基于STM32的兒童安全座椅防遺忘檢測報警系統(tǒng)

劉貴慶，梁鑒如，袁 凱，陸善婷

（1上海工程技術(shù)大學電子電氣工程學院，上海201620；2上海航天計算機技術(shù)研究所，上海201109）

0 引 言

隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，汽車逐漸走進普通家庭成為人們生活中不可或缺的重要工具。一些家長由于安全意識欠缺或是懷有僥幸心理，將兒童單獨留在密封的車內(nèi)。由于汽車良好的密閉性使得外面的新鮮空氣很難進入車內(nèi)，車內(nèi)氣體不易流通，而且在陽光的照射下汽車內(nèi)部溫度會快速上升，被鎖在車內(nèi)的兒童由于不具自救功能，在高溫和氧氣稀薄的環(huán)境下很容易中暑昏迷、甚至死亡，造成嚴重的后果。

目前市面上具有防遺忘功能的兒童安全座椅采用的是傳統(tǒng)的壓力感應(yīng)技術(shù)，由于兒童與安全座椅的接觸面積小，且坐姿不確定，因此可能會出現(xiàn)壓力傳感器工作不正常的情況，而且壓力傳感器的安裝復雜。不僅如此，大部分的兒童安全座椅并不具備車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測功能，或環(huán)境監(jiān)測功能單一，未考慮到汽車在怠速的情況下會產(chǎn)生大量的一氧化碳，而這些一氧化碳在車庫等密閉的環(huán)境下可能會進入車內(nèi)，帶來兒童中毒的危險。

針對以上問題，本文提出了一種基于電容傳感器的新型兒童安全座椅防遺忘檢測技術(shù)，并加入了車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測功能。當發(fā)動機啟停檢測模塊檢測車輛處于熄火狀態(tài)時，通過檢測車內(nèi)的二氧化碳濃度來判斷車內(nèi)的環(huán)境狀況，若控制器檢測到兒童安全座椅上有兒童且車內(nèi)的二氧化碳超過一定濃度值，將會觸發(fā)系統(tǒng)報警；當發(fā)動機啟停檢測模塊檢測車輛發(fā)動機處于運行狀態(tài)且兒童未被抱走時，通過檢測車內(nèi)的一氧化碳濃度來判斷車內(nèi)的環(huán)境狀況，若控制器檢測車內(nèi)的一氧化碳超過一定濃度值，將會觸發(fā)系統(tǒng)報警。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)具有兒童防遺忘功能、車內(nèi)環(huán)境安全檢測功能和報警救援功能。系統(tǒng)選取高分辨率的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器FDC2214對來自電容傳感器的數(shù)據(jù)進行采集，微處理器對FDC2214采集到的信號進行處理，監(jiān)測當前兒童的乘坐狀態(tài)，同時利用一氧化碳、二氧化碳和溫度傳感器采集車內(nèi)環(huán)境信息，并根據(jù)車內(nèi)環(huán)境惡化程度采取相應(yīng)的報警措施。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Overall block diagram of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)由防遺忘檢測裝置、活動跡象檢測裝置和GSM報警裝置組成，系統(tǒng)采用鋰電池供電，當電量不足時會提醒用戶及時充電。STM32作為控制器對信號進行分析與處理；防遺忘檢測裝置對車輛的狀態(tài)進行檢測；活動跡象檢測裝置對車內(nèi)的環(huán)境狀況進行檢測；控制器根據(jù)檢測結(jié)果采取對應(yīng)的報警措施。對研究中涉及的各部分可做設(shè)計分述如下。

2.1 防遺忘檢測裝置

防遺忘檢測裝置主要由藍牙收發(fā)模塊、發(fā)動機啟停檢測模塊和報警模塊組成。藍牙發(fā)射模塊與車載點煙器相連，發(fā)動機啟動后車載點煙器為藍牙發(fā)射模塊供電，每30 s與活動跡象檢測裝置通信一次；汽車熄火后藍牙發(fā)射模塊斷電，二者通訊失敗，觸發(fā)蜂鳴器報警，蜂鳴器持續(xù)響1 min提醒用戶抱走兒童。

2.2 活動跡象檢測裝置

活動跡象檢測裝置主要由一氧化碳檢測模塊、二氧化碳檢測模塊、溫度檢測模塊和電容檢測模塊組成。其中，電容檢測模塊基于TI公司的FDC2214芯片，該芯片具有分辨率高、功耗低、抗干擾能力強等優(yōu)點。傳感器通過檢測電路板上的覆銅區(qū)域與人體之間形成的電容的大小來確定人體與電路板的距離，本系統(tǒng)中自制的電容檢測模塊檢測面積可達120 cm2，由于該傳感器具有28位的高分辨率，經(jīng)過實際測試，當人體與電路板的距離在20 cm以內(nèi)，該模塊均可精確地檢測出來。因此，該電容檢測模塊可以穩(wěn)定、可靠地檢測到兒童在安全座椅上的乘坐狀態(tài)。

發(fā)動機啟停檢測模塊檢測到車輛處于熄火狀態(tài)時，將二氧化碳濃度變化量作為車內(nèi)空氣指標，通過檢測車內(nèi)的二氧化碳濃度來判斷車內(nèi)的環(huán)境狀況，若控制器檢測到兒童安全座椅上有兒童且車內(nèi)的二氧化碳超過一定濃度值，將會觸發(fā)系統(tǒng)報警。檢測模塊還要利用溫度傳感器來判斷車內(nèi)的環(huán)境溫度，溫度過高時也會觸發(fā)報警。在夏季，當外界溫度為35℃時，陽光照射15 min后，封閉的車廂內(nèi)部氣溫會迅速地上升至65℃，在這樣的環(huán)境下待上0.5 h就能致命；即便環(huán)境溫度僅有21℃，陽光直射下，1 h后車內(nèi)溫度也能達到47℃，兒童體溫調(diào)節(jié)機制發(fā)育尚未完全，體溫調(diào)節(jié)依然較弱，更容易導致窒息。

由于部分車主在夏天會在發(fā)動機怠速狀態(tài)下開啟車內(nèi)空調(diào)，此時若車子停在密閉環(huán)境內(nèi)，尾氣中的一氧化碳可能會進入車內(nèi)造成兒童中毒。因此，發(fā)動機啟停檢測模塊檢測車輛發(fā)動機處于運行狀態(tài)且兒童未被抱走時，將一氧化碳濃度作為車內(nèi)空氣質(zhì)量指標，若控制器檢測車內(nèi)的一氧化碳超過一定濃度值，將會觸發(fā)系統(tǒng)報警。

2.3 GSM 報警裝置

GSM報警裝置利用GSM通訊模塊提醒車主車內(nèi)兒童可能發(fā)生危險。當車內(nèi)環(huán)境達到臨界狀態(tài)時觸發(fā)第一級短信報警，系統(tǒng)每隔一段時間向車主發(fā)送一次短信提醒車主；若車內(nèi)環(huán)境繼續(xù)處于惡化狀態(tài)，但尚未達到極限，會觸發(fā)第二級電話報警。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 FDC2214在電容檢測中的應(yīng)用

FDC2214采用I2C與控制器通信，被測電容值的計算公式為：

其中，L為外部諧振電感，C為外部匹配電容，fSENSORx為諧振頻率，其換算公式為：

其中，CHx_FIN_SEL為傳感器頻率段選擇；fREFx為參考頻率；DATAx為通道測量值。通過不同的通道地址，可以讀取相應(yīng)通道的數(shù)字量值，DATAx是通過FDC2214測量而來。本文選取的通道是通道3，寄存器入口地址為0x06和0x07。

由于被測電容值很?。ㄍǔ閜F級），為了提高信噪比，采用IIR濾波算法對采集到的數(shù)據(jù)進行處理。此外，由于外部諧振電感、匹配電容等會出現(xiàn)溫漂，進而可能會造成換算出的電容量出現(xiàn)較大誤差。因此，本系統(tǒng)采用微分積分算法對讀取到的數(shù)據(jù)進行處理。首先對測量值進行微分，計算測量值Xi的變化率ΔXi（即測量值Xi的導數(shù)Di），再對這些ΔXi不斷進行累加，即為積分后的值I，若傳感器檢測到的電容值趨于穩(wěn)定，ΔXi趨于0，I不再繼續(xù)累加。因此，通過判斷I的值即可判斷出傳感器的電容值是否發(fā)生改變。經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，人體接近傳感器時，會導致傳感器測量的I變大。

電容傳感器放置于兒童安全座椅的下方，與兒童身體的距離約10 cm左右，由于兒童坐姿不確定，身體不可能完全覆蓋于傳感器正上方，因此為保證傳感器檢測的準確性，通過實驗模擬兒童不同坐姿的情況下傳感器測量的數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。其中，若兒童未坐在安全座椅上時，傳感器測量到的數(shù)據(jù)大小為176.35。通過測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，兒童在不同坐姿情況下，該傳感器均可正常檢測到。

表1 電容傳感器測試數(shù)據(jù)Tab.1 Capacitance sensor test data

3.2 主程序設(shè)計

該系統(tǒng)的程序設(shè)計流程如圖2所示。若電容檢測模塊檢測到兒童在安全座椅上，且汽車已經(jīng)由啟動狀態(tài)到熄火狀態(tài)時間達到1 min，此時蜂鳴器持續(xù)響1 min提醒車主抱走兒童。若車主一直沒有抱走兒童，則進行二氧化碳和溫度檢測，如果檢測到二氧化碳的濃度值大于1 000 ppm或溫度值大于33℃，則會觸發(fā)一級報警，GSM模塊會向車主手機發(fā)送警告短信；如果車內(nèi)環(huán)境持續(xù)惡化，檢測到的二氧化碳的濃度值已經(jīng)大于1 500 ppm或溫度值大于36℃，則會觸發(fā)二級報警，GSM模塊會向車主撥打警告電話。由于發(fā)動機啟停檢測模塊是通過檢測點煙器的狀態(tài)來判斷發(fā)動機啟停狀態(tài)的，無法得知此時發(fā)動機是否處于怠速狀態(tài)，因此，若車輛發(fā)動且兒童在安全座椅上，一氧化碳傳感器會間歇工作。當一氧化碳的濃度值大于50 ppm，則會觸發(fā)一級報警，GSM模塊會向車主手機發(fā)送警告短信；當一氧化碳的濃度值大于200 ppm，則會觸發(fā)二級報警，GSM模塊會向車主打警告電話。

圖2 系統(tǒng)流程圖Fig.2 System flow chart

4 系統(tǒng)測試與分析

4.1 IIR 濾波實現(xiàn)

電容傳感器檢測到的原始信號如圖3所示，使用IIR濾波器處理后的數(shù)據(jù)，如圖4所示。通過對比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過濾波后的數(shù)據(jù)比原始數(shù)據(jù)更加平滑，且不易受到干擾。

圖3 原始數(shù)據(jù)Fig.3 Raw data

圖4 IIR濾波后的數(shù)據(jù)Fig.4 IIR filtered data

4.2 積分微分算法測試

微分后的數(shù)據(jù)如圖5所示，經(jīng)過積分后的數(shù)據(jù)與原始信號匹配，如圖6所示。

圖5 微分后的信號Fig.5 Signal after differentiation

圖6 積分后的信號Fig.6 Signal after integration

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于電容傳感器的非接觸式兒童安全座椅防遺忘檢測方法，同時加入了報警系統(tǒng)，可以有效地提醒用戶不要將兒童遺忘在車內(nèi)，同時也保障了不慎被遺忘在車內(nèi)的兒童的安全。與現(xiàn)有檢測裝置相比，本裝置具有易于安裝、可靠性高、安全性能強等優(yōu)點，具有一定的推廣價值。