陳德志，吳小安，汪勁松，馬園園，翁蓉

（東南大學(xué)成賢學(xué)院 電子與計算機工程學(xué)院，江蘇 南京 210088）

0 引 言

隨著中國當代社會科學(xué)的進一步發(fā)展，人們的經(jīng)濟水平也得到了顯著提升，越來越多的人選擇汽車作為自己的出行工具，汽車的產(chǎn)量在近年來又有了迅速的提高，成為了人們必不可少的東西。而與此同時，麻煩也接踵而至，因為監(jiān)護人的過失，而造成孩子被遺棄在車內(nèi)導(dǎo)致窒息身亡的案件也層出不窮。尤其在高溫炎熱的天氣時車廂內(nèi)溫度可達65℃及以上，僅僅只需要30 分鐘的時間就可令兒童窒息死亡。而由于害怕車內(nèi)的兒童會不停的大叫，掙扎，哭喊，這些行為又會進一步加劇車內(nèi)氧氣的消耗，促使溫度升高，從而導(dǎo)致生存時間縮短，悲劇發(fā)生。為了避免更多無辜的孩子喪生，消除家長的顧慮，針對車內(nèi)滯留兒童安全問題的研究就顯得尤為重要。

1 系統(tǒng)分析

1.1 系統(tǒng)簡介

基于對社會背景與實際需要的研究與啟發(fā)，我們利用51 單片機，通過紅外人體傳感器、壓力傳感器對車內(nèi)是否有兒童存在進行正確判斷，再利用溫度傳感器、二氧化碳濃度傳感器等對車內(nèi)環(huán)境進行檢測，最夠通過聲光報警，并給車主發(fā)送短信進行求救。

1.2 目標功能

安防系統(tǒng)應(yīng)該具備以下基本功能：

（1）能夠通過壓力檢測和紅外檢測，對車內(nèi)是否有兒童存在的進行正確判斷。

（2）根據(jù)車內(nèi)檢測結(jié)果判斷是否對兒童造成危害。

（3）在有兒童滯留車內(nèi)并且車內(nèi)環(huán)境造成死亡威脅的情況下，可以及時發(fā)出現(xiàn)場警報。

（4）通過GSM 模塊發(fā)送短信，實現(xiàn)遠程報警功能。

1.3 工作原理

通過對系統(tǒng)的進一步分析，我們得出要判斷車內(nèi)兒童是否存在危險需要有以下關(guān)鍵量：首先車內(nèi)是否有兒童存在，其次是判斷兒童身處的環(huán)境（車內(nèi)溫度、二氧化碳濃度等），最后在得知車內(nèi)滯留兒童存在安全威脅時，及時發(fā)出警報。

系統(tǒng)工作流程如圖1 所示，當司機停車熄火離開后，系統(tǒng)首先通過壓力傳感器對車內(nèi)是否存在滯留兒童進行初步判斷，接著系統(tǒng)通過人體紅外傳感器判斷車內(nèi)有沒有滯留的兒童或其他人員，并自動通過溫度檢測模塊和二氧化碳濃度檢測模塊檢測車內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)；如果檢測到車內(nèi)的溫度過高或者二氧化碳的濃度過高，車內(nèi)人員存在缺氧窒息或者脫水的危險時，系統(tǒng)會根據(jù)設(shè)定好的程序采取措施主動解救車內(nèi)被困兒童，通過現(xiàn)場報警模塊亮起警示燈同時播放警示音以引起路過行人的注意，并通過GSM 通信模塊自動向提前設(shè)定好的車輛聯(lián)系人的手機發(fā)送求救信息。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)采用STC89C52 單片機作為處理器，具有操作簡單、技術(shù)成熟、通用性強、造價低廉等優(yōu)點。STC89C52 是一個低功耗，高性能的51 內(nèi)核的CMOS8 位單片機。它具有以下標準功能：8k 字節(jié)的Flash，512 字節(jié)的RAM，32位I/O 口線，看門狗定時器，內(nèi)置4 kB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3 個16 位定時器/計數(shù)器，4 個外部中斷，一個7 向量4 級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51 的5 向量2 級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。另外STC89C52 可降至0 Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2 種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運作頻率35 MHz，6T/12T 可選。

系統(tǒng)主要由壓力數(shù)據(jù)采集、溫度數(shù)據(jù)采集、二氧化碳濃度數(shù)據(jù)采集、聲光報警顯示模塊和GSM 通信模塊構(gòu)成。系統(tǒng)整體原理圖如圖2 所示。

根據(jù)單因素試驗可以發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈淀粉添加量、聚乙烯醇添加量以及甘油添加量的改變對薄膜抗拉強度和變形率有著不同程度的影響，在此基礎(chǔ)上選取適當因素水平，以薄膜的綜合評分為指標進行正交試驗。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計框圖

2.2 系統(tǒng)模塊設(shè)計

2.2.1 電源供電模塊

采用9 V 鋰電池為系統(tǒng)供電供電，因鋰電池具有其體積小、儲電量高、壽命長等的特點而被廣泛應(yīng)用于小系統(tǒng)供電，通過設(shè)計電路并利用AMS1117 電壓轉(zhuǎn)換模（9 V/5 V）塊對9 V 電壓進行轉(zhuǎn)換，為單片機、各傳感器模塊供應(yīng)所需電能。

2.2.2 壓力傳感器

壓力感應(yīng)器采用了HX711 模塊，原理圖如圖3 所示。HX711 模塊是一種專門為高精度壓力感應(yīng)器所設(shè)計的24 位A/D 轉(zhuǎn)換器芯片。與同類型的其他芯片相比，該芯片整合了包括穩(wěn)壓電源、芯片內(nèi)的時鐘振蕩器等，具備了集成度高、速度快、抗干擾能力強等優(yōu)勢。從而大大降低了操作系統(tǒng)成本，并增強了操作系統(tǒng)的性能與可靠性。

圖3 HX711 原理圖

壓力感應(yīng)器和嵌入式單片機之間類似于IIC 通信，讀出來的AD 數(shù)據(jù)并不是實際數(shù)據(jù)，而是仿真數(shù)據(jù)經(jīng)過AD 系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信息，該傳感器左右都有二個壓力電阻，總共四個壓力電阻，構(gòu)成全橋型集成電路。

HX711 模塊與單片機的通信由管腳Sck 和Dout 組成的串行通信模式。當Dout 從高電平變成低電平后，Sck一次輸入25 個脈沖，將24 位A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀入單片機，并在第25 個時鐘脈沖選擇好下次轉(zhuǎn)換的輸入通道和增益。

壓力傳感器是用來初步檢測車內(nèi)是否有兒童的存在，通過設(shè)置壓力的閾值，當檢測到座椅壓力達到閾值時，進行下一步的檢測。

人體的紅外線感應(yīng)器主要使用于HC-SR501，而HCSR501 則使用了依靠紅外線的主動控制系統(tǒng)，并且使用了LHI778 進行探測，同時具備了全自動感應(yīng)，微功率小，靈敏度好，安全性好，工作電壓寬等特點。我們現(xiàn)階段項目的實驗成果是以模型為主，所以使用的紅外傳感器靈敏度必須高，功耗也要更低，而HC-SR501 剛好滿足這樣的要求

人體紅外傳感器可以準確感應(yīng)環(huán)境周圍的物體，利用光學(xué)的性質(zhì)，準確判斷物體的行傳，大小還有狀態(tài)等，相較于單獨的使用二氧化碳，紅外傳感器和二氧化碳的一起使用，更加準確，也有助于系統(tǒng)的判定。紅外傳感器的工作流程為初始化時，人體紅外感應(yīng)模塊產(chǎn)出無信號，LED 燈滅。而當偵測到周圍有人時，人體紅外感應(yīng)模塊發(fā)出信息，LED 燈亮，當人靜止不動或未偵測到人時，人體紅外模塊輸出信號處于前一個狀態(tài)。

人體紅外傳感器是為了進一步檢測是否有兒童的存在，保證了檢測的準確性。

2.2.4 溫度傳感器及二氧化碳傳感器

科學(xué)研究已經(jīng)證實，人的基礎(chǔ)體溫一直保持在36.2 ℃～37.2 ℃之間，當基礎(chǔ)溫度達到了30 ℃時人體就會開始產(chǎn)生熱覺，同時體內(nèi)的汗腺也開始啟動。但如果體溫高于41℃，就會出現(xiàn)意識模糊、暈厥等病癥。本試驗所使用的溫度傳感器為DS18B20，工作原理圖如圖4 所示，其溫度檢測區(qū)域為-55 ℃～+125 ℃，其實測顯示分辨率最高可到達0.062 5℃，因此具備容積小，硬件費用少，抗干擾力量強，精確度高的優(yōu)點。

圖4 DS18B20 工作原理圖

DS18B20 在出廠時設(shè)置為十二位數(shù)，當讀取室溫時共讀取了十六位數(shù)，前面五個都是符號位，當前五位數(shù)為1 時，讀出的室溫是負號；當前五位為0 時，讀出的室溫是正數(shù)。讀數(shù)為正時，讀數(shù)時將十六進制轉(zhuǎn)化為十進制；當讀數(shù)為負時，讀數(shù)時將十六進制取反后再加一，然后轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)。

由于汽車空氣空間狹窄，所以一般情況下如果空氣中的二氧化碳濃度大于百分之一，人就會有輕微的中毒反應(yīng)，而在大于百分之三時，人就會呼吸困難，如果大于百分之六則會導(dǎo)致重度中毒甚至致死。因此基于此考慮，我們采用的二氧化碳含量傳感器是SGP30，因為SGP30 能夠即時監(jiān)測汽車內(nèi)二氧化碳含量，具有長期穩(wěn)定性和低漂移的特點，原理圖如圖5 所示。

圖5 SGP30 工作原理圖

溫度傳感器與二氧化碳傳感器是同時作用的，當它們同時到達界閾值就會驅(qū)動警報系統(tǒng)的工作，車輛發(fā)出警報聲提醒路人及車主。

2.2.5 液晶顯示模塊

本設(shè)計在開始實時檢測時能把檢測到車內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上，LCD1602 液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點由于LCD 液晶屏價格低廉，性能良好，故采用LCD 屏。

2.2.6 GSM 通信模塊

通信模塊采用了GSM 通信模塊TC35，它是德國西門子公司出品的一種通信設(shè)備。該模塊是將GSM 射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器 、功放等期間集成在一塊線路板上，具有發(fā)送SMS 短信，語音通話等功能，通過單片機RS232串口與GSM 模塊通信，使用標準的AT 命令來控制GSM 模塊實現(xiàn)各種無線通信功能。

2.2.7 報警模塊

在裝置檢測到車內(nèi)存在滯留兒童時，需要對外界進行報警，使兒童能夠及時得到救援。由于考慮到停車位置和時間的多變性以及救援人員的不確定性，因此設(shè)計了蜂鳴報LED燈警模塊和短信報警模塊共2 個報警模塊，蜂鳴器報警模塊的執(zhí)行由有源蜂鳴器模塊完成，電路圖如圖6 所示，默認使用單片機上P1.0 口，LED 燈則由P2.0 口控制，蜂鳴器報警模塊在收到中央控制單元的指令后可以發(fā)出蜂鳴信號提醒周邊行人車內(nèi)有緊急情況，由行人提供快速救援。

圖6 蜂鳴器電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

主程序設(shè)計流程如圖7 所示，預(yù)先設(shè)置好報警的閾值和發(fā)送短信對象的號碼，然后對各個模塊進行初始化，包括：中斷、定時器、GSM 模塊初始化。

圖7 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 GSM 模塊程序設(shè)計

模塊設(shè)計流程圖如圖8 所示，本設(shè)計由單片機向GSM模塊發(fā)送AT 指令進行判斷完成讀寫短信操作。

圖8 發(fā)送短信程序流程圖

3.3 傳感器及顯示程序設(shè)計：

首先對LCD1602 液晶顯示模塊進行初始化，再對溫度傳感器模塊和二氧化碳濃度傳感器模塊初始化，由DS18B20和SGP30 采集實時數(shù)據(jù)，由LCD 顯示屏顯示，流程圖如圖9 所示。

圖9 檢測溫度與二氧化碳濃度程序流程圖

4 測試結(jié)果與分析

云數(shù)據(jù)庫儲存芯片處理的數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 參數(shù)表

表2 數(shù)據(jù)記錄表

測試結(jié)果分析可得：

（1）從第一次測量數(shù)據(jù)可看出：當壓力達到閾值，但其他均為達到閾值時，不會發(fā)生警報。

（2）從第二次測量數(shù)據(jù)可看出：當二氧化碳濃度達到閾值，但其他均為達到閾值時，不會發(fā)生警報。

（3）從第三次測量數(shù)據(jù)可看出：當溫度達到閾值，但其他均為達到閾值時，不會發(fā)生警報。

（4）從第四次測量數(shù)據(jù)可看出：當所有測量數(shù)據(jù)都達到閾值時，系統(tǒng)發(fā)出警報。

從以上數(shù)據(jù)分析可得，本系統(tǒng)基本完成了預(yù)期功能。

5 結(jié) 論

兒童因年齡過小，對危險的反應(yīng)不夠靈敏缺乏最基本的逃生自救能力，極容易發(fā)生危險。因此，本文以車內(nèi)滯留兒童安全為背景，提出了一種基于51 單片機的車內(nèi)滯留兒童安防系統(tǒng)的設(shè)計。本設(shè)計還包含了壓力感知器，紅外傳感器，體溫感應(yīng)器，以及二氧化碳感知器等。具有檢測車內(nèi)溫度、二氧化碳濃度和紅外檢測的功能?？梢詫噧?nèi)環(huán)境進行全方位精準性的檢測，判斷出車內(nèi)環(huán)境是否會威脅到孩子生命。該系統(tǒng)經(jīng)過測試，已經(jīng)到達了理想效果。本系統(tǒng)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，真正起到對滯留兒童生命健康的保護作用。