基于安全溫度控制的智能汽車報警裝置設(shè)計

翟秀軍，趙羽佳，劉曉明

（1.天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 汽車與軌道交通學(xué)院，天津300350；2.天津南開大學(xué) 醫(yī)學(xué)院，天津300071）

媒體多次報道在炎炎夏日個別家長因一時疏忽將兒童遺忘在密閉的車內(nèi)，從而造成孩子意外死亡的事件，本課題的任務(wù)旨在減少此類情況發(fā)生。本系統(tǒng)能在汽車熄火后分析是否有兒童遺忘在車內(nèi)，一旦辨別可能存在危險時，自動聲控報警并向車主手機發(fā)送信息，并能根據(jù)車內(nèi)溫度情況，調(diào)整車窗的高度，避免因車內(nèi)溫度過高或缺氧給車內(nèi)兒童造成傷害。

目前防止將兒童遺忘車內(nèi)的產(chǎn)品很少，較成熟的有Starfish的智能傳感器和勿忘我SOS（汽車座安全提示器）。

Starfish 裝置是將一個智能傳感器放置在兒童汽車座椅墊下[1]，并通過藍(lán)牙與父母的智能設(shè)備實現(xiàn)通訊。手機應(yīng)提前下載安裝好Starfish 應(yīng)用軟件并完成配對，當(dāng)嬰兒被放入座位，通過重力感應(yīng)，Starfish 將自動激活，如果孩子被粗心的父母落在車?yán)?，父母或其他緊急聯(lián)系人將會收到緊急信息。如果嬰兒被抱離座位，Starfish 將解除工作，進(jìn)入休眠省電狀態(tài)。Starfish 適用體重為3.2磅至60磅重的嬰幼兒，使用標(biāo)準(zhǔn)鈕扣電池，存電量不多時，會提醒更換[2]。

勿忘我SOS（汽車座安全提示器）這款報警提示器包含接收器和發(fā)射器兩部分。發(fā)射器直接安裝在兒童座椅的安全帶上，內(nèi)部鑲嵌藍(lán)牙信號發(fā)射裝置；接收器通過車載診斷系統(tǒng)與汽車發(fā)動機相連，兩者互相配合發(fā)揮作用。當(dāng)汽車發(fā)動，提示器便會提醒駕車人給孩子扣好胸夾系好安全帶；如果小朋友不小心把安全帶打開了，報警器就會響起，提醒駕駛?cè)私o孩子重新扣好胸夾系好安全帶；當(dāng)發(fā)動機熄火后，如果這個安全帶沒有打開，說明小朋友還獨自在車?yán)?，報警器就會立刻做出反?yīng)，達(dá)到勿忘我SOS目的。

這兩款已經(jīng)上市的產(chǎn)品，考慮的比較完善，但是還存在一些不足。例如：Starfish 智能傳感器，如果小孩沒在車?yán)铮诎踩紊戏艂€等同兒童重量的物品可能也會激活；再如車內(nèi)安裝了勿忘我SOS 這款報警提示器，但是車?yán)餂]有坐著小孩，也就是說每次開車，駕駛員都要去把安全座椅的安全帶扣系上，每次停車都要去把安全座椅的安全帶扣解開，十分繁瑣。在這里需要特別指出的是這兩款產(chǎn)品均具有防止兒童遺忘車內(nèi)的預(yù)警功能，但是沒有考慮到萬一預(yù)警沒有起到作用（產(chǎn)品一忘帶手機），孩子仍然被留到車內(nèi)造成危險[3]。

1 總體設(shè)計概述

課題的目的在于克服上述技術(shù)的不足，提供一種新型汽車報警裝置，當(dāng)兒童被遺忘車內(nèi)時，能夠自動報警引起周圍人群的注意并向車主手機發(fā)送緊急提示信息，同時降車窗通風(fēng)、降溫。

新型汽車報警裝置的技術(shù)方案其特征在于：包括AT89S52 單片機[4]、DS18B20 環(huán)境溫度傳感器、NS-THI 稱重傳感器、AD574 A/D 轉(zhuǎn)換器、報警控制器及TC35i GSM模塊。DS18B20 環(huán)境溫度傳感器與單片機輸入接口連接，NS-THI 稱重傳感器通過AD574 A/D 轉(zhuǎn)換器與單片機輸入接口連接，單片機的輸出接口分別連接汽車車窗控制端和報警控制器，單片機通過TC35i GSM模塊與車主手機進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[5]。圖1為新型汽車報警裝置的硬件結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 新型汽車報警裝置的硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Hardware structure block diagram of the new auto alarm device

課題的有益效果是：與上兩款產(chǎn)品相比不但有報警功能而且還能自動降車窗通風(fēng)、降溫為兒童的營救爭取時間。當(dāng)拔出車鑰匙，發(fā)動機停止運轉(zhuǎn)后開啟系統(tǒng)。由DS18B20（環(huán)境溫度傳感器）[6]采集車內(nèi)溫度信號，NS-THI（稱重傳感器）采集座椅上的壓力信號，當(dāng)稱重傳感器的壓力信號符合系統(tǒng)設(shè)定值時，判定可能有兒童遺忘在車座上，并且環(huán)境溫度傳感器采集車內(nèi)溫度值為37℃，后車窗自動下降5 cm，同時向車主手機發(fā)送求救信號；如果車主未回來，車內(nèi)溫度繼續(xù)上升至40℃，后車窗再下降5 cm，繼續(xù)向車主手機發(fā)送求救信號；如果車主仍未回來，車內(nèi)溫度繼續(xù)上升至47℃，后車窗再下降5 cm，繼續(xù)向車主手機發(fā)送求救信號，并開啟聲控報警器引起周圍人群的注意，當(dāng)兒童被解救后離開座椅，系統(tǒng)自動關(guān)閉。這種新型汽車報警裝置性能穩(wěn)定、能耗低，采用多種安全措施，極大地提高了兒童乘車的安全性。圖2為裝置的控制流程圖。

圖2 裝置的控制流程Fig.2 Control flow chart of the device

2 具體實施方式

2.1 DS18B20 環(huán)境溫度傳感器

DS18B20 環(huán)境溫度傳感器與AT89S52 單片機輸入接口連接。DS18B20是一種“一線器件”，是單線數(shù)字溫度傳感器，與微處理器的連接只需要一條口線就可以實現(xiàn)雙向通訊，從而精度高、抗干擾能力強、使用便捷、經(jīng)濟(jì)性好。DS18B20 測溫范圍廣，通常為-55℃～+125℃；當(dāng)環(huán)境溫度在-10℃～+85℃時精度可達(dá)到±0.5℃。將多個DS18B20 并聯(lián)在唯一的單線上還可以進(jìn)行多點測溫。DS18B20 工作電壓3.0～5.5 V，測量結(jié)果以數(shù)字量方式串行傳送，無需外圍元件。DS18B20是高速暫存存儲器，內(nèi)部由9個字節(jié)組成，第0 和第1個字節(jié)存放二字節(jié)補碼形式的溫度值。當(dāng)有溫度轉(zhuǎn)換命令時，溫度值被轉(zhuǎn)換成補碼并保存在第0 和第1 字節(jié)中。單片機可以通過與DS18B20的單線接口讀取數(shù)據(jù)，讀取順序為先讀取低位，后讀取高位。溫度計算方法依據(jù)符號位信息有所不同：當(dāng)符號位S＝0時，二進(jìn)制位被轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)S＝1時，補碼首先被轉(zhuǎn)換成原始碼，然后計算十進(jìn)制值。具體數(shù)據(jù)實例如表1所示。

表1 溫度值的二、十六進(jìn)制轉(zhuǎn)化Tab.1 Binary and hexadecimal conversion of temperature values

2.2 NS-THI 稱重傳感器

NS-THI 稱重傳感器通過AD574 A/D 轉(zhuǎn)換器與AT89S52 單片機輸入接口連接。選用額定載荷30 kg的NS-TH1 稱重傳感器，傳感器材質(zhì)為合金鋼，防護(hù)等級IP65，配備標(biāo)準(zhǔn)變送器模塊，構(gòu)成通常包含組合式S型梁結(jié)構(gòu)及金屬箔式應(yīng)變計。要求傳感器具有過載保護(hù)裝置，工作性能穩(wěn)定。測量精度及輸出靈敏度2.0+0.002 mV/V，溫度特性符合課題要求，工作溫度范圍-25～70℃，工作電壓5～12 V。

2.3 AD574A/D 轉(zhuǎn)換器

AD574A/D 轉(zhuǎn)換器是一種并行12 位逐次比較型A/D 轉(zhuǎn)換器，可直接與各種微處理器連接，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換芯片，功耗低，無須附加邏輯接口電路，可與TTL 及CMOS 電平兼容。內(nèi)部設(shè)置高精度參考電壓源和時鐘電路，只需外接少量的阻容件就能實現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換功能，可以進(jìn)行自動極性轉(zhuǎn)換和自動校零。AD574 A/D 轉(zhuǎn)換器電源電壓：±15 V 和15 V；轉(zhuǎn)換速率：25 μs；數(shù)據(jù)輸出格式：12 位/8 位；模擬電壓輸入范圍有4種：0～10 V，0～20 V，0～±5 V，0～±10 V。

2.4 TC35i GSM模塊

AT89S52 單片機的輸出接口分別連接汽車車窗控制端和報警控制器，單片機通過TC35i GSM模塊與車主手機進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[7-8]。TC35i GSM 目前應(yīng)用廣泛，在協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)下能提供語音、中、英文短信、傳真等數(shù)據(jù)的傳送，使用者可根據(jù)需要完成電路的設(shè)計；模塊在功能和使用方法上差異不大，通常采用雙頻段（GSM900 和GSM1800）工作[9]。模塊電源電壓：直流（DC）3.3～4.8 V，當(dāng)電壓低于3.3 V時自動關(guān)機；最大電流2.5 A，休眠時電流3.5 mA，發(fā)射時平均電流300 mA，空閑狀態(tài)時電流為25 mA；頻段在EGSM900 （4類） 功耗為2 W，頻段在GSM1800（1類）功耗為1 W[10]；TC35i 預(yù)留外接天線接口，通過讀卡器與外置SIM 卡建立通訊，SIM 工作電壓為直流（DC）3 V/1.8 V。TC35i可以外接鋰電池，通過外接負(fù)溫度系數(shù)電阻NTC 對鋰電池充電進(jìn)行保護(hù)。TC35i通過AT 命令可以在數(shù)據(jù)接口上雙向發(fā)送指令和數(shù)據(jù)，可選波特率為300 b/s～115 kb/s。自動波特率為1.2 kb/s～115 kb/s；重啟和故障恢復(fù)時可以采用關(guān)斷信號實現(xiàn)，也可采用AT 命令實現(xiàn)。TC35i模塊具體調(diào)試過程如圖3所示。

圖3 TC35i模塊通訊的調(diào)試過程Fig.3 Debugging process of TC35i module communication

2.5 AT89S52 單片機

AT89S52 單片機是CMOS 8 位單片機，功耗低、性能高，內(nèi)含8 位中央處理器在系統(tǒng)可反復(fù)擦寫1000次的Flash 存儲單元，多應(yīng)用于嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)[11]。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8 kB 在系統(tǒng)可編寫Flash 存儲器，256 B RAM，三級加密程序存儲器，32個可編程I/O 口線，3個16 位定時器/計數(shù)器，8個中斷源，全雙工串行口，掉電后中斷可喚醒，掉電標(biāo)識符，雙數(shù)據(jù)指針，看門狗定時器，單片機內(nèi)有晶振和時鐘電路。AT89S52可進(jìn)行0 Hz～33 Hz 全靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式[12]。在低功耗空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作；在掉電保護(hù)模式下，保存RAM 內(nèi)容，凍結(jié)振蕩器，單片機停止所有工作，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。

圖4 裝置的I/O端口部分原理圖Fig.4 Schematic of the I/O port part of the device

圖5 裝置的單片機控制TC35i模塊部分原理圖Fig.5 Device SCM control TC35i module part of the circuit diagram

3 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)以AT89S52 單片機作為控制器，DS18B20環(huán)境溫度傳感器、NS-TH1 稱重傳感器作為輸入信號，DS18B20 環(huán)境溫度傳感器實時采集車內(nèi)溫度信號，以此作為降車窗、報警條件之一，NS-TH1 稱重傳感器采集的壓力信號要進(jìn)行運算放大器放大，再進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，然后輸入單片機處理并以此作為是否有兒童遺留座椅上的判定條件。當(dāng)條件滿足控制過程流程圖所示的各種不同情況時，單片機發(fā)出控制信號控制執(zhí)行器電機下降，報警器報警并通過TC35i GSM模塊向指定手機發(fā)送緊急信息。

4 結(jié)語

對于媒體多次報道在炎炎夏日個別家長因一時疏忽將兒童遺忘在密閉的車內(nèi)造成的慘劇，令人觸目驚心。針對汽車報警技術(shù)領(lǐng)域，基于AT89S52單片機的汽車報警裝置研究，利用DS18B20 環(huán)境溫度傳感器、NS-THI 稱重傳感器、AD574 A/D 轉(zhuǎn)換器、報警控制器及TC35i GSM模塊組成的新型汽車報警電路，當(dāng)兒童被遺忘車內(nèi)時，不僅能夠自動報警引起周圍人群的注意，并與車主手機進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，同時調(diào)整車窗高度通風(fēng)，降溫，為兒童的營救爭取時間。

以上僅是課題汽車報警裝置的優(yōu)選實施方式，已經(jīng)申請實用新型專利，專利號：201520764699.9。