一種車(chē)內(nèi)滯留兒童應(yīng)急脫險(xiǎn)裝置的設(shè)計(jì)

梁雨石 朱 冬 孫雪蓮 劉國(guó)凱 張 峰 梁欣欣

（東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

隨著汽車(chē)普及率的不斷提高，兒童被遺忘在車(chē)內(nèi)的案例逐年增多。兒童在密閉轎廂內(nèi)不停喊叫、掙扎，氧氣會(huì)很快就被耗盡[1]。高溫天氣時(shí)車(chē)廂內(nèi)溫度可達(dá)65 ℃，30 min就足以使兒童死亡。

呂緒浩等[2]設(shè)計(jì)了1種兒童滯留車(chē)內(nèi)防護(hù)系統(tǒng)，通過(guò)人臉檢測(cè)判斷車(chē)內(nèi)是否有兒童，利用溫度傳感器觸發(fā)聲光報(bào)警，實(shí)現(xiàn)對(duì)被困兒童的救援。劉婧等[3]設(shè)計(jì)的兒童滯留車(chē)內(nèi)安全系統(tǒng)通過(guò)微波人體感應(yīng)器判斷車(chē)內(nèi)是否有人。上述裝置須在汽車(chē)熄火后長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)，會(huì)消耗汽車(chē)蓄電池的電能，增大車(chē)輛使用成本；且上述裝置的人體檢測(cè)信號(hào)單一，不報(bào)警或者誤報(bào)警的可能性較大。

該文設(shè)計(jì)了1種有多種檢測(cè)信號(hào)的應(yīng)急脫險(xiǎn)裝置，能降低不報(bào)警或誤報(bào)警的可能性，提高裝置可靠性和準(zhǔn)確性。

1 裝置的基本功能與組成

脫險(xiǎn)裝置應(yīng)該具備以下基本功能：1） 能夠通過(guò)檢測(cè)與兒童相關(guān)的參數(shù)，完成對(duì)車(chē)內(nèi)是否有兒童存在的正確判斷。2） 可根據(jù)車(chē)內(nèi)檢測(cè)結(jié)果自行采取不同的應(yīng)對(duì)措施，同時(shí)保障車(chē)輛和兒童雙方的安全。3） 在有兒童滯留車(chē)內(nèi)的情況下，可以及時(shí)向相關(guān)人員發(fā)出警示信息。4） 裝置在持續(xù)工作的同時(shí)不增加車(chē)輛蓄電池的負(fù)擔(dān)。

基于以上要求，應(yīng)急脫險(xiǎn)裝置由5個(gè)單元組成，分別為人員檢測(cè)單元、控制單元、報(bào)警單元、脫險(xiǎn)執(zhí)行單元和供電單元。

1.1 人員檢測(cè)單元

人員檢測(cè)單元由HC-SR501紅外人體感應(yīng)模塊、信號(hào)調(diào)理板和AAY80-390R氧濃度傳感器組成。

正常情況下人體溫度一般維持在36.5 ℃左右，會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)10 μm左右的紅外線，HC-SR501紅外人體感應(yīng)模塊上的被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)人體發(fā)射的10 μm左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10 μm左右的紅外線通過(guò)菲泥爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)[4]。人進(jìn)入HCSR501人體紅外感應(yīng)模塊的感應(yīng)范圍后，其“OUT”引腳輸出高電平，人離開(kāi)感應(yīng)范圍，該模塊的“OUT”引腳將自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平。

當(dāng)裝置中只有1個(gè)紅外人體檢測(cè)模塊時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)警的情況，為了避免這種情況的發(fā)生，該裝置相對(duì)于其他裝置增加了1個(gè)氧濃度傳感器，以提高裝置的檢測(cè)可靠性。

空氣中的正常氧含量為21%，當(dāng)氧含量不足時(shí)，會(huì)導(dǎo)致人們窒息。當(dāng)氧含量為12%至15%時(shí)，人會(huì)出現(xiàn)頭痛、頭暈和疲勞等癥狀。當(dāng)氧含量低于13%時(shí)，將發(fā)生缺氧和窒息的危機(jī)，并且在嚴(yán)重的情況下將會(huì)導(dǎo)致死亡[5]。AAY80-390R氧濃度傳感器則可以實(shí)時(shí)監(jiān)控車(chē)內(nèi)氧氣濃度，將模擬信號(hào)輸出給控制單元，在濃度降低到對(duì)車(chē)內(nèi)兒童產(chǎn)生威脅時(shí)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元降下車(chē)窗，解救滯留兒童，進(jìn)一步提高裝置的精度和安全性，AAY80-390R產(chǎn)品參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 AAY80-390R氧濃度傳感器參數(shù)

1.2 控制單元

控制單元采用基于ATmega328P的Arduino開(kāi)發(fā)板[6]，如圖1所示。它有14個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳（其中6個(gè)可用于PWM輸出）、6個(gè)模擬輸入引腳、1個(gè)16 MHz的晶體振蕩器、1個(gè)USB接口、1個(gè)DC接口、1個(gè)ICSP接口和1個(gè)復(fù)位按鈕，足可以滿足裝置使用要求。

紅外人體傳感模塊的輸出引腳接在開(kāi)發(fā)板的任意一個(gè)數(shù)字輸入引腳上，GND引腳接在開(kāi)發(fā)板的接地引腳，VCC引腳接在開(kāi)發(fā)板的+5 V引腳。氧濃度傳感器的輸出引腳接在開(kāi)發(fā)板的任意一個(gè)模擬輸入引腳上，完成人體檢測(cè)單元和控制單元的連接再由控制單元控制報(bào)警單元和脫險(xiǎn)執(zhí)行單元。

圖1 Arduino UNO開(kāi)發(fā)板

1.3 報(bào)警單元

在裝置檢測(cè)到車(chē)內(nèi)存在滯留兒童時(shí)，需要對(duì)外界報(bào)警，使兒童能夠及時(shí)得到救援。由于考慮到停車(chē)地點(diǎn)和時(shí)間的多變性以及救援人員的不確定性，因此設(shè)計(jì)了2個(gè)報(bào)警模塊：蜂鳴報(bào)警模塊和短信報(bào)警模塊。蜂鳴器報(bào)警模塊的執(zhí)行由有源蜂鳴器模塊完成。蜂鳴器模塊有3個(gè)管腳，其中標(biāo)注“-”的管腳接地（GND），中間的管腳接在開(kāi)發(fā)板+5 V的引腳，標(biāo)注“S”的管腳接任意數(shù)字輸入引腳。蜂鳴器報(bào)警模塊在收到中央控制單元的指令后可以發(fā)出蜂鳴信號(hào)提醒周邊行人車(chē)內(nèi)有緊急情況，由行人提供快速救援。短信報(bào)警模塊的通信部分采用SIMCOM公司的SIM900A模塊實(shí)現(xiàn)[7]，如圖2所示，SIM900A模塊采用GPRS的通信方式，GPRS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和打電話可以同時(shí)進(jìn)行，使移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的功能得到進(jìn)一步提升[8]。SIM900A模塊與Arduino UNO的引腳連接情況見(jiàn)表2。

表2 SIM900A模塊與Arduino UNO的引腳連接情況

Arduino UNO開(kāi)發(fā)板可以通過(guò)串口控制SIM900A模塊向指定電話號(hào)碼發(fā)送短信或者撥打電話以達(dá)到向車(chē)主報(bào)警的目的。

1.4 脫險(xiǎn)執(zhí)行單元

為了能夠讓車(chē)內(nèi)滯留兒童得到及時(shí)的救援，在該裝置中還設(shè)計(jì)了1個(gè)主動(dòng)的脫險(xiǎn)執(zhí)行單元。脫險(xiǎn)執(zhí)行單元包括Arduino AFMotor 電機(jī)擴(kuò)展板、外加12 V電源和12 V直流電機(jī)。Arduino AFMotor 電機(jī)擴(kuò)展板可以最多驅(qū)動(dòng)4個(gè)直流電機(jī)，分別控制汽車(chē)前后4個(gè)車(chē)窗的開(kāi)啟和關(guān)閉[9]。由于Arduino UNO開(kāi)發(fā)板所能提供的最大電壓為5 V，所以外加了1個(gè)12 V的電源來(lái)給直流電機(jī)供電。完成電路連接后，中央控制單元可以通過(guò)Arduino UNO開(kāi)發(fā)板的PWM接口控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，從而控制車(chē)窗升降。

圖2 SIM900A模塊

1.5 供電單元

供電單元由車(chē)載小型風(fēng)力發(fā)電裝置、穩(wěn)壓模塊和蓄電池組成。車(chē)載小型風(fēng)力發(fā)電裝置可以俘獲車(chē)輛行駛過(guò)程中產(chǎn)生的風(fēng)能，通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)將之轉(zhuǎn)化為電能。通過(guò)軸承、支撐座及端蓋將發(fā)電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子連接組裝起來(lái)，使轉(zhuǎn)子能在定子中旋轉(zhuǎn)，車(chē)輛行駛時(shí)空氣相對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生的風(fēng)能帶動(dòng)風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；使轉(zhuǎn)子成為1個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，定子線圈在做切割磁力線的運(yùn)動(dòng)的同時(shí)產(chǎn)生了感應(yīng)電勢(shì)，通過(guò)接線端子引出，接在回路中就產(chǎn)生了電流，供電單元工作流程如圖3所示。

圖3 供電單元工作流程圖

該文對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)按旋轉(zhuǎn)軸分類(lèi)，可以分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。其中水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)最為常見(jiàn)，對(duì)風(fēng)能的利用率也最高，但是占用的空間大，并不適合汽車(chē)上使用。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有占用空間小、可多角度受風(fēng)、啟動(dòng)風(fēng)速小以及維修保養(yǎng)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，所以該裝置設(shè)計(jì)采用垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。扇葉的工況是在戶外，需要有一定的抗氧化性能和抗腐蝕性能。鋁合金材質(zhì)的扇葉具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高以及耐腐蝕等特點(diǎn)，既不會(huì)過(guò)多增加車(chē)輛的負(fù)擔(dān)，又能保證在強(qiáng)大的風(fēng)力的影響下不會(huì)發(fā)生變形，因此選擇鋁合金材質(zhì)的扇葉。

由于風(fēng)力發(fā)電的電壓不夠穩(wěn)定，因此要先通過(guò)穩(wěn)壓模塊進(jìn)行穩(wěn)壓后輸入蓄電池中儲(chǔ)存，同時(shí)為了防止蓄電池過(guò)度充電損耗蓄電池壽命，設(shè)置防過(guò)充保護(hù)裝置。保護(hù)裝置采用STC89C52RC單片機(jī)作為控制芯片。STC89C52RC/RD+系列單片機(jī)是STC推出的新一代高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，能夠提高控制器的處理速度，減少工作狀態(tài)下的電量消耗，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。為了方便使用，單片機(jī)最小系統(tǒng)采用了12M晶振。電流首先經(jīng)過(guò)變壓器降壓，然后通過(guò)整流濾波電路得到直流電，接著再通過(guò)7805穩(wěn)壓器獲得5 V直流電，為蓄電池供電。電源模塊設(shè)計(jì)LED指示燈，綠色時(shí)為正常工作狀態(tài)，方便電路檢查。通過(guò)電流穩(wěn)壓器進(jìn)行穩(wěn)壓后的電流流經(jīng)霍爾電流傳感器，通過(guò)霍爾電流傳感器來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)充電電流，反饋信息給單片機(jī)處理。當(dāng)檢測(cè)到蓄電池充滿后，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)，繼電器斷電。

利用風(fēng)能轉(zhuǎn)化得到的電能就儲(chǔ)存在蓄電池中，再由其為應(yīng)急脫險(xiǎn)裝置供電。

2 應(yīng)急脫險(xiǎn)裝置工作過(guò)程

2.1 工作流程

整個(gè)裝置的工作流程圖如圖4所示，在車(chē)輛熄火、門(mén)鎖上鎖后整個(gè)裝置開(kāi)始工作。中央控制單元會(huì)首先采集紅外人體檢測(cè)模塊的輸出信號(hào)；與此同時(shí)，氧濃度傳感器時(shí)刻監(jiān)控著車(chē)內(nèi)的氧氣濃度，實(shí)時(shí)將檢測(cè)到的氧氣濃度數(shù)據(jù)發(fā)送給中央控制單元。當(dāng)2個(gè)裝置同時(shí)檢測(cè)到兒童的存在時(shí)，就會(huì)輸出信號(hào)給Arduino UNO開(kāi)發(fā)板，開(kāi)發(fā)板通過(guò)串口給SIM900A模塊發(fā)送指令，由SIM900A模塊給預(yù)先設(shè)定的聯(lián)系人發(fā)送短信或是撥打電話。在SIM900A模塊工作的同時(shí)，蜂鳴器報(bào)警模塊開(kāi)始工作，發(fā)出刺耳的蜂鳴聲，提醒周?chē)腥塑?chē)內(nèi)有滯留兒童。

控制單元控制脫險(xiǎn)執(zhí)行單元生效，由電機(jī)擴(kuò)展版驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)降下車(chē)窗，以達(dá)到對(duì)車(chē)內(nèi)滯留兒童實(shí)施救援的目的。

2.2 執(zhí)行程序

裝置的執(zhí)行程序都是在Arduino IDE上編寫(xiě)完成的，包括紅外人體感應(yīng)模塊控制程序、氧濃度傳感器控制程序、無(wú)線通信控制程序、脫險(xiǎn)執(zhí)行單元控制程序和整體邏輯控制程序。由于篇幅有限，因此只介紹紅外人體感應(yīng)模塊控制程序。

圖4 應(yīng)急脫險(xiǎn)裝置工作流程圖

紅外人體感應(yīng)模塊控制程序如下。

通過(guò)該程序?qū)σ_進(jìn)行初始化設(shè)置，在模塊感應(yīng)到人時(shí)輸出高電平，無(wú)人時(shí)保持低電平，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外人體感應(yīng)模塊的控制，將有人或無(wú)人的信息作為輸入發(fā)送給控制單元。

3 結(jié)語(yǔ)

該裝置采用自帶供電單元供電及汽車(chē)蓄電池供電兩種方法保證裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性，同時(shí)減少了運(yùn)行成本。該裝置具有紅外人體檢測(cè)和氧濃度檢測(cè)2種檢測(cè)功能，可以大幅度提高車(chē)內(nèi)滯留兒童檢測(cè)的準(zhǔn)確性。當(dāng)該裝置檢測(cè)到滯留兒童遇到危險(xiǎn)時(shí)，首先通過(guò)報(bào)警模塊通知車(chē)主，與此同時(shí)，在車(chē)內(nèi)的情況已經(jīng)對(duì)兒童的生命安全產(chǎn)生威脅時(shí)進(jìn)行主動(dòng)救援，防止悲劇發(fā)生。