張藝越　王儒

摘? 要：近年來，幼兒被誤鎖車內(nèi)事件頻發(fā)。由于夏季氣溫較高，陽光直射，密閉的車內(nèi)溫度會急劇上升，幼兒不具備自救能力，一旦被誤鎖車內(nèi)，極易出現(xiàn)中暑，嚴(yán)重時會出現(xiàn)昏迷、休克甚至死亡。因此設(shè)計一套能判斷幼兒被誤鎖車內(nèi)，能自動報警提示用戶，且能在車門被打開之前自動調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度以保障幼兒生命安全的防幼兒誤鎖車內(nèi)自動報警系統(tǒng)。將系統(tǒng)移植到試驗車輛進行測試，測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠在鎖車后自動開啟，可利用重力傳感器與熱釋電傳感器判斷車內(nèi)幼兒遺留情況，并根據(jù)判斷結(jié)果控制報警與提示模塊。

關(guān)鍵詞：嵌入式技術(shù)；微控制器；環(huán)境監(jiān)測；自動報警功能；溫度調(diào)控；試驗驗證

中圖分類號：TP277；TN912.3? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）20-0027-05

Design of an Automatic Alarm System for Preventing Children from Accidentally Locking the Car

ZHANG Yiyue1， WANG Ru2

（1.Zhejiang Guangsha Vocational and Technical University of Construction， Jinhua? 322100， China;

2.Anhui Institute of Information Technology， Wuhu? 241199， China）

Abstract： In recent years， there have been frequent incidents of young children being mistakenly locked into their cars. Due to the high temperature and direct sunlight in summer， the temperature inside a closed car will sharply rise， and young children do not have the ability to save themselves. Once accidentally locked in the car， they are prone to heatstroke， and in severe cases， they may experience coma， shock， or even death. Therefore， a set of automatic alarm system is designed to prevent children from accidentally locking the car， which can automatically alert users and adjust the temperature inside the car before the door is opened to ensure the safety of children's lives. The system is transplanted to the test vehicle for testing， and the test results show that the system can automatically open after locking the car. Gravity sensors and pyroelectric sensors can be used to determine the situation of children left behind in the car， and the alarm and prompt module can be controlled based on the judgment results.

Keywords： embedded technology; microcontroller; environmental monitoring; automatic alarm function; temperature control; test verification

0? 引? 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展與科技的進步，汽車由過去的奢侈品轉(zhuǎn)變?yōu)槿缃竦拇焦ぞ撸沟弥袊鴩鴥?nèi)汽車保有量逐年上升。然而，汽車的廣泛應(yīng)用也帶來了一系列的問題，諸如夏季停車幼兒被誤鎖車內(nèi)。美國平均每年將近40名兒童死于車內(nèi)中暑[1-3]，中國自2015年以來也出現(xiàn)20余起因幼兒被誤鎖車內(nèi)而中暑致死的事件。幼兒被誤鎖車內(nèi)致使幼兒因夏季車內(nèi)過高的溫度而中暑或休克，幼兒受兒童安全座椅的限制，以及其自身并不具備自救的能力，使得被誤鎖車內(nèi)幼兒的致死率高達70%。一旦幼兒被車主誤鎖車內(nèi)，解救方法基本是靠路人砸窗或車主自己發(fā)覺車內(nèi)有遺留幼兒[4]，因此設(shè)計一款能夠在幼兒被誤鎖車內(nèi)時自動發(fā)出警報，且能夠在幼兒被解救前調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度，以防幼兒因車內(nèi)高溫而中暑，保障幼兒生命安全的防幼兒誤鎖車內(nèi)自動報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可有效降低幼兒被誤鎖車內(nèi)等待救援的過程中因中暑而死亡事件的發(fā)生。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

1.1? 系統(tǒng)功能需求分析

防幼兒誤鎖車內(nèi)報警系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：

1）能識別當(dāng)前汽車車門開閉狀態(tài)。

2）能識別兒童安全座椅承載的重量。

3）能識別兒童座椅上的物體是否為生物。

4）能在確定兒童被誤鎖車內(nèi)時及時發(fā)出警報提醒車主。

1.2? 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

考慮到民用小型乘用車的內(nèi)部空間較為緊湊，對于復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)存在空間不足與布置困難等問題。為此，防幼兒誤鎖車內(nèi)自動報警系統(tǒng)應(yīng)以結(jié)構(gòu)簡單、便于布置、成本低廉等為設(shè)計原則，同時考慮到內(nèi)燃機汽車在熄火狀態(tài)下長時間通過汽車蓄電池供電會大量消耗蓄電池的電量，進而可能導(dǎo)致車主需要啟動汽車時因防幼兒誤鎖車內(nèi)自動報警系統(tǒng)消耗蓄電池過多電量，氣缸內(nèi)的工質(zhì)（可燃混合氣）無法在火花塞作用下燃燒而啟動。因此，防幼兒誤鎖車內(nèi)自動報警系統(tǒng)需配備獨立的電源，避免因過多消耗汽車蓄電池電量而影響汽車的正常運行。綜上，防幼兒誤鎖車內(nèi)自動報警系統(tǒng)應(yīng)包括微控制器、電源模塊、顯示模塊、報警模塊、環(huán)境控制模塊等模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1）微控制器模塊是防幼兒誤鎖車內(nèi)自動報警系統(tǒng)的核心控制單元，負(fù)責(zé)接收信息采集模塊采集的信息，對信息進行數(shù)字化處理，并通過顯示模塊實現(xiàn)車內(nèi)幼兒遺留情況以及當(dāng)前車內(nèi)溫度情況的實時監(jiān)測與反饋。同時對車內(nèi)溫度進行判斷，根據(jù)溫度信息以及車內(nèi)幼兒遺留信息，控制環(huán)境控制模塊完成對車內(nèi)溫度的調(diào)控。

2）信息采集模塊主要負(fù)責(zé)對車內(nèi)相關(guān)信息進行實時采集，并將采集到的信息輸送至微控制器進行后續(xù)處理。

3）環(huán)境控制模塊主要負(fù)責(zé)根據(jù)微控制器的輸出參數(shù)對車內(nèi)環(huán)境進行降溫作業(yè)，避免車內(nèi)遺留幼兒因車內(nèi)高溫陷入中暑或休克等狀態(tài)，進而確保幼兒在車內(nèi)滯留期間的生命安全。

4）報警模塊主要負(fù)責(zé)根據(jù)微控制器的輸出參數(shù)實現(xiàn)聲音報警與短信報警功能。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1? 微控制器模塊設(shè)計

由于小型乘用車內(nèi)部空間有限，無法在如此緊湊的空間布置大型計算機及其配套系統(tǒng)，為不影響駕駛?cè)藛T對汽車的操控，防幼兒誤鎖車內(nèi)自動報警系統(tǒng)的控制器要盡可能小。STC系列微控制器具有體積小巧、性能可靠、成本低廉等特點[5]，應(yīng)用較為廣泛。因而采用STC89C52單片微控制器作為系統(tǒng)的控制單元，微控制器模塊的最小系統(tǒng)如圖2所示。

2.2? 信息采集模塊設(shè)計

系統(tǒng)需通過信息采集模塊獲取車內(nèi)相關(guān)信息，并將信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后輸出至微控制器。這些信息包括兒童座椅端車門開閉信息、車內(nèi)溫度信息、兒童座椅承重信息以及座椅上物體生物性信息。

2.2.1? 車門狀態(tài)信息采集子模塊設(shè)計

車門狀態(tài)信息采集子模塊主要負(fù)責(zé)配合微控制器判斷兒童座椅端車門開閉狀態(tài)[6-9]，其電路如圖3所示。車門處于開啟狀態(tài)時，微控制器輸出低電平，J2未接通；車門處于關(guān)閉狀態(tài)時，微控制器輸出高電平，J2接通。

2.2.2? 車內(nèi)溫度信息采集子模塊設(shè)計

車內(nèi)溫度信息采集子模塊主要負(fù)責(zé)采集車內(nèi)溫度信息[10-13]，以DS18B20溫度傳感器為核心，該傳感器具有精度高、工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點，可準(zhǔn)確測取車內(nèi)溫度信息，并將信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后輸出至微控制器。車內(nèi)溫度信息采集子模塊的電路連接圖如圖4所示。

2.2.3? 兒童座椅承重信息采集子模塊設(shè)計

兒童座椅承重信息子模塊主要負(fù)責(zé)采集兒童座椅上所承載物體的信息，以HX711重力傳感器為核心，該模塊安裝于兒童座椅內(nèi)部，用以測取兒童座椅上物體的重量。

2.2.4? 座椅上物體生物性信息采集子模塊設(shè)計

座椅上物體生物性信息采集子模塊主要負(fù)責(zé)配合微控制器判斷兒童座椅上物體是否為生物，該子模塊的核心為HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊[14，15]。若當(dāng)前兒童座椅上的物體并非幼兒而是其他非生物體，無法制造與環(huán)境溫度的溫差，HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊則不會對微控制器發(fā)出高電平[16-18]；反之，若兒童座椅上的物體為幼兒，由于其能夠制造出與環(huán)境溫度的溫差，HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊即可以對微控制器發(fā)出高電平。如此可避免系統(tǒng)因兒童座椅上與幼兒重量相似的非生物體物體導(dǎo)致的系統(tǒng)警報功能誤啟動。該子模塊電路如圖5所示。

2.3? 顯示模塊設(shè)計

信息采集模塊與微控制器采集與處理當(dāng)前車內(nèi)溫度信息以及車內(nèi)幼兒遺留信息，可以通過顯示模塊以可視化的方式反饋給車主，進而在車主離開汽車前即可獲取相應(yīng)的信息，進一步避免車內(nèi)幼兒遺留情況的發(fā)生。選用LCD液晶顯示屏作為顯示模塊的主要組件。

2.4? 報警模塊設(shè)計

報警模塊由聲音報警子模塊與短信提示子模塊構(gòu)成。在車主將幼兒忘記在車內(nèi)并鎖上車門后，系統(tǒng)會自動觸發(fā)報警模塊。其中，聲音報警模塊主要是通過蜂鳴器發(fā)出警報聲，以提示車主或周圍行人對幼兒進行解救。若車輛處于嘈雜的環(huán)境中，蜂鳴器聲音可能受周圍環(huán)境聲音干擾，無法引起車主或周圍行人的注意，這一情況下可通過短信提示子模塊向指定手機發(fā)送短信的方式提醒車主此時車內(nèi)有遺留幼兒。報警模塊的電路如圖6所示。

2.5? 環(huán)境控制模塊設(shè)計

2.5.1? 環(huán)境控制模塊構(gòu)成

環(huán)境控制模塊主要對車內(nèi)溫度進行調(diào)控，避免夏季車內(nèi)過高溫度危及遺留于車內(nèi)幼兒的生命安全。如車內(nèi)溫度低于30 ℃，不對車內(nèi)溫度進行調(diào)控；若車內(nèi)溫度超過30 ℃，則對車內(nèi)環(huán)境進行降溫作業(yè)，以此改善車內(nèi)溫度環(huán)境質(zhì)量。環(huán)境控制模塊的執(zhí)行器為5 V電制冷片與風(fēng)扇。

2.5.2? 環(huán)境控制模塊工作原理

環(huán)境控制模塊以繼電器與NPN三極管共同構(gòu)成開關(guān)。車內(nèi)溫度高于30 ℃時，微控制器輸出高電平，NPN三極管導(dǎo)通，繼電器閉合進行降溫作業(yè)；如車內(nèi)溫度降低到30 ℃以內(nèi)，微控制器輸出低電平，NPN三極管截止，繼電器斷開，終止降溫作業(yè)。環(huán)境控制模塊的電路連接圖如圖7所示。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)通過信息采集模塊獲取車內(nèi)信息，判斷車門是否處于關(guān)閉狀態(tài)，兒童座椅是否承重，座椅上物體是否為幼兒，車內(nèi)溫度是否超過30 ℃。若幼兒被遺留于車內(nèi)，則啟動報警模塊，實現(xiàn)蜂鳴器報警并短信通知車主；若車內(nèi)溫度上升為30 ℃以上，則通過環(huán)境控制模塊執(zhí)行降溫作業(yè)，避免幼兒因密閉環(huán)境內(nèi)高溫而中暑或休克，保障幼兒生命安全。系統(tǒng)工作流程圖如圖8所示。

4? 試驗測試

試驗場地為吉林省長春市，試驗車輛為2輛福特2013款三廂新福克斯汽車。1號試驗車輛內(nèi)部不配備防幼兒誤鎖車內(nèi)自動報警系統(tǒng)，2號試驗車輛配備防幼兒誤鎖車內(nèi)自動報警系統(tǒng)并將系統(tǒng)開啟。兩輛試驗車輛停放在同一地點，并處于陽光直射的角度，車門關(guān)閉、車內(nèi)電源關(guān)閉狀態(tài)下，車內(nèi)溫度變化趨勢如圖9所示。

由圖9可知，防幼兒誤鎖車內(nèi)自動報警系統(tǒng)在車內(nèi)溫度超過30 ℃時，其環(huán)境控制模塊能夠正常啟動，在5 V電制冷片與風(fēng)扇的作用下將空氣制冷后輸送至兒童座椅附近區(qū)域，實現(xiàn)在短時間內(nèi)迅速降低該區(qū)域的溫度。切實保障了兒童座椅區(qū)域附近的溫度環(huán)境質(zhì)量，避免幼兒因夏季車內(nèi)密閉高溫環(huán)境導(dǎo)致的中暑或休克。

試驗車輛內(nèi)部防幼兒誤鎖車內(nèi)自動報警系統(tǒng)的可靠性試驗結(jié)果如表1所示。

由表1可知，在車門關(guān)閉的狀態(tài)下系統(tǒng)啟動率為100%，報警模塊啟動率為100%，溫度超過30 ℃時環(huán)境控制模塊能夠正常啟動。車門開啟后，即使此時車內(nèi)溫度為31 ℃（超過30 ℃），系統(tǒng)的報警模塊與環(huán)境控制模塊均不啟動。

5? 結(jié)? 論

針對國內(nèi)愈演愈烈的幼兒被遺忘車內(nèi)致使幼兒死亡的問題，設(shè)計一套可以判斷車門開閉狀態(tài)、兒童座椅上物體是否為幼兒，以此確定自動報警與短信提示車主車內(nèi)存在遺留幼兒的防幼兒誤鎖車內(nèi)自動報警系統(tǒng)，并在車門開啟前實時監(jiān)測車內(nèi)溫度信息。在車內(nèi)溫度超過30 ℃時，自動開啟環(huán)境控制模塊執(zhí)行降溫作業(yè)，在幼兒離開車內(nèi)之前盡可能保障車內(nèi)溫度環(huán)境質(zhì)量，進而保障幼兒生命安全。研究中利用移植有防幼兒誤鎖車內(nèi)自動報警系統(tǒng)的試驗車輛對所開發(fā)的防幼兒誤鎖車內(nèi)自動報警系統(tǒng)進行試驗測試。測試結(jié)果表明，防幼兒誤鎖車內(nèi)自動報警系統(tǒng)能夠在相應(yīng)的情況下正常啟動和運行，且能夠正確判斷車門開閉狀態(tài)以及座椅上是否留有幼兒。在試驗過程中，系統(tǒng)能夠在車門關(guān)閉、兒童座椅上留有幼兒的情況下自動啟動蜂鳴器報警，并向指定手機發(fā)送短信提示；系統(tǒng)能夠在車門關(guān)閉、兒童座椅上留有幼兒且車內(nèi)溫度超過30 ℃時，在啟動報警模塊的同時自動開啟環(huán)境控制模塊對車內(nèi)執(zhí)行降溫作業(yè)。經(jīng)過試驗對照，溫度超過30 ℃的試驗數(shù)據(jù)從4組下降為2組，有效保證了車內(nèi)溫度環(huán)境質(zhì)量，避免幼兒因夏季車內(nèi)密閉高溫環(huán)境導(dǎo)致的中暑、脫水或休克，做到車門開啟前保障幼兒的生命安全。

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作者簡介：張藝越（1994—），男，漢族，山東平度人，助教，碩士，研究方向：農(nóng)業(yè)工程與信息技術(shù)（嵌入式技術(shù)及其應(yīng)用）；王儒（1992—），男，漢族，安徽宿州人，助教，碩士，研究方向：機械設(shè)計與仿真。

收稿日期：2023-04-19

基金項目：黑龍江省自然科學(xué)基金項目（LH2019E073）