基于單片機(jī)防兒童車內(nèi)窒息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

董梅，陳武發(fā)，李國(guó)謙

（惠州經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東惠州，516007）

0 引言

近年來，兒童由于被遺忘于車內(nèi)而造成受傷害、死亡的案例時(shí)有發(fā)生，非常令人心痛。自2017年以來，國(guó)內(nèi)媒體共有35起相關(guān)事故報(bào)道，通過事故分析發(fā)現(xiàn)，事故多發(fā)生于5-7月等高溫月份，兒童遺忘于私家車內(nèi)死亡率為41%，而兒童遺忘于校車內(nèi)死亡率為100%[1]。v絕大多數(shù)兒童車內(nèi)死亡主要原因?yàn)椤盁嵘洳　?，除了“熱射病”之外，還有窒息和甲醛中毒等傷害。因此，設(shè)計(jì)一款能夠監(jiān)測(cè)車內(nèi)是否有兒童滯留，能發(fā)出兒童滯留車內(nèi)警報(bào)，并且能聯(lián)動(dòng)相關(guān)機(jī)構(gòu)動(dòng)作的系統(tǒng)，對(duì)保障兒童生命安全有著重要意義[2]。

目前，針對(duì)兒童滯留車內(nèi)的安全問題研究方案主要有：彭育強(qiáng)[3]等設(shè)計(jì)了一款語(yǔ)音監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)信號(hào)與事先錄入的語(yǔ)音信息對(duì)比，通過GSM模塊發(fā)送報(bào)警信息。李芯怡[4]等設(shè)計(jì)了溫度監(jiān)測(cè)、人體紅外監(jiān)測(cè)與語(yǔ)音識(shí)別三級(jí)信號(hào)單向遞進(jìn)識(shí)別，觸發(fā)GSM 報(bào)警的系統(tǒng)。黃晶晶【5】等設(shè)計(jì)了通過車門鎖傳感器、紅外線報(bào)警器和壓敏坐墊探測(cè)信號(hào)從而控制聲光報(bào)警器和車窗升降器的裝置。文強(qiáng)[6]等設(shè)計(jì)了一款基于人臉識(shí)別技術(shù)的防兒童被鎖系統(tǒng)。綜上所述，基于多種傳感器和遠(yuǎn)程報(bào)警的研究是解決兒童車內(nèi)窒息安全問題研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種基于溫度和人體紅外雙重信號(hào)監(jiān)測(cè)兒童是否滯留車內(nèi)，并通過移動(dòng)通信模塊和聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，實(shí)施自救和他救，從而實(shí)現(xiàn)防止兒童因滯留車內(nèi)而窒息的功能。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)以單片機(jī)為主控制器，搭載溫度監(jiān)測(cè)模塊與人體紅外監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)行車內(nèi)監(jiān)測(cè)，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到人體特征且車內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定閾值，觸發(fā)執(zhí)行裝置，啟動(dòng)車窗控制器降下車窗、接通喇叭電子開關(guān)鳴笛、亮起危險(xiǎn)警示燈從而引起過往行人注意，同時(shí)通過移動(dòng)終端控制模塊向系統(tǒng)關(guān)聯(lián)手機(jī)終端發(fā)送報(bào)警信息。車主接到報(bào)警信息后，可通過網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控器查看車內(nèi)狀況，通過聲音模塊與車內(nèi)兒童對(duì)話，也可以發(fā)出指令控制車窗、車燈及喇叭動(dòng)作，還能解除誤報(bào)警信息復(fù)位系統(tǒng)，或采取有效救治行為。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器電路設(shè)計(jì)

主控制器選擇STC89C52RC單片機(jī)，它是一款高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的51內(nèi)核的CMOS 8位單片機(jī)，指令系統(tǒng)兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8～12倍，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，具有在線編程功能，使用簡(jiǎn)單且價(jià)格低廉，其控制方式對(duì)新手特別友好，主控模塊電路原理如圖2所示。

圖2 主控制器電路原理圖

2.2 信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 人體紅外模塊

人體紅外模塊選用可應(yīng)用于各種單片機(jī)控制器上的紅外熱釋電運(yùn)動(dòng)傳感器，該傳感器采用集成人體熱釋電紅外探頭AM412，該探頭將數(shù)字智能控制電路與人體探測(cè)敏感元都集成在電磁屏蔽罩內(nèi)。該模塊尺寸僅有30mm×22mm；輸入電壓為3.3～5V，最大6V，工作電流為15μA；輸出電壓為高電平3V，低電平0V；輸出延遲時(shí)間（高電平）為2.3～3s左右；感應(yīng)角度為100°；感應(yīng)距離為7米。具有體積小、可靠性高、功耗低、與單片機(jī)連接簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)到運(yùn)動(dòng)的生命體時(shí)，在輸出引腳會(huì)輸出高電平（3V），同時(shí)輸出指示燈點(diǎn)亮，當(dāng)監(jiān)測(cè)到紅外熱釋電信號(hào)消失時(shí)，延遲2.3～3s后，輸出低電平（0V），輸出指示燈熄滅。但是，該類型傳感器在探測(cè)過程存在一些缺點(diǎn)，如易受各種熱源或光源干擾，被動(dòng)紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，環(huán)境溫度和人體溫度接近時(shí)，探測(cè)和靈敏度明顯下降等。

2.2.2 溫度模塊

溫度模塊采用常見的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，該傳感器可在各種單片機(jī)控制器上應(yīng)用，供電電壓為3～5.5V，尺寸僅有10.6mm×27.5mm，具有體積小，抗干擾能力強(qiáng)，精度高、接線方便等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 聯(lián)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

2.3.1 車窗門鎖控制模塊

車窗門鎖控制均需要借用車身自有的電子開關(guān)，車窗控制模塊選用HK4100F-DC5V-SHG繼電器，四個(gè)繼電器配合工作可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，分別對(duì)前后左右四個(gè)車窗玻璃升降器電機(jī)進(jìn)行控制，其電路工作原理如圖3所示。

圖3 車窗控制模塊工作原理

2.3.2 車燈及喇叭控制模塊

選用9012型PNP三極管作為自動(dòng)控制開關(guān)，接收單片機(jī)發(fā)出的指令，控制車燈及喇叭的動(dòng)作，工作原理圖如圖4所示。

圖4 車燈及喇叭控制模塊電路原理圖

2.3.3 移動(dòng)終端控制模塊

移動(dòng)終端選用移遠(yuǎn)EC20或者中移動(dòng)的4G模組，4G模組搭載SIM卡通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與手機(jī)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，只需要用單片機(jī)控制4G模組即可實(shí)現(xiàn)和手機(jī)的遠(yuǎn)程通訊。單片機(jī)與4G模組通信接口為UART串口，使用AT指令來配置工作模式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透?jìng)?。移?dòng)終端的組成架構(gòu)如圖5所示。

圖5 移動(dòng)終端架構(gòu)圖

2.4 硬件電路制作

使用Altium Designer軟件進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)，采用單面走線方案。電源、溫度采集模塊、人體紅外模塊、聲音模塊、移動(dòng)4G模組均采用外接電路，車窗控制模塊用直流電機(jī)模擬進(jìn)行控制，車燈控制模塊采用發(fā)光二極管進(jìn)行模擬控制，硬件效果如圖6所示。

圖6 硬件電路實(shí)物

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言進(jìn)行結(jié)構(gòu)化編程，流程圖詳見圖7。系統(tǒng)上電初始化，在駐車狀態(tài)下，沒有移動(dòng)終端中斷信號(hào)請(qǐng)求時(shí)，執(zhí)行車窗門鎖信號(hào)、人體信號(hào)及溫度信號(hào)的檢測(cè)與判斷，通過三重信號(hào)與邏輯判斷減少系統(tǒng)的誤報(bào)，提高系統(tǒng)動(dòng)作的準(zhǔn)確率。若車窗門鎖關(guān)閉、檢測(cè)到人體信號(hào)且車內(nèi)溫度高于設(shè)定閾值，聯(lián)動(dòng)車窗降下、門鎖打開、車燈亮閃、喇叭鳴笛動(dòng)作，同時(shí)通過移動(dòng)通信4G模塊向移動(dòng)終端發(fā)送信息。移動(dòng)終端安裝有網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)控制軟件，可以主動(dòng)或被動(dòng)發(fā)出指令控制車窗、門鎖、車燈、喇叭、攝像機(jī)等機(jī)構(gòu)，還可以通過視頻信號(hào)以及攝像機(jī)內(nèi)置的拾音器與車內(nèi)人員進(jìn)行會(huì)話，從而確認(rèn)車內(nèi)真實(shí)情況，進(jìn)而根據(jù)真實(shí)情況采取最有效的營(yíng)救措施或終止程序。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

4 測(cè)試與結(jié)果

系統(tǒng)模擬測(cè)試環(huán)境為密閉的紙盒，測(cè)試情況如表1所示。測(cè)試結(jié)果說明該系統(tǒng)模擬運(yùn)行正常，駐車狀態(tài)下，車內(nèi)溫度過高且車內(nèi)有人員滯留的情況下能準(zhǔn)確報(bào)警，并能通過4G模組向手機(jī)終端發(fā)送信息，可有效避免由于兒童滯留車內(nèi)而受到傷害或引發(fā)窒息的悲劇。

表1 測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種防兒童車內(nèi)窒息的系統(tǒng)，系統(tǒng)利用溫度監(jiān)測(cè)模塊和人體紅外探測(cè)模塊共同進(jìn)行車內(nèi)是否有兒童滯留的情況監(jiān)測(cè)，當(dāng)該兩個(gè)信號(hào)并存時(shí)，直接聯(lián)動(dòng)車窗下降、車燈亮閃、喇叭鳴笛，進(jìn)行自救和引起他救，為搶救生命贏得了寶貴的時(shí)間。同時(shí)系統(tǒng)能夠通過移動(dòng)通信4G模塊向手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息，手機(jī)能通過網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控器調(diào)取車內(nèi)監(jiān)控，并能與車內(nèi)兒童進(jìn)行語(yǔ)音通話，能實(shí)時(shí)掌握車內(nèi)狀況。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，各監(jiān)測(cè)模塊體積小、連線簡(jiǎn)單、便于調(diào)試與更換，不需要對(duì)車身原有電子線路進(jìn)行較大改裝；該系統(tǒng)的改進(jìn)方向是移動(dòng)通信采用移動(dòng)流量方案，需要注意流量資費(fèi)，可考慮使用物聯(lián)網(wǎng)解決方案。