太陽能車載乘客監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)開發(fā)

楊均悅,楊藝璇,袁喆

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)①

據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)，2019年全國機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.48億輛，汽車保有量達(dá)2.6億輛，小型載客汽車保有量達(dá)2.2億輛，其中，私家車(私人小微型載客汽車)保有量達(dá)2.07億輛；機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)诉_(dá)4.35億人，其中汽車駕駛?cè)?.97億人.機(jī)動(dòng)車及駕駛?cè)藬?shù)量迅速增長，給人們生活帶來便捷的同時(shí)，也帶來不容忽視的行車安全隱患.在各類行車事故的報(bào)道里，多起事故是因?yàn)檐囍鲗櫸锘騼和z忘在車內(nèi)導(dǎo)致悲劇發(fā)生，其中不僅有私家車，校車也有發(fā)生過這樣的事故.很多人對(duì)夏天封閉車內(nèi)的高溫危險(xiǎn)并不清楚，尤其是兒童的身體狀況對(duì)這樣的高溫更是難以抵抗，在同樣的溫度情況下，兒童面臨的危險(xiǎn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于成年人.研究發(fā)現(xiàn)，在外界溫度達(dá)到35℃時(shí)，封閉的汽車內(nèi)溫度將迅速升高，十幾分鐘后車內(nèi)的溫度就會(huì)達(dá)到65℃，而人在這樣的溫度下，30 min就會(huì)失去生命.

因此,本文提出一種太陽能車載乘客監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)，其能有效感應(yīng)車內(nèi)是否有生命體存在以及車內(nèi)溫度，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并采取降溫措施，避免事故發(fā)生.同事太陽能的蓄電方式，更加清潔環(huán)保，為城市環(huán)境減少一份負(fù)擔(dān)，保障行車安全的同時(shí)，還有很好的市場推廣價(jià)值.

1 系統(tǒng)功能要求

設(shè)計(jì)的總體思路是系統(tǒng)可以在危險(xiǎn)情況發(fā)生時(shí)做出報(bào)警提示功能，報(bào)警功能要求有兩個(gè)方面：一是要讓離開的駕駛員得到報(bào)警信號(hào)，二是讓行人得知報(bào)警信息.據(jù)此可設(shè)計(jì)出如圖1所示的系統(tǒng)功能要求.

圖1 系統(tǒng)總體框圖

如圖1所示，系統(tǒng)功能運(yùn)行過程為，通過人體傳感器，分別檢測(cè)車內(nèi)駕駛位與乘客位的人體信號(hào)：若駕駛位無人而乘客位有人時(shí)，進(jìn)入一級(jí)報(bào)警狀態(tài)，向駕駛員手機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，提醒駕駛員返回，同時(shí)檢測(cè)車內(nèi)溫度；若車內(nèi)溫度達(dá)到40℃以上，則進(jìn)入二級(jí)報(bào)警狀態(tài)， 啟動(dòng)聲光報(bào)警系統(tǒng)， 報(bào)警燈閃爍并發(fā)出蜂鳴聲，提醒路過行人，同時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急風(fēng)扇，進(jìn)行暫時(shí)的物理降溫，給救援爭取時(shí)間.系統(tǒng)的功能流程圖如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)的功能流程圖

2 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)的硬件組成主要由輸入模塊與輸出模塊兩大部分構(gòu)成，其中輸入模塊包括：電源電路、晶振復(fù)位模塊、人體感應(yīng)模塊、溫度感應(yīng)模塊、按鍵模塊；輸出模塊包括指示燈模塊、數(shù)碼管顯示模塊、風(fēng)扇電機(jī)模塊、報(bào)警模塊，以及無線接收模塊.系統(tǒng)硬件總體框圖如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)總體框圖

(1)太陽能電壓源

系統(tǒng)的供電模塊采用DC12V太陽能電壓源，并為單片機(jī)、傳感器等其他元器件進(jìn)行供電，不依賴與車內(nèi)電源系統(tǒng)，搭配電池可以實(shí)現(xiàn)充電功能.

(2)單片機(jī)控制器

單片機(jī)的選擇，首先考慮要滿足系統(tǒng)功能控制需求，I/O口的數(shù)量要有足夠裕量；其次，溫控風(fēng)扇電機(jī)部分的方式是通過PWM來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，由于PWM是通過調(diào)節(jié)占空比來改變電機(jī)兩端的電壓從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速目的，所以選擇的單片機(jī)要有計(jì)數(shù)器和定時(shí)器的功能[1].考慮系統(tǒng)使用過程中可能出現(xiàn)的突發(fā)情況，單片機(jī)要具備中斷的功能.該系統(tǒng)是車載設(shè)備，在成本上要盡量控制，價(jià)格方面選擇滿足功能要求的低價(jià)產(chǎn)品.在使用操作上，如STM32單片機(jī)是32位的嵌入式單片機(jī)，本系統(tǒng)的功能要求比較簡單，不需要使用編程復(fù)雜的單片機(jī)，會(huì)增加編程難度.STC89C52單片機(jī)足夠滿足該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，且編程容易.綜合以上整體考慮因素，選擇了價(jià)格便宜、有定時(shí)中斷功能、編程簡單容易的89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器[2].

(3)人體感應(yīng)模塊

本系統(tǒng)選用HC-SR501紅外技術(shù)自動(dòng)控制模塊進(jìn)行人體感應(yīng)，感應(yīng)模塊的探頭采用LHI778 的探頭設(shè)計(jì)，是德國設(shè)計(jì)技術(shù)，HC-SR501在探測(cè)時(shí)感應(yīng)靈敏，在很低的電壓模式下依然可以進(jìn)行探測(cè)，是可靠的人體探測(cè)傳感器，在很多自動(dòng)化的電氣設(shè)備里被選擇使用[3-4].直流工作電壓范圍在4.5～20 V之間的直流電壓，輸出方式為高電平3.3 V或者低電平0 V，滿足整體電路的電壓需求.通過感應(yīng)透鏡擴(kuò)大感應(yīng)范圍，感應(yīng)角度小于100°錐角，覆蓋后座乘客范圍.采用兩個(gè)HC-SR501感應(yīng)模塊，分別感應(yīng)駕駛員和乘客，通過單片機(jī)判斷兩個(gè)輸入信號(hào)的情況，發(fā)出報(bào)警信號(hào)[5].

(4)溫度感應(yīng)模塊

在太陽能車載乘客監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)中，溫度感應(yīng)模塊選用了DS18B20，它是一款單線溫度傳感器，傳感器探測(cè)到環(huán)境溫度后，可以把探測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送微處理器進(jìn)行處理，在單片機(jī)到溫度傳感器的數(shù)據(jù)傳輸上，只通過一個(gè)接口就可以完成[6].該傳感器在測(cè)量范圍上是完全滿足太陽能車載乘客監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)的要求，范圍可以達(dá)到-55～+125℃，精度也足夠，DS18B20在-10～+85℃時(shí)精度可以達(dá)到±0.5℃.

(5)風(fēng)扇電機(jī)模塊

風(fēng)扇電機(jī)模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)無駕駛員，車內(nèi)鎖有乘客的情況下，啟動(dòng)直流風(fēng)扇電機(jī)，給乘客一個(gè)保護(hù)的作用，為救援贏得時(shí)間.在風(fēng)扇控制部分設(shè)計(jì)了兩個(gè)擋位，根據(jù)溫度傳感器測(cè)到的溫度值，自動(dòng)調(diào)整風(fēng)扇風(fēng)力大小.直流電機(jī)風(fēng)扇部分選擇使用PWM來控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)輸出信號(hào)后，經(jīng)過三極管電路進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制實(shí)現(xiàn)大小不同的轉(zhuǎn)速[7-8].

(6)報(bào)警模塊

報(bào)警模塊采用報(bào)警燈和報(bào)警器兩種報(bào)警器件，其作用為在人體感應(yīng)傳感器檢測(cè)到駕駛位無人，乘客位有人，且溫度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)的情況下，報(bào)警燈進(jìn)行閃爍報(bào)警，報(bào)警蜂鳴器發(fā)出求救聲響.這樣的功能設(shè)計(jì)是為了防止駕駛員有特殊情況需要暫時(shí)離開駕駛座，報(bào)警系統(tǒng)如果發(fā)出警報(bào)聲光，會(huì)影響到周圍環(huán)境，此時(shí)只啟動(dòng)一級(jí)報(bào)警，給駕駛員發(fā)送消息；只有當(dāng)車內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，該溫度是人體不適溫度，確認(rèn)危險(xiǎn)發(fā)生，啟動(dòng)第二級(jí)報(bào)警系統(tǒng)，報(bào)警燈蜂鳴器開始響應(yīng).

(7)無線通信模塊

本系統(tǒng)的無線通信模塊主要實(shí)現(xiàn)在檢測(cè)到駕駛員位無人、車內(nèi)有乘客的情況下，給駕駛員手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息，提醒駕駛員危險(xiǎn)情況，及時(shí)避免事故發(fā)生.本系統(tǒng)選用了ESP8266無線串口模塊.ESP8266無線串口模塊有著低功耗、通訊距離遠(yuǎn)、體積小巧、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，該模塊支持標(biāo)準(zhǔn)的 IEEE802.11b/g/n協(xié)議，完整的TCP/IP 協(xié)議.模塊的工作電壓是3.3V，在供電上單片機(jī)的電壓可以滿足該模塊供電需求.跨陣M4物聯(lián)模塊搭載ESP無線傳輸模塊，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程系統(tǒng)開關(guān)控制，也可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)短信報(bào)警發(fā)送的功能.

3 微型處理器軟件代碼設(shè)計(jì)

(1)主函數(shù)設(shè)計(jì)

在主函數(shù)里設(shè)定了溫度的上下限值，該值控制風(fēng)扇兩個(gè)擋位.接著調(diào)用定時(shí)器初始化程序，打開總中斷，定時(shí)器0的工作方式為方式1，打開定時(shí)器0中斷，允許定時(shí)器0定時(shí).然后調(diào)用延時(shí)函數(shù)，延時(shí)20 s.初始化單片機(jī)的I/O口為高電平，進(jìn)入while(1)循環(huán)，循環(huán)體里調(diào)用紅外報(bào)警函數(shù)，運(yùn)行后續(xù)代碼功能.主函數(shù)流程圖如圖4所示.

圖4 主函數(shù)流程圖

(2)人體感應(yīng)報(bào)警函數(shù)設(shè)計(jì)

人體感應(yīng)由兩個(gè)人體紅外傳感器HC-SR501進(jìn)行檢測(cè)，分別連接單片機(jī)P1.1和P1.2的兩個(gè)I/O口，其中P1.1對(duì)應(yīng)乘客位，P1.2對(duì)應(yīng)駕駛員位.從主程序進(jìn)入紅外報(bào)警函數(shù)后，對(duì)P1.1和P1.2兩個(gè)I/O口接收到的信號(hào)進(jìn)行判斷，當(dāng)P1.1口的信號(hào)為高電平，即有信號(hào)，P1.2口接收到的信號(hào)為低電平時(shí)，即無信號(hào)，啟動(dòng)報(bào)警模式，無線通信模塊接口由低電平轉(zhuǎn)換為高電平，向駕駛員手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息.人體感應(yīng)報(bào)警函數(shù)圖如圖5所示.

圖5 人體感應(yīng)報(bào)警函數(shù)圖

(3)APP控制端軟件代碼設(shè)計(jì)

上位機(jī)的控制端界面主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的提示、報(bào)警燈的提示、短信下發(fā)的任務(wù)設(shè)置.上位機(jī)的控制端使用物聯(lián)模塊“跨陣M4”平臺(tái)，在物聯(lián)平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)設(shè)計(jì)，優(yōu)化界面.控制端使用JavaScript語言進(jìn)行開發(fā)，選擇了WebStorm編輯器.

4 仿真與實(shí)驗(yàn)分析

利用Keil軟件進(jìn)行電路功能運(yùn)行測(cè)試，系統(tǒng)的單片機(jī)最小系統(tǒng)、人體紅外傳感器、溫度傳感器、電機(jī)風(fēng)扇、數(shù)碼管顯示電路、報(bào)警電路都在仿真軟件上設(shè)計(jì)出來，單片機(jī)代碼加載后測(cè)試.仿真電路圖如圖6所示.

圖6 仿真電路圖

通過系統(tǒng)仿真，檢測(cè)所設(shè)計(jì)線路的可行性，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)硬件電路板. 電 路 板 設(shè)計(jì)尺寸為18 cm×10 cm.再根據(jù)前文所述,試驗(yàn)裝置研制如圖7所示,將系統(tǒng)集成于該裝置內(nèi).

圖7 系統(tǒng)集成裝置

進(jìn)行人體檢測(cè)功能，將試驗(yàn)裝置放置于人體不同距離處，人體紅外傳感器X1是探測(cè)乘客的傳感器，探測(cè)位置調(diào)整到2 m范圍內(nèi)，傳感器X2是探測(cè)駕駛員的傳感器，調(diào)整探測(cè)距離為0.5 m內(nèi).為驗(yàn)證系統(tǒng)穩(wěn)定性，對(duì)兩個(gè)傳感器有人狀態(tài)下分別測(cè)試其輸出電壓信號(hào)、延時(shí)時(shí)間，以及探測(cè)距離，并做數(shù)據(jù)記錄，由于測(cè)量條件等因素影響，電壓的測(cè)量精度可達(dá)到0.01 V，時(shí)間的精度達(dá)到1 s，感應(yīng)距離的精度達(dá)到0.05 m.

利用人工熱源在系統(tǒng)溫度模塊附件加熱，檢測(cè)不同溫度下，人體處在人體紅外傳感器區(qū)內(nèi)的不同檢測(cè)效果，如圖8所示.圖8 (a) 為 溫度 10℃左右，無人狀態(tài)的手機(jī)APP接收信號(hào)界面.圖8(b)為溫度40℃以上有人狀態(tài).

圖8 手機(jī)報(bào)警接收界面

經(jīng)測(cè)試，開始報(bào)警至手機(jī)app接收?qǐng)?bào)警信號(hào)，延時(shí)時(shí)間為40～50 s之間，滿足救援時(shí)間.

5 結(jié)論

本文提出的太陽能車載乘客監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為主控核心，通過構(gòu)建合理的控制系統(tǒng)與軟件編程，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種實(shí)用型簡易車載監(jiān)測(cè)與報(bào)警裝置.其中HC-SR501紅外傳感器的選用大大減少了汽車空間的使用率，使系統(tǒng)的整體體積更小.溫度傳感器DS18B20集成度高，單總線編程，減少了系統(tǒng)電路的復(fù)雜程度.報(bào)警模式準(zhǔn)確.有電機(jī)風(fēng)扇防護(hù)措施的設(shè)計(jì)，為救援爭取時(shí)間.并經(jīng)過目多次檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，該裝置工作性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確率高、報(bào)警時(shí)間短.