基于物聯(lián)網(wǎng)的車載孩童智能警報安保系統(tǒng)

翟依琳 張?zhí)禅Q 張珂 白雪 孟佯

摘 要：針對夏季高溫，嬰兒被困車輛中，家長解救不及時造成的事件，提出并設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的車載孩童智能警報安保系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括感知數(shù)據(jù)感知模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊和處理控制模塊三大部分。硬件部分中，在感知層通過溫濕度傳感器和熱釋電紅外傳感器收集溫濕度數(shù)據(jù)和人體數(shù)據(jù)，實現(xiàn)安全監(jiān)控；在傳輸層通過無線傳輸模塊，將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)往應(yīng)用層。軟件部分中，在應(yīng)用層獲取感知到的數(shù)據(jù)，顯示給用戶；在控制層，用戶利用軟件可以對感知層的硬件進行反饋控制，調(diào)節(jié)對車輛內(nèi)部溫度控制的警報閾值，構(gòu)建一個基本的物聯(lián)網(wǎng)工作框架，實現(xiàn)對車輛內(nèi)嬰兒的保護。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)，單片機開發(fā)，Android開發(fā)，無線短距離通信，安保監(jiān)控

一、針對特殊應(yīng)用背景的分析設(shè)計

在行車狀態(tài)下的設(shè)計中，為了解決駕駛員行車不規(guī)范的安全問題，對車內(nèi)情況進行監(jiān)控，一些車輛裝有乘客監(jiān)測功能的系統(tǒng)。如Cadillac公司的SRX系列，這一系統(tǒng)通過乘客感知模塊檢測到座椅上的壓力，再通過低速網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳遞給氣囊模塊，當(dāng)氣囊模塊接收到座椅占用信號后，再發(fā)送指令給安全帶指示燈及車體控制模塊BCM，故障燈點亮并由BCM控制音頻警報，提醒駕駛員及時系好安全帶。

類似的，也有公司推出了駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)。中興公司推出的大數(shù)據(jù)司機監(jiān)測系統(tǒng)功能，可以檢測駕駛員是否有疲勞駕駛的情況。2019年三星公司和以色列公司Eyesight合作推出一款更完善的檢測系統(tǒng)，此次合作把Eyesight的高級人工智能計算機視覺駕駛員監(jiān)控軟件集成到三星的車載攝像頭中，打造全集成式駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)。

但將這些系統(tǒng)運用至非行車高溫狀態(tài)下檢測孩童被遺留車內(nèi)的問題時，存在部分局限性，我們對此作出分析并提出思考設(shè)計。

（一）傳感器分析

在Cadillac的乘客監(jiān)測系統(tǒng)中，核心原理就是通過壓力變化感知人體變化，但是可以引起座椅壓力改變的不僅只有駕駛員，因此使用壓力傳感器得到的檢測信號有很大的誤報可能性。而結(jié)合了計算機視覺的駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)，對算法和環(huán)境的依賴程度非常高。為了識別出人體的危險動作，系統(tǒng)需要進行大量的數(shù)據(jù)分析和行為訓(xùn)練，才能夠以可觀的準(zhǔn)確度識別出人體各個部位和行為動作特征。圖像傳感器在持續(xù)強光高溫的環(huán)境下也會出現(xiàn)元件受損，畫質(zhì)不流暢的情況。

針對這些局限性，系統(tǒng)使用紅外模塊，結(jié)合溫濕度模塊共同感知檢測來進行判斷。與壓力傳感器和圖像傳感器不同，紅外模塊利用人體特有的輻射波長實現(xiàn)對人體的檢測，避免了圖像傳感器受光照、路燈等無法預(yù)測的外界因素影響的缺陷，也避免了壓力傳感器無法判斷壓力源是否為人體的缺陷，簡便高效。

（二）警報完善與閾值控制

針對行車狀態(tài)下的人員檢測，許多車聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計并不考慮將警報信息發(fā)送給用戶的情況，而僅僅是在車內(nèi)發(fā)出警報信息，并且在系統(tǒng)成型后，硬件的警報條件不會改變。

但是這些功能并不能完全滿足非行車狀態(tài)下的需求，因此目標(biāo)系統(tǒng)中，不僅可以實現(xiàn)下位機的硬件報警，還可以將警報信號發(fā)送給用戶，并且添加了警報閾值控制功能，用戶可以通過改變閾值達到預(yù)報警的效果，提高系統(tǒng)友好性

二、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)如圖1所示，設(shè)計中重點包含傳感器基礎(chǔ)模塊、單片機最小系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)、服務(wù)器和移動客戶端五大組成部分，包含感知采集，發(fā)送接收和應(yīng)用控制三個核心操作。

傳感器模塊包含溫濕度模塊DHT11和紅外熱釋電模塊HC-SR501，微控制器選用簡單便捷的51單片機，對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行簡單處理，是整個感知層的核心部件。無線傳輸模塊ESP8266對數(shù)據(jù)進行簡單處理，并存儲轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。在服務(wù)器上，為用戶提供網(wǎng)絡(luò)登錄注冊的服務(wù)，搭建所需要的監(jiān)測應(yīng)用。移動客戶端從無線局域網(wǎng)中獲取數(shù)據(jù)，通過服務(wù)器嵌入應(yīng)用中。當(dāng)空間內(nèi)有人且溫度超過警戒閾值的情況下，下位機報警且用戶得到警報提示。在移動端用戶可以修改警報閾值，以滿足不同用戶的需要。

（一）系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.感知層硬件設(shè)計

感知層由終端設(shè)備組成，是物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的第三層，是最基礎(chǔ)、最接近物理世界的一層。在這一層，將感知識別，采集數(shù)據(jù)作為主要任務(wù)，為后續(xù)的操作提供數(shù)據(jù)支持。感知層就像是人們的各種感官的綜合體，可以通過多種不同的方式進行感知識別，獲取數(shù)據(jù)。常見的終端設(shè)備有二維碼標(biāo)簽和識讀器、RFID標(biāo)簽和讀寫器、攝像頭、GPS、傳感器、傳感器網(wǎng)關(guān)等。

本系統(tǒng)是利用51單片機開發(fā)板作為硬件開發(fā)基礎(chǔ)，集成了板載溫濕度傳感器模塊DHT11，WiFi模塊ESP8266，熱釋電傳感器模塊HC-SR501三大重要組成器件，主要完成現(xiàn)場對環(huán)境的感知和現(xiàn)場報警的功能，向傳輸層發(fā)送采集的數(shù)據(jù)，也從傳輸層獲取應(yīng)用層傳來的數(shù)據(jù)，支持終端設(shè)備與上位機的短距離無線通信，實現(xiàn)下位機與上位機的雙向數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)中最重要的部件是微控制器AT89C52單片機，它不僅要對傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行簡單的處理，完成現(xiàn)場報警，還要依據(jù)應(yīng)用層發(fā)來的數(shù)據(jù)及時修改警報條件，確保系統(tǒng)及時性。感知層硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.1 溫濕度信息采集

DHT11是一種常用的數(shù)字溫濕度復(fù)合傳感器，不能主動進行溫濕度采集。因此實際應(yīng)用中，需要在用戶主機發(fā)送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，待主機開始信號結(jié)束后發(fā)送響應(yīng)信號，送出40bit的數(shù)據(jù)并觸發(fā)一次信息采集。單片機連接DHT11的DATA引腳的I/O口輸出低電平，且低電平保持時間不小于18ms，等待 DHT11應(yīng)答信號。DHT11的DATA引腳檢測到外部信號有低電平時，等待外部信號低電平結(jié)束，延遲后DHT11的DATA引腳處于輸出狀態(tài)，輸出80us的低電平作為應(yīng)答信號，再輸出80us的高電平通知外設(shè)準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。與單片機的連接如圖3所示。

1.2 人體信息采集

人體擁有恒定的體溫，一般為37℃左右，可以散發(fā)紅外熱，輻射的紅外線中心波長為9-10um。熱釋電紅外傳感器HC-SR501是一種高靈敏度探測原件，它的波長靈敏度約為0.2-20um。其中非常重要的原件是菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡一面為平坦的光面，另一面凸起刻有由小到大的同心圓面。它不僅可以聚焦，還可以將探測區(qū)域內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入探測區(qū)域的移動物體能以溫度變化的形式產(chǎn)生熱釋紅外信號。菲涅爾透鏡將探測空間的紅外線有效地集中，再由熱釋電效應(yīng)向外釋放電荷，經(jīng)過后續(xù)電路的檢測處理，就能產(chǎn)生控制信號。

在現(xiàn)場應(yīng)用中，當(dāng)有人在傳感器前移動時，人體發(fā)出的紅外線不斷地在明區(qū)與暗區(qū)之間交替，使接收到的紅外信號以忽強忽弱的脈沖形式輸入，經(jīng)過檢測信號處理電路，控制執(zhí)行電路，最終轉(zhuǎn)換為電信號輸出。

這一模塊將人體輻射紅外信號轉(zhuǎn)換為電信號，將輸入信號輸入到前置放大器中，完成信號的一級放大。一級放大信號經(jīng)過耦合輸入到運算放大器中，進行二級放大。完成放大后的信號經(jīng)過雙向鑒幅器，檢測出有效觸發(fā)信號，啟動延時定時器，輸出信號進入單片機中進行處理。

熱釋電紅外傳感器主要有三個引腳。兩個接電源，一個接單片機I/O。當(dāng)傳感器感應(yīng)到人體時，電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)，信號被檢測到。

1.3 蜂鳴器報警及執(zhí)行模塊

各信號檢測模塊采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過放大濾波、A/D轉(zhuǎn)換等基本處理后，傳輸?shù)轿⒖刂破髦?。微控制器將這些數(shù)據(jù)暫時存儲起來，做簡單處理后，成為可以被控制器直接判斷的數(shù)據(jù)。微控制器根據(jù)用戶設(shè)定的判斷條件，判斷車內(nèi)環(huán)境是否具有危險，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到傳輸層，提供給用戶。當(dāng)單片機得到的溫濕度數(shù)據(jù)超出警報閾值，并且紅外模塊的警報標(biāo)志位為高電平時，在控制現(xiàn)場執(zhí)行蜂鳴器報警命令，提醒外界行人車內(nèi)有情況發(fā)生。

在這一系統(tǒng)中，警報閾值可以在應(yīng)用控制層進行更改，當(dāng)用戶希望通過預(yù)警提前防止意外發(fā)生時，可以在移動客戶端降低警報閾值，以達到預(yù)警目的。

2.傳輸層硬件設(shè)計

傳輸層作為物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的第三層，主要進行有效安全的傳輸數(shù)據(jù)工作。傳輸層分為有線通信傳輸層和無線通信傳輸層。有線通信技術(shù)包括中長距離的廣域網(wǎng)絡(luò)和短距離的現(xiàn)場總線；無線通信層分為長距離的無線局域網(wǎng)、中短距離的無線局域網(wǎng)和超短距離的無線局域網(wǎng)。在這一設(shè)計中，采用的是無線短距離通信技術(shù)。

無線短距離通信包括三大主要技術(shù)，WiFi、藍牙和ZigBee?，F(xiàn)實應(yīng)用中，藍牙通信的通信距離一般為10米左右，且信號極易受到障礙物阻擾而削弱，通信距離變短。與通信距離可到達100米的WiFi通信相比，在抗干擾的性能上略有劣勢，因此在這一系統(tǒng)中選取WiFi模塊ESP8266，實現(xiàn)與應(yīng)用層的數(shù)據(jù)收發(fā)。

ESP8266有STA/AP/STA+AP三種工作模式，可以使用AT指令集進行配置。

STA模式：ESP8266通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，移動設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)對設(shè)備做遠程控制。AP模式：ESP8266作為熱點，移動設(shè)備直接與模塊通信，實現(xiàn)局域網(wǎng)無線控制。STA+AP模式：兩種模式的共存模式，可以通過互聯(lián)網(wǎng)控制可實現(xiàn)無縫切換。

連接ESP8266模塊和單片機時，需要完成USB轉(zhuǎn)TTL。在配置ESP8266時，利用串口助手發(fā)送AT指令設(shè)定，完成ESP8266模式、名稱、密碼等基本操作?；驹O(shè)定完成，模塊斷電重啟后，模式不會改變，WiFi信息不會改變，之后的指令可以通過單片機完成。

3.應(yīng)用層硬件設(shè)計

應(yīng)用層位于物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中的第一層，主要的功能是處理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和應(yīng)用數(shù)據(jù)。常見的應(yīng)用層經(jīng)常通過云計算平臺進行信息處理與分析，為用戶提供信息服務(wù)。應(yīng)用層與最低端的感知層一起，是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的顯著特征和核心所在，它可以對感知層采集到的數(shù)據(jù)進行計算、處理和挖掘，從而實現(xiàn)對物理世界的實時控制、精確管理和科學(xué)決策。

系統(tǒng)中，應(yīng)用層的硬件設(shè)備以移動終端設(shè)備為主，也就是用戶的手機。在手機中安裝系統(tǒng)設(shè)計的軟件，通過熱點用戶就可以獲取底層的數(shù)據(jù)，實時關(guān)注距離外的情況。當(dāng)情況出現(xiàn)異常時，可以第一時間獲取求救信息。

（二）系統(tǒng)軟件設(shè)計

在許多警報系統(tǒng)中，經(jīng)常采用在軟件中進行警報判定的形式。這種形式下，系統(tǒng)對經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的模擬信號進行分析判斷，并將數(shù)字信號轉(zhuǎn)入對應(yīng)的子程序，在上位機判斷是否達到警報條件，再將判定結(jié)果發(fā)送給下位機。當(dāng)達到警報條件時，上位機發(fā)出的控制命令，使下位機做出警報響應(yīng)。

在本系統(tǒng)中，警報判定的過程是在下位機中實現(xiàn)，而軟件中只包括記錄用戶信息，查看現(xiàn)場數(shù)據(jù)及和報警提示的功能。這一設(shè)計，不僅可以加快系統(tǒng)報警速度，減少了軟件發(fā)送控制命令的時間，而且在用戶沒有打開軟件的情況下，下位機依然可以行使報警功能，向外求助。軟件運行的主流程圖如圖4所示。

1. 框架設(shè)計

軟件的設(shè)計從主體布局文件開始，外層設(shè)置三個LinearLayout。在第一個線性布局下設(shè)置一個FrameLayout放置一個ImageView和TextView，顯示界面上部的標(biāo)題信息，通過調(diào)整相關(guān)的布局參數(shù)可以使界面布置清晰，對用戶更加友好。在第二個線性布局下設(shè)置一個FrameLayout，放置一個ImageView和兩個EditText，給用戶填寫用戶名及密碼。在第三個線性布局下，只包括一個登陸按鈕和一個注冊按鈕。

接著書寫java類文件，完善控件對應(yīng)的邏輯，當(dāng)用戶輸入用戶名和密碼在EditText中，系統(tǒng)獲取填入的信息。在用戶點擊按鈕后，觸發(fā)按鈕的綁定事件，將信息以Json格式打包上傳到服務(wù)器中，進行比對。在確定了登陸者身份之后，即顯示Toast登陸成功或注冊成功，實現(xiàn)用戶的登錄注冊功能。與此同時，按鈕綁定事件中所包含的啟動另一個Activity的語句生效，系統(tǒng)從MainActivity跳轉(zhuǎn)到HttpActivity，準(zhǔn)備下一個頁面的工作。

2. 數(shù)據(jù)嵌入與閾值控制

用戶登陸成功后，跳轉(zhuǎn)到主功能頁面。這一頁面的設(shè)計是以LinearLayout和FrameLayout為主，利用EditText來顯示獲取的數(shù)據(jù)，并且用戶通過修改數(shù)據(jù)就可以改變控制閾值。

在嵌入數(shù)據(jù)的過程中，系統(tǒng)從平臺獲取傳上來的信息，通過Http協(xié)議的Get方式，獲取服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，通過分析處理，將數(shù)據(jù)剝離后獲得可以提供給用戶的數(shù)據(jù)，并顯示在界面中。在修改閾值的過程中，用戶根據(jù)自身需求調(diào)整數(shù)據(jù)，在用戶重新修改閾值后，觸發(fā)Button按鈕的監(jiān)聽事件，此時下位機的警報條件已經(jīng)被修改，需要開始一輪新的警報判斷。

三、性能測試與系統(tǒng)試用

在完成硬件和軟件的基本聯(lián)通后，進行了性能測試。以一個小空間模擬車輛，用空調(diào)加溫模擬車輛內(nèi)部溫度升高的情況，對系統(tǒng)做多次測試并記錄數(shù)據(jù)，利用MATLAB進行數(shù)據(jù)處理，繪制數(shù)據(jù)圖。測試情況下警報條件初始設(shè)置為溫度閾值27℃，濕度閾值49%。在五十次的測試中，隨機調(diào)整警報閾值。結(jié)果如圖5所示。

在多次的測試過程中，發(fā)現(xiàn)在當(dāng)溫度與人體溫度相差3-5℃的情況下，可感應(yīng)到的距離變短，警報會出現(xiàn)誤報，測試精準(zhǔn)度略有降低。在這些測試中，當(dāng)溫度達到34℃之前，測試準(zhǔn)確度達到了100%，但是在34℃之后的測試中，只有40%的準(zhǔn)確度。因此，可以使用精度更好的紅外模塊進行人體監(jiān)控，警報信息可以制作成震動響鈴等更能引起用戶注意的方式，這些都是可以改進優(yōu)化的地方。成品效果如圖6所示。

將設(shè)計應(yīng)用到生活中，共進行兩組實驗，一組是真人，另一組是包裹盒子。選取一個較好的天氣，在11點至14點之間進行模擬。車輛外人員將警報閾值調(diào)整為29℃，濕度閾值為43%。實驗從13點開始，室外溫度達到了17℃，濕度為47%，為了縮短實踐的等待時間，車輛在實驗時的起始溫度為20℃。由于環(huán)境限制，實踐時不能達到夏季35℃的高溫，但其中的實踐原理是一致的，警報條件也可依據(jù)實際情況修改。

車主將車調(diào)整為面朝太陽的方向。為了安全起見，首先做人體測試，測試過程只維持半小時。我們選取的車輛為一款市值約為12萬的銀色豐田，使用不到兩年。如果車輛顏色更深，使用年限更長，隔熱膜質(zhì)量不夠好的話，那么車輛的隔熱性能會更差一些。

測試人員在車主離開，車窗車門緊閉后開始計時測試。在16分鐘后，溫度達到29℃，濕度達到40%，滿足報警條件，車輛內(nèi)發(fā)出了報警器的聲音，客戶端出現(xiàn)了警報提示。之后的14分鐘內(nèi)，警報一直維持。到30分鐘實驗結(jié)束時，此時的溫度達到了33℃，濕度只有34 %，車內(nèi)人員在不補充水分，不采取降溫措施的情況下，已經(jīng)出現(xiàn)流汗口干，輕微胸悶等生理反應(yīng)。在測試人員離開車輛后，放置一個包裹盒子在座位上，此時的溫度依然在不斷攀升，但是車內(nèi)并沒有警報器的聲音，客戶端也沒有警報提示。

如果室外溫度達到35℃，車輛內(nèi)被困住的是缺乏自救意識的嬰幼兒，那么在太陽直射的情況下，只需要15分鐘，就可能會失去一個生命。這一系統(tǒng)設(shè)計簡便，所占空間小，測試準(zhǔn)確率可觀，但是只是依賴局域網(wǎng)傳遞數(shù)據(jù)，距離受到一定限制，如果將控制距離加大，擴大網(wǎng)絡(luò)范圍，經(jīng)過合理的設(shè)計包裝，那么會有更好的實用價值。

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作者簡介：

翟依琳，女，生于1998年8月，漢族，江蘇常州人，江南大學(xué)，物聯(lián)網(wǎng)方向.

張?zhí)禅Q，男，生于1998年1月，漢族，江蘇南通人，江南大學(xué)，自動化方向.

張珂，男，生于1998年2月，漢族，寧夏銀川人，江南大學(xué)，自動化方向.

白雪，女，生于1997年10月，回族，青海海東人，江南大學(xué)，計算機方向.

孟佯，女，生于1998年10月，漢族，江蘇揚州人，江南大學(xué)，計算機方向.

*【基金項目】本文系江南大學(xué)2018年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目，項目編號：1258088201190100