張永基，楊相臣，龍定鑫，辛光紅，周密

（三亞學(xué)院，海南三亞，572000）

0 引言

隨著社會(huì)的生活水平不斷發(fā)展，汽車已成為了越來(lái)越多家庭出行的選擇，但是由于部分車主疏忽意外，會(huì)將兒童鎖在車內(nèi)這個(gè)狹小的封閉空間里。因?yàn)檐噧?nèi)空間是封閉的，如果兒童長(zhǎng)時(shí)間被鎖在車?yán)?，?huì)導(dǎo)致缺氧，在暴曬環(huán)境下車內(nèi)溫度升高，還會(huì)引起滯留在車內(nèi)的兒童出現(xiàn)中暑、過(guò)熱脫水、窒息甚至死亡。目前對(duì)于汽車安全的研究進(jìn)展工作主要集中在汽車行駛狀態(tài)下的兒童約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)于車輛停駐狀態(tài)下的車內(nèi)兒童滯留問(wèn)題缺乏深入研究，進(jìn)而設(shè)計(jì)一個(gè)可以對(duì)車內(nèi)被滯留的兒童進(jìn)行檢測(cè)并通知車主的嬰幼兒防窒息系統(tǒng)就尤為重要。

1 車內(nèi)熱窒息機(jī)理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

■1.1 車內(nèi)熱窒息機(jī)理

汽車熄火后發(fā)動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生的余熱會(huì)使車內(nèi)溫度上升，在戶外33℃的情況下，車內(nèi)溫度12min 后，升至接近40℃，車內(nèi)溫度15min 后，就接近50℃，車內(nèi)溫度35min 后，飆升過(guò)60℃，甚至更高。相比于成人，兒童體表面積相對(duì)體重更大，在高溫環(huán)境下更容易失水，而體溫調(diào)控能力卻低于成人，再加上兒童對(duì)外界的高溫也更加敏感，臟器核心溫度升溫更快，于是很快就會(huì)發(fā)生脫水，中暑、休克，甚至死亡[1]。

車內(nèi)密閉環(huán)境下還有車內(nèi)二氧化碳濃度過(guò)高的窒息隱患，現(xiàn)在工藝愈發(fā)成熟，車門(mén)車窗更加緊閉，就會(huì)導(dǎo)致車內(nèi)通風(fēng)不暢，于是車內(nèi)滯留人員會(huì)對(duì)車內(nèi)一氧化碳濃度攀升而毫無(wú)察覺(jué)，等到相應(yīng)癥狀或事故出現(xiàn)時(shí)便為時(shí)已晚。綜上，若駕駛?cè)硕叹嚯x出行時(shí)，將兒童獨(dú)自留在車內(nèi)，或意外將兒童滯留在車內(nèi)，此時(shí)這些“隱形的殺手”對(duì)車內(nèi)的嬰幼兒來(lái)說(shuō)便是極大的安全隱患。

■1.2 基于圖像的嬰幼兒識(shí)別技術(shù)

人臉識(shí)別作為人工智能的一個(gè)分支嶄露頭角，由于人臉中含有諸如人物性別、年齡、種族和表情等大量信息，相干技術(shù)在智能監(jiān)控、人機(jī)交互、訪問(wèn)控制、圖像檢索和安全方面有著極其廣泛的應(yīng)用[2]。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算時(shí)代的到來(lái)，人臉識(shí)別技術(shù)也在這個(gè)時(shí)代迅猛發(fā)展發(fā)展迅猛，人臉識(shí)別技術(shù)是應(yīng)用人臉的的特征信息進(jìn)行分析匹配的一種身份識(shí)別模式，該技術(shù)具有特征提取便利、識(shí)別成本低和精準(zhǔn)度高的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為經(jīng)典的生物識(shí)別方式具有廣泛應(yīng)用。例如人臉識(shí)別支付，手機(jī)人臉識(shí)別解鎖，考勤人臉識(shí)別打卡等，都是人臉識(shí)別的迅猛發(fā)展的標(biāo)志。目前基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)的人臉識(shí)別技術(shù)仍然是識(shí)別算法主流，雖然技術(shù)日漸普及，但其訓(xùn)練過(guò)程仍具有較大難度和復(fù)雜度。

■1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

嬰幼兒防窒息系統(tǒng)是以汽車在停駐狀態(tài)下為前提，因此系統(tǒng)必須具備行車狀態(tài)檢查功能。在駐車狀態(tài)下是否有成人看護(hù)是系統(tǒng)進(jìn)一步接入的重要依據(jù)，所以系統(tǒng)必須具備兒童監(jiān)測(cè)功能。通風(fēng)散熱是解決熱窒息的直接手段，系統(tǒng)必須具備汽車車窗控制電路旁路介入功能。進(jìn)一步，和監(jiān)護(hù)人取得實(shí)時(shí)聯(lián)系發(fā)送報(bào)警信息也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要需求。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及運(yùn)行流程

■2.1 設(shè)計(jì)原理

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1 所示。從控制角度可劃分為三部分：中控制系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。采集模塊是設(shè)備的延伸拓展功能的關(guān)鍵，在外部裝載如攝像頭，溫度計(jì)，蜂鳴器等功能組件。中央控制模塊相當(dāng)于設(shè)備的大腦具有處理器、系統(tǒng)控制、算法等組成。驅(qū)動(dòng)模塊是由控制模塊操控的，是控制車窗電機(jī)運(yùn)動(dòng)起來(lái)的關(guān)鍵。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖

■2.2 運(yùn)行流程

首先，采集模塊判斷汽車是否駐車熄火，若已駐車熄火則安裝在后視鏡的圖像傳感器采集圖像并將圖像傳入云端進(jìn)行分析解析，處理后的圖像人臉屬性識(shí)別數(shù)據(jù)返回處理器模塊中。處理器綜合傳感器數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)車輛狀態(tài)綜合決策，判定是否打開(kāi)車窗、發(fā)送報(bào)警信息。

3 系統(tǒng)硬件及電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件及電路設(shè)計(jì)圖如圖2 所示。主要包括降壓供電部分、圖像信息采集部分、云端信息上傳下載分析處理部分和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制部分組成。其中降壓供電部分負(fù)責(zé)為整個(gè)裝置供給能量，提供必要的電壓；圖像信息采集部分通過(guò)圖像傳感器收集車內(nèi)的實(shí)時(shí)信息；云端信息上傳下載分析處理部分負(fù)責(zé)對(duì)傳感器收集的信息進(jìn)行編碼上傳到百度智能云，將傳送回來(lái)的信息進(jìn)行解碼，提取信息按照設(shè)定好的程序發(fā)送信號(hào)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制部分；電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分按照接收的工作信號(hào)執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作[3-4]。裝置采用Raspberry Pi 作控制芯片，外接汽車蓄電池，使用LM2596S 芯片的降壓模塊給控制板供電，傳感器采用OV5647 芯片接口為CSI 接口的攝像鏡頭，外接蜂鳴器，Raspberry Pi 板上的GPIO 串口作為程序調(diào)試接口，并留出電機(jī)信號(hào)接口。

圖2 系統(tǒng)硬件及電路設(shè)計(jì)圖

■3.1 供電電路設(shè)計(jì)

降壓電源模塊是防止嬰幼兒車內(nèi)窒息系統(tǒng)設(shè)計(jì)中并不可少的核心元件，由電源芯片組成的降壓電源模塊提供系統(tǒng)裝置使用，在這種情況下，電源模塊是整個(gè)電路是正常運(yùn)行的必要支撐。該系統(tǒng)是車載產(chǎn)品，汽車蓄電池的電壓會(huì)在12V 左右，該裝置設(shè)計(jì)與原車蓄電池相結(jié)合進(jìn)行供電。蓄電池可以在車輛熄火狀態(tài)下為系統(tǒng)的各部件提供電壓電流，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)調(diào)節(jié)。一般情況下，汽車蓄電池輸出電壓是12V 的電壓，而系統(tǒng)裝置的元件和模塊的額定電壓是5V 的電壓，因此需增加一個(gè)12V 轉(zhuǎn)5V 的電壓轉(zhuǎn)換模塊，將蓄電池輸出的12V 電壓進(jìn)行降壓，轉(zhuǎn)換成為5V 電壓，為系統(tǒng)裝置上的元件和模塊提供正常電壓。該結(jié)構(gòu)圖使用組件較少，價(jià)格低，耗能低，能達(dá)到電壓降壓要求，保證系統(tǒng)的正常供電。

■3.2 車窗控制模塊設(shè)計(jì)

車窗采用L298N H 橋驅(qū)動(dòng)控制，該模塊可以同時(shí)控制兩個(gè)直流減速電機(jī)，在6～46V 的電壓范圍內(nèi)，提供2A 的電流，并且該模塊還具有過(guò)熱自斷和反饋檢測(cè)的功能。樹(shù)莓派通過(guò)主控芯片的I/O 輸入對(duì)其控制電平進(jìn)行設(shè)定，就可為對(duì)車窗步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。內(nèi)部包含4 通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，由4 個(gè)三極管組成，電路中間的橫杠M 就是電機(jī)，因?yàn)樾螤钆c字母H 相似而被命名為H 橋驅(qū)動(dòng)電路[5]。通過(guò)樹(shù)莓派GPIO 口的控制，將來(lái)自車內(nèi)電池的直流電，這樣可以方便的驅(qū)動(dòng)車窗步進(jìn)電機(jī)。

■3.3 溫度采集模塊設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)使用 DS18B20 溫度傳感器，它是一種數(shù)字型的溫度傳感器，測(cè)量范圍為 -55℃～+125℃，測(cè)量誤差為±0.5℃。該類溫度傳感器具有體積小、精度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，而且實(shí)用性強(qiáng)，價(jià)格也相對(duì)低廉。其工作參數(shù)與特性符合本次設(shè)計(jì)要求。DS18B20采用單總線協(xié)議，具有單主機(jī)、多從機(jī)結(jié)構(gòu)的總線系統(tǒng)。為了不使得電路系統(tǒng)出現(xiàn)邏輯上的沖突情況，所有從機(jī)系統(tǒng)的單線總線的接口都必須是漏極開(kāi)路的，這樣可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)從機(jī)系統(tǒng)的輸出信號(hào)，然后在總線上實(shí)現(xiàn)“線與”的邏輯。因?yàn)槁O開(kāi)路，所以在使用的時(shí)侯必須對(duì)總線進(jìn)行外加上拉電阻來(lái)保護(hù)傳感器。

■3.4 主控選型及核心板電路

考慮到網(wǎng)聯(lián)接入及通信要求以及控制接口資源，本系統(tǒng)采用樹(shù)莓派作為核心控制器。樹(shù)莓派是只有信用卡大小的微型電腦,其系統(tǒng)基于Linux，如 Debian 等常見(jiàn) Linux發(fā)行版 RPi Distributions。這意味著我可以在電腦上運(yùn)用Python 語(yǔ)言對(duì)代碼的編寫(xiě)開(kāi)發(fā)，同時(shí)后臺(tái)運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程，并且樹(shù)莓派自帶的接口是比較全面的。Raspberry Pi 性能高、功耗低、外形小、部署方便是其優(yōu)點(diǎn)。Raspberry Pi基本技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 Raspberry Pi硬件參數(shù)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)路原理圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)原理圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是在樹(shù)莓派系統(tǒng)下采用Python 語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。功能程序主要包括控制程序及百度EasyDL 智能云API 調(diào)用兩部分?？刂瞥绦蚬δ苤饕ㄐ熊嚑顟B(tài)監(jiān)測(cè)、車窗控制、報(bào)警推送、集中決策。具體控制過(guò)程為，Raspberry Pi 通過(guò)汽車儀表盤(pán)信號(hào)線識(shí)別汽車狀態(tài)，若是行駛狀態(tài)，則進(jìn)行識(shí)別汽車狀態(tài)循環(huán)，直到檢測(cè)到汽車為停駐狀態(tài)。若汽車是停駐狀態(tài)，則開(kāi)啟圖像傳感器，由圖像傳感器進(jìn)行車內(nèi)檢測(cè)拍照，并上傳至云端百度智能云進(jìn)行圖像檢測(cè)是否有人在車內(nèi)，若檢測(cè)車內(nèi)無(wú)人，則進(jìn)行拍照上傳檢測(cè)循環(huán)。若圖像檢測(cè)到有人在車內(nèi)，則通過(guò)智能百度云進(jìn)行人臉識(shí)別，并將云端檢測(cè)數(shù)據(jù)返回到樹(shù)莓派，樹(shù)莓派對(duì)回傳數(shù)據(jù)進(jìn)行解析提取出年齡值，并對(duì)年齡值與設(shè)定值進(jìn)行比較，若返回的數(shù)據(jù)年齡值大于設(shè)定值，則返回流程人臉識(shí)別反復(fù)檢測(cè)，則若返回的數(shù)據(jù)小于設(shè)定值，則判定車內(nèi)有兒童滯留，繼續(xù)檢測(cè)車內(nèi)的溫度高低，若溫度上升至設(shè)定值，將發(fā)送開(kāi)窗指令，打開(kāi)窗戶以防止車內(nèi)兒童熱窒息，并控制蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲，且通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息至車主的綁定微信中以提醒車主車內(nèi)有兒童滯留，保證兒童在車內(nèi)的人身安全。

應(yīng)用百度、曠世等知名企業(yè)開(kāi)放的AI 技術(shù)和API 模塊接口實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別，可簡(jiǎn)化操作和提高性能。本文采用百度API 接口，針對(duì)拍照?qǐng)D像進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)輸入一張圖片上傳到云端平臺(tái)后，由云端檢測(cè)，并將結(jié)果返回到控制系統(tǒng)，再由Python 代碼進(jìn)行解析，將其中的人臉屬性值中的年齡屬性提取出來(lái)。基于Python 語(yǔ)言的監(jiān)控?cái)z像頭圖像數(shù)據(jù)讀取、人臉識(shí)別及活體檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，在線活體檢測(cè)采用的是百度API 實(shí)現(xiàn)，過(guò)VNC 連接樹(shù)莓派，在樹(shù)莓派系統(tǒng)中編寫(xiě)代碼，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中用到的Python 模塊包括Opencv、Requests 和Json 等[5]。EasyDL 人臉屬性識(shí)別應(yīng)用接口結(jié)果如圖4 所示。

圖4 EasyDL 人臉屬性接口應(yīng)用

5 測(cè)試結(jié)論與創(chuàng)新點(diǎn)

■5.1 測(cè)試過(guò)程

本系統(tǒng)在吉利帝豪汽車上進(jìn)行了實(shí)測(cè)。測(cè)試過(guò)程中對(duì)原車控制電路做了有限可控的功能旁置。車窗控制電路位于左前車窗。首先將車門(mén)外罩拆下斷開(kāi)原車控制線，將原車輸出端接本裝置輸入端口，裝置輸出端接原車輸入端兩條控制線，原車電源正負(fù)極線接出兩條線接入裝置給裝置供給電源裝置。PCB 板放置到車門(mén)處，攝像頭通過(guò)CSI 延長(zhǎng)線放置到后視鏡上，由此可以檢測(cè)車內(nèi)人員。連線及系統(tǒng)測(cè)試樣機(jī)如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)樣機(jī)與原車接線圖

當(dāng)裝置運(yùn)行后設(shè)備初始化耗時(shí)10s，開(kāi)始人臉識(shí)別，攝像頭模塊運(yùn)行，此時(shí)模塊燈光為紅色，拍照后裝置將圖片上傳到云端識(shí)別，識(shí)別成功后返回?cái)?shù)據(jù)，由樹(shù)莓派進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，提取年齡判定，判定耗時(shí)1s，然后樹(shù)莓派控制繼電器斷開(kāi)原車電路，緊接著樹(shù)莓派就控制L298N 運(yùn)行，進(jìn)而控制車窗下降。通過(guò)測(cè)試本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)防止嬰幼兒車內(nèi)窒息的目的。

■5.2 結(jié)論與創(chuàng)新點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明車內(nèi)嬰幼兒防窒息系統(tǒng)可以完成實(shí)時(shí)人臉識(shí)別監(jiān)測(cè)、并控制車窗升降，且給車主通信以及發(fā)出聲音報(bào)警功能，裝置可以有效地保護(hù)車內(nèi)兒童。本裝置的創(chuàng)新之處有三點(diǎn)：

（1）通過(guò)樹(shù)莓派編寫(xiě)代碼調(diào)用百度智能云API 進(jìn)行人臉識(shí)別數(shù)據(jù)分析，分析出年齡數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)車窗升降；（2）可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送微信到車主手機(jī)迅速通知車主和發(fā)出蜂鳴聲進(jìn)行警報(bào)，多重提醒安全可靠；（3）可以支持車載蓄電池充電，在車輛熄火后也會(huì)保證供電可靠，維持設(shè)備全天候不間斷運(yùn)行。