幼兒遺落校車安全事故預(yù)警技術(shù)研究與系統(tǒng)設(shè)計

劉勇軍，彭華

(1.黃淮學(xué)院 智能制造學(xué)院，河南 駐馬店 463000；2.黃淮學(xué)院 圖書館，河南 駐馬店 463000)

0 引 言

每到夏天，總有幼兒被遺落在校車上，造成死亡的事故發(fā)生。雖然我國頒布了《校車安全管理條例》，對校車的安全技術(shù)條件和司機(jī)、隨車教師的配備均作了詳細(xì)規(guī)定[1]，但是，由于監(jiān)管的不足和人員的失職，此類事故仍屢有發(fā)生。學(xué)者和技術(shù)人員對校車安全事故的預(yù)防展開了廣泛的研究，如利用紅外避障傳感器[2]、人體紅外傳感器[3]、壓電傳感器[4]、RFID射頻卡[5-6]、視頻人像識別技術(shù)[7-8]等對遺落的幼兒進(jìn)行檢測，但校車內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，遺落的幼兒會以任意姿勢處于校車的某一位置，以上檢測方法均存在一定漏檢率。有一些研究人員研究了校車位置和車內(nèi)畫面實時監(jiān)控系統(tǒng)，在電腦端[9-10]和手機(jī)端[11]均可實時查看，但這些系統(tǒng)不具有主動報警功能。也有學(xué)者提出了發(fā)生事故時發(fā)送報警短信[12]或直接利用手機(jī)控制校車打開門窗[13]，但未進(jìn)一步考慮如果短信不能被及時閱讀，或者需要對校車進(jìn)行改裝，實施難度大。還有人提出提高校車駕駛員和乘務(wù)員的準(zhǔn)入門檻以降低遺落事故發(fā)生率[14]，但這也不能保障萬無一失。目前，對校車幼兒的檢測以事故發(fā)生前的全員檢測為主，存在漏檢率；對于校車安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究偏重實時監(jiān)控，缺乏針對發(fā)生事故時的應(yīng)急處理措施或措施效果不佳。因此，研究一種幼兒遺落校車自動檢測、短信和APP聯(lián)合報警、地圖顯示校車位置的幼兒遺落校車預(yù)警系統(tǒng)，對提高幼兒乘車的安全性具有重要的意義。

解決幼兒遺落校車事故的關(guān)鍵問題是事故發(fā)生時如何報警？報警信息如何被幼兒園教師、幼兒家長和校車司機(jī)及時獲知？事故發(fā)生時校車的位置在哪里？如果這幾個問題能夠解決，就可以給營救預(yù)留寶貴的時間，從而將事故的危險降至最低。本文基于以上考慮，設(shè)計幼兒遺落校車報警裝置和移動APP，提高幼兒乘坐校車的安全性。

1 總體方案設(shè)計

系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，總體方案設(shè)計分為檢測控制裝置和報警軟件，檢測控制裝置安裝在校車上，報警軟件安裝在司機(jī)、教師和家長的手機(jī)上。檢測控制裝置的主控制器采用Stm32，光電開關(guān)SQ1、行程開關(guān)SQ2、溫度傳感器T、2個MLX90621、薄膜開關(guān)Sij、GPS模塊作為Stm32的輸入，GSM模塊作為Stm32的輸出。SQ1用于檢測司機(jī)是否離座，SQ2用于檢測車門的啟閉，T用于測量車內(nèi)的環(huán)境溫度，MLX90621和Sij用于遺落幼兒的檢測，GPS模塊用于檢測校車的經(jīng)緯度信息，GSM用于向指定的手機(jī)發(fā)送報警短信(短信中包含經(jīng)緯度信息)。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 System block diagram

安裝有報警軟件的手機(jī)接收到報警短信后，APP會讀取報警短信中的經(jīng)緯度信息，并進(jìn)行語音、振動、圖片和文字報警，同時可以利用APP上的按鈕打開電子地圖，查看校車當(dāng)前的地理位置，為施救提供便利。

2 檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 幼兒遺落檢測

人體檢測，特別是針對靜止人體的檢測一直是比較困難的問題。幼兒遺落校車事故中多數(shù)是因為幼兒在車上睡著所致。本設(shè)計采用紅外熱電堆陣列傳感器和薄膜開關(guān)聯(lián)合檢測幼兒遺落校車的技術(shù)方案。2個紅外熱電堆陣列傳感器ML-X90621安裝在車內(nèi)頂部，并列布置，每個傳感器采集16×4個像素，2個傳感器可以采集128個像素的溫度值，并與車內(nèi)環(huán)境溫度進(jìn)行比較，如果某個像素或相鄰的某幾個像素點的溫度值高于環(huán)境溫度一定的數(shù)值，則可認(rèn)為有幼兒遺落在校車上。在每兩排座位的中間地面上鋪設(shè)薄膜開關(guān)，主要用于檢測躺在座椅下的幼兒。

MLX90621傳感器最佳供電電壓2.6 V，本設(shè)計將3.3 V電源串聯(lián)一個二極管(壓降約0.7 V)給MLX90621傳感器供電。MLX90621傳感器采用I2C與控制器通信，MLX90621傳感器與Stm32控制的接線如圖2所示。在每個座椅下面及前后兩排座椅之間的地板上均布置一個薄膜開關(guān)模塊，每個模塊包含多個薄膜開關(guān)，薄膜開關(guān)并聯(lián)連接，2～3個模塊之間再次并聯(lián)后一端與GND相連，另一端連接至Stm32的GPIO端(GPIO外接上拉電阻)。

圖2 MLX90621與Stm32的連接Fig.2 Connection of MLX90621 and Stm32

幼兒遺落檢測的流程如圖3所示，當(dāng)司機(jī)離座且車門關(guān)閉時，檢測校車內(nèi)環(huán)境溫度，如果車內(nèi)環(huán)境溫度超過28 ℃時，開始讀取MLX90621傳感器的溫度值。MLX90621測量的溫度值與環(huán)境溫度有關(guān)，經(jīng)過測試，當(dāng)MLX90621測量的某個像素或相鄰的幾個像素點的溫度值高于背景溫度1.5～2.0 ℃時，可以認(rèn)為有幼兒遺落在校車上。同時控制器判斷接有薄膜開關(guān)模塊的GPIO的電平，一旦發(fā)現(xiàn)有GPIO的電平為低電平，則也認(rèn)為有幼兒遺落在校車上。

圖3 幼兒遺落檢測流程Fig.3 Flow chart of young left child detection

MLX90621內(nèi)部有一個EEPROM存儲器和一個RAM存儲器，EEPROM存儲器存放芯片的制造參數(shù)和用于計算像素點溫度值的參數(shù)，RAM存儲器存放測量的溫度值。MLX90621初始化和測量、計算過程如圖4所示。

首先,使用MLX90621進(jìn)行初始化，其次，通過I2C通信，讀取其RAM中的參數(shù)值。根據(jù)芯片手冊，利用式(1)計算芯片的溫度，然后利用EEPROM中的參數(shù)和式(2),計算每個像素點的溫度值。

圖4 MLX90621初始化與測量計算過程Fig.4 Flow chart of initialization，measurement and calculation of MLX90621

式中：KT1，KT2和VTH為存儲在EEPROM中的參數(shù)；PTAT為存儲在RAM中的參數(shù)，均可直接從芯片中讀取。

273.15,

(2)

式中：Tij為目標(biāo)像素點的溫度；VC(i，j)為寄生補償參數(shù)；αC(i，j)為補償靈敏度系數(shù)；KS4為補償因子。VC(i，j)、αC(i，j)和KS4為可以由EEPROM中讀取的參數(shù)計算；TαK4和S(i，j)為中間轉(zhuǎn)換結(jié)果，分別由式(3)式(4)計算。

TαK4=(Tα+273.15)4，

(3)

(4)

2.2 校車位置檢測

目前，我國接送幼兒的校車通常由幼兒園管理或社會服務(wù)機(jī)構(gòu)管理，也有一些屬于私自改裝車。接送幼兒的校車為專車專用，將幼兒送達(dá)目的地后，校車并不一定停在幼兒園內(nèi)，司機(jī)也并不一定一直處于校車附近。發(fā)生幼兒遺落事故時，獲知校車的位置對于快速展開營救至關(guān)重要。因此，幼兒遺落報警系統(tǒng)將采集發(fā)生幼兒遺落時校車的位置信息(經(jīng)度和緯度)。

本文采取杭州中科微電子出品的北斗/GPS雙模定位模塊ATGM332D獲取校車的GPS位置信息，該模塊的輸出定位信息符合NMEA0183協(xié)議，定位精度達(dá)2.5 m。Stm32通過串口(串口3)與定位模塊相連，以讀取導(dǎo)航信息，連接圖如圖5所示。

圖5 GPS定位模塊與Stm32的連接Fig.5 Connection of GPS modular and Stm32

由于本設(shè)計只需要獲取校車的經(jīng)緯度信息，因此，在接收的導(dǎo)航信息中只需對推薦的最小數(shù)據(jù)GNRMC(GN表示GPS和北斗聯(lián)合定位)進(jìn)行解析即可。RMC信息中的第4個字段為緯度，格式為ddmm.mm，第6個字段為經(jīng)度，格式為dd-dmm.mm。解析后，將字符轉(zhuǎn)換為數(shù)字，存儲在變量中，為下一步的短信發(fā)送做好準(zhǔn)備。

3 報警系統(tǒng)設(shè)計

3.1 短信報警設(shè)計

幼兒遺落校車屬于小概率事件，僅在發(fā)生事故時主動發(fā)出報警信號，則可以降低校車運營方預(yù)防此類事故發(fā)生的成本，從而更容易被校車運營方所接受。報警信號需要及時、準(zhǔn)確地傳送給幼兒教師、校車司機(jī)和幼兒家長，相比較其他信息(如微信、QQ等)，手機(jī)短信則更容易被重視和及時查看。因此，本設(shè)計采用Sim800A型GPRS/GSM模塊，在發(fā)生幼兒遺落時，向指定的手機(jī)群發(fā)短信。短信發(fā)送模塊與Stm32通過串口相連(串口2)，如圖6所示。

圖6 GSM通信模塊與控制器的連接Fig.6 Connection of GSM modular and Stm32

在校車運營過程中，司機(jī)、教師和幼兒均可能會發(fā)生變化，因此,需要方便修改接收短信的手機(jī)號碼。本設(shè)計利用PC機(jī)，通過串口(串口1)向Stm32發(fā)送包含特定字符的包頭($)、手機(jī)號碼和包尾(&)的字符串，字符串格式如圖7所示。每個電話號碼后方添加一個回車和換行字符，以便于操作者編輯。

為了防止數(shù)據(jù)掉電丟失，Stm32接收到手機(jī)號碼后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至內(nèi)部Flash中，在發(fā)送短信時再將數(shù)據(jù)從內(nèi)部Flash中讀出。為了防止手機(jī)號碼的存儲與代碼空間重疊，可以將手機(jī)號碼存儲在主存儲器中靠后的扇區(qū)中。電話號碼接收、存儲的流程如圖8所示。

圖7 PC向Stm32發(fā)送電話號碼的格式Fig.7 Telephone number format from PC to Stm32

圖8 電話號碼接收與存儲流程Fig.8 Telephone number reception and preservation chart flow

發(fā)送短信的流程如圖9所示，在發(fā)生幼兒遺落校車時，Stm32控制器首先從內(nèi)部Flash中讀取存儲的電話號碼，其次，從GPS模塊中讀取經(jīng)緯度信息，與短信合并，并同手機(jī)號碼一起轉(zhuǎn)換為PDU碼，最后連同短信發(fā)送命令“AT+CMGS”一起通過串口發(fā)送給Sim800A模塊，Sim800A模塊完成報警短信的發(fā)送。

圖9 發(fā)送短信流程Fig.9 Flow chart of alarm message sending

短信格式為“$#$您的孩子遺落在校車上了，請立即處理，校車當(dāng)前位置：經(jīng)度dddmm.mm，緯度ddmm.mm$#$?！?，在短信的首尾添加特殊字符串“$#$”的目的是作為報警APP識別手機(jī)收到報警短信的信號，也可以防止誤報警。

3.2 報警APP設(shè)計

在信息爆炸的時代，人們每天會收到大量的各類信息(包括手機(jī)短信)，這些信息并不能保證被及時查閱。如果幼兒遺落校車，預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出的報警短信未被及時查閱，則會延誤最佳營救時機(jī)，造成不可挽回的損失。因此，在收到報警短信時必須讓手機(jī)機(jī)主及時查閱這一信息。在獲知幼兒遺落校車后，對營救者而言，最重要的信息是校車的位置，以便實施營救。基于此，本文利用Android Studio設(shè)計了一個Android APP。該APP安裝在校車司機(jī)、幼兒教師和幼兒家長的手機(jī)上，一旦手機(jī)收到指定號碼發(fā)送過來的報警短信，APP將發(fā)出聲音、振動、圖片和文本報警，且必須通過手動消除報警，強(qiáng)制手機(jī)機(jī)主查看報警信息。

幼兒遺落報警APP的主界面如圖10(a)所示，校車地理位置顯示界面如圖10(b)所示。Android APP始終監(jiān)視接收到的短信內(nèi)容，一旦發(fā)現(xiàn)收到的短信與報警短信的格式和內(nèi)容匹配時，APP彈出報警對話框、驅(qū)動音頻控制器播放報警音頻、驅(qū)動振動器振動，APP主界面上的圖片和文字閃爍，給予機(jī)主以充分的警示。

圖10 報警APP界面Fig.10 Interface of alarm APP

點擊“清除警報”按鈕，可以消除報警(只能手動消除，否則持續(xù)報警)，通過點擊APP上的“查看校車當(dāng)前位置”按鈕，可以調(diào)出電子地圖，顯示校車當(dāng)前的地理位置。在地圖顯示界面點擊“返回”按鈕，可以返回到主界面。

4 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計完成后,在校車上進(jìn)行測試，其中2個紅外熱電堆陣列傳感器安裝在車頂，向下輻射，薄膜開關(guān)夾在兩片硅膠墊(薄膜開關(guān)間距為150 mm)中，硅膠墊放在座位下面和前后兩排座椅之間的地板上。測試時每次將一名3～6歲的幼兒留在車上，幼兒可以坐/站/躺在校車的不同位置，并告訴幼兒可以躲藏，以便模擬最不利的情形，共測試200次，測試結(jié)果見表1。

表1 報警系統(tǒng)測試結(jié)果Tab.1 Test results of alarm system

從表1可知，如果只用熱電堆紅外陣列傳感器檢測遺落在校車上的幼兒，成功率只有83%，這主要是由于幼兒躺在座椅下方，或幼兒蜷縮在靠前或靠后的位置被座椅靠背遮擋，紅外陣列傳感器無法檢測到幼兒的溫度而造成的。只使用薄膜開關(guān)檢測的成功率為56.5%，該結(jié)果并不是指幼兒觸碰到薄膜開關(guān)時只有56.5%的概率檢測到幼兒。因為薄膜開關(guān)只布置在座位下面和前后兩排座位之間的地板上。在測試過程中，幼兒的位置是隨機(jī)的，有的孩子沒有躺在座位下面或沒有踩在前后兩排座椅之間的地板上，薄膜開關(guān)則無法檢測到幼兒。通過紅外熱電堆陣列傳感器和薄膜開關(guān)聯(lián)合檢測的成功率為94%，而GPS定位、GSM短信發(fā)送和APP報警的成功率也為94%，即只要能成功檢測到幼兒遺落即可100%完成GPS定位、GSM短信發(fā)送和APP報警。

紅外熱電堆陣列傳感器和薄膜開關(guān)聯(lián)合檢測仍有一定的漏檢率，通過測試現(xiàn)場的觀測和分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境溫度高于32 ℃時，由于人體溫度與環(huán)境溫度的差值減小，導(dǎo)致紅外熱電堆陣列傳感器的辨別能力下降，因此，控制器盡量在30 ℃以下完成對幼兒遺落的判斷。當(dāng)幼兒蜷縮在校車前排或后排的座位上、紅外熱電堆陣列傳感器無法照射到時，也會發(fā)生漏檢的現(xiàn)象，這種漏檢可以通過增加紅外熱陣列傳感器的個數(shù)解決。

5 結(jié) 論

(1)針對幼兒被遺落校車造成傷亡事故屢有發(fā)生的問題，利用光電開關(guān)、行程開關(guān)、溫度傳感器和紅外熱電堆傳感器設(shè)計了幼兒遺落校車檢測控制裝置，以檢測是否有幼兒被遺落在校車上。

(2)利用GPS、GSM和Android Studio設(shè)計了具有幼兒遺落檢測、校車定位、短信報警功能的報警裝置和報警APP，發(fā)生幼兒遺落校車的事故時，系統(tǒng)向指定的手機(jī)發(fā)送報警短信、激活A(yù)PP報警，并可以打開電子地圖查看校車的當(dāng)前位置，為實施營救提供便利。經(jīng)過測試，設(shè)計的報警系統(tǒng)幼兒遺落檢測成功率達(dá)94%，檢測到幼兒遺落后發(fā)送報警短信、驅(qū)動APP報警和打開電子地圖并定位的成功率達(dá)100%。

(3)所設(shè)計的報警裝置可以安裝在校車上，報警APP可以安裝在幼兒教師、校車司機(jī)、家長的手機(jī)上，可以減少因幼兒遺落校車造成死亡事故的發(fā)生，提高幼兒乘車的安全性。