兒童滯留車內(nèi)主動(dòng)安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂緒浩 何文超 徐 婷

（東北師范大學(xué)人文學(xué)院理工學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130117）

0 引言

兒童乘車安全是汽車安全領(lǐng)域的重要課題之一，目前研究工作主要集中在兒童約束系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其安全性評(píng)價(jià)等方面，對(duì)于車輛駐停后滯留車內(nèi)兒童的安全問(wèn)題缺乏深入研究。美國(guó)Kids and Cars組織對(duì)2001—2010年美國(guó)兒童車內(nèi)非交通事故傷害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分類，結(jié)果顯示，兒童滯留車內(nèi)熱窒息死亡率達(dá)58%，遠(yuǎn)高于其他傷害類型[1]。

針對(duì)該問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一套主動(dòng)安全防護(hù)系統(tǒng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)駐停車輛內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度及兒童滯留狀態(tài)綜合判定是否啟動(dòng)防護(hù)報(bào)警功能。

1 主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

兒童滯留車內(nèi)主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)主要由微控制器模塊、信號(hào)檢測(cè)模塊和防護(hù)報(bào)警模塊組成。微控制器模塊以STM32單片機(jī)為核心，信號(hào)檢測(cè)模塊包括駐車狀態(tài)檢測(cè)電路、攝像頭人臉檢測(cè)電路和車內(nèi)溫度檢測(cè)電路，防護(hù)報(bào)警模塊包括車窗升降控制電路、聲光報(bào)警電路和遠(yuǎn)程報(bào)警電路。圖1為兒童滯留車內(nèi)主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)組成示意圖。

圖1 主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)組成示意圖

1.2 工作原理

兒童滯留車內(nèi)主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的工作原理為：駐車狀態(tài)檢測(cè)電路通過(guò)傳感器判斷車輛是否真實(shí)駐停，當(dāng)車輛駐停后，攝像頭人臉檢測(cè)電路判斷是否有兒童滯留，如有兒童滯留，車內(nèi)溫度檢測(cè)電路將測(cè)量溫度傳至微控制器。微控制器根據(jù)接收到的溫度判定是否啟動(dòng)防護(hù)報(bào)警模塊。當(dāng)溫度超過(guò)報(bào)警閾值，微控制器向車窗升降控制電路、聲光報(bào)警電路和遠(yuǎn)程報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警指令，啟動(dòng)防護(hù)功能。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 微控制器模塊

微控制器模塊以STM32F103型單片機(jī)為控制核心，與外圍信號(hào)檢測(cè)模塊和防護(hù)報(bào)警模塊電路相連，如圖2所示。

圖2 微控制器模塊接口電路

2.2 信號(hào)檢測(cè)模塊

2.2.1 車輛駐停檢測(cè)電路

車輛駐停檢測(cè)電路采用多傳感器多項(xiàng)數(shù)據(jù)融合的方法判斷車輛是否真實(shí)駐停，電路原理圖如圖3所示，主要由GPS+北斗雙模定位模組S1216F8-BD、三軸加速度計(jì)MPU6050、原車電源開關(guān)狀態(tài)和門鎖開關(guān)狀態(tài)檢測(cè)電路組成。原車電源開關(guān)狀態(tài)和門鎖開關(guān)狀態(tài)通過(guò)電壓方式檢測(cè)，光耦隔離器PC817起到電壓轉(zhuǎn)換作用的同時(shí)，隔離了檢測(cè)裝置對(duì)原車電器的影響。

2.2.2 攝像頭人臉檢測(cè)電路

攝像頭人臉檢測(cè)電路采用嵌入式OpenMV機(jī)器視覺(jué)模塊，利用內(nèi)置Haar Cascade 特征檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)人臉檢測(cè)功能。Cascade分類器將Haar特征分為25個(gè)階段進(jìn)行級(jí)聯(lián)檢測(cè)。圖4為OpenMV實(shí)物和人臉檢測(cè)效果。

2.2.3 車內(nèi)溫度檢測(cè)電路

參照職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)《職業(yè)性中暑的診斷》（GBZ 41—2019）[2]，當(dāng)體溫超過(guò)38 ℃時(shí)身體開始熱衰竭。由于高溫環(huán)境下紅外傳感器測(cè)量人體體溫誤差較大，本文暫以環(huán)境溫度達(dá)到38 ℃作為報(bào)警閾值。溫度傳感器選用DS18B20，單總線結(jié)構(gòu)，只需占用一根端口線與微處理器通信，節(jié)省了大量引線和邏輯電路。

2.3 防護(hù)報(bào)警模塊

2.3.1 車窗升降控制電路

兒童滯留車內(nèi)發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，首要措施是降溫通風(fēng)。車窗升降控制電路使用原車車窗升降機(jī)構(gòu)，當(dāng)微控制器啟動(dòng)防護(hù)功能時(shí)，繼電器吸合，接通車窗升降機(jī)構(gòu)電源使車窗下降。

圖3 車輛駐停信號(hào)檢測(cè)電路

圖4 OpenMV實(shí)物及人臉檢測(cè)效果

2.3.2 聲光報(bào)警電路

兒童滯留車內(nèi)發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，路人是最直接有效的救助人員。聲光報(bào)警電路采用原車閃光燈和防盜喇叭，當(dāng)微控制器啟動(dòng)報(bào)警功能時(shí)，發(fā)出控制信號(hào)使繼電器吸合，接通閃光燈和防盜喇叭電源，聲光報(bào)警提醒路人注意。

2.3.3 遠(yuǎn)程報(bào)警電路

兒童滯留車內(nèi)發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，需及時(shí)通知車主返回。遠(yuǎn)程報(bào)警電路采用安信可公司的工業(yè)級(jí)四頻GSM/GPRS A6模組，工作頻段850/900/1 800/1 900 MHz，可低功耗實(shí)現(xiàn)短信數(shù)據(jù)信息的傳輸。電路如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)程報(bào)警電路

3 軟件程序設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的兒童滯留車內(nèi)主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的程序流程如圖6所示：系統(tǒng)初始化后，首先通過(guò)GPS模塊檢測(cè)車輛的速度，當(dāng)車速低于某一值時(shí)基本可以判斷車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)；然后再輔以三軸加速度計(jì)，對(duì)空間X、Y、Z三個(gè)維度的加速度進(jìn)行矢量合成，形成與重力加速度方向一致的矢量和a，當(dāng)矢量和在1個(gè)重力加速度左右時(shí)即可判斷車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)[3]；最后通過(guò)檢測(cè)原車電源開關(guān)狀態(tài)和門鎖開關(guān)狀態(tài)判斷車輛是否處于真實(shí)停駐狀態(tài)；如果車輛駐停，攝像頭人臉檢測(cè)模塊執(zhí)行人臉檢測(cè)算法，當(dāng)檢測(cè)到車內(nèi)有滯留兒童時(shí)，讀取溫度傳感器溫度，若超過(guò)設(shè)定閾值，降下車窗通風(fēng)降溫，聲光報(bào)警提醒路人注意，同時(shí)GSM短信通知車主速速返回。

4 結(jié)語(yǔ)

為避免兒童滯留車內(nèi)高溫死亡或受永久性傷害，本文設(shè)計(jì)了一套主動(dòng)安全防護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由微控制器模塊、信號(hào)檢測(cè)模塊及防護(hù)報(bào)警模塊組成，通過(guò)采集的數(shù)據(jù)可準(zhǔn)確判定車輛是否真實(shí)駐停和車內(nèi)是否有兒童滯留，當(dāng)發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)可及時(shí)有效地控制執(zhí)行元件通風(fēng)降溫，并啟動(dòng)報(bào)警功能，最大限度地降低兒童滯留車內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 系統(tǒng)程序流程圖