行人體檢測功能，將試驗裝置放置于人體不同距離處，人體紅外傳感器X1是探測乘客的傳感器，探測位置調(diào)整到2 m范圍內(nèi)，傳感器X2是探測駕駛員的傳感器，調(diào)整探測距離為0.5 m內(nèi).為驗證系統(tǒng)穩(wěn)定性，對兩個傳感器有人狀態(tài)下分別測試其輸出電壓信號、延時時間，以及探測距離，并做數(shù)據(jù)記錄，由于測量條件等因素影響，電壓的測量精度可達到0.01 V，時間的精度達到1 s，感應(yīng)距離的精度達到0.05 m.

利用人工熱源在系統(tǒng)溫度模塊附件加熱，檢測不同溫度下，人體處在人體紅外傳感器區(qū)內(nèi)的不同檢測效果，如圖8所示.圖8 (a) 為 溫度 10℃左右，無人狀態(tài)的手機APP接收信號界面.圖8(b)為溫度40℃以上有人狀態(tài).

圖8 手機報警接收界面

經(jīng)測試，開始報警至手機app接收報警信號，延時時間為40～50 s之間，滿足救援時間.

5 結(jié)論

本文提出的太陽能車載乘客監(jiān)測與報警系統(tǒng)以STC89C52單片機為主控核心，通過構(gòu)建合理的控制系統(tǒng)與軟件編程，設(shè)計并實現(xiàn)了一種實用型簡易車載監(jiān)測與報警裝置.其中HC-SR501紅外傳感器的選用大大減少了汽車空間的使用率，使系統(tǒng)的整體體積更小.溫度傳感器DS18B20集成度高，單總線編程，減少了系統(tǒng)電路的復(fù)雜程度.報警模式準確.有電機風扇防護措施的設(shè)計，為救援爭取時間.并經(jīng)過目多次檢測，檢測結(jié)果表明，該裝置工作性能穩(wěn)定、準確率高、報警時間短.