校車智能安全監(jiān)控系統(tǒng)

高明亮

（沈陽工程學院 自動化學院，遼寧 沈陽 110136）

隨著社會的發(fā)展，越來越多的學生選擇校車作為上學的主要交通工具，導致校車的數(shù)量迅速增長。但是由于技術與管理的落后，校車的事故頻發(fā)，引起了社會各界的強烈關注［1-2］。發(fā)生事故的原因：①校車安全帶佩戴情況堪憂，導致了當校車發(fā)生碰撞、側翻等事故時，乘員無有效防護措施，死傷率較高；②由于校車工作人員工作疏忽，導致學生被遺忘在車內的事故占校車事故比重很大，該類事故死亡率極高［3］。因此，本文開發(fā)了一個實用的校車智能安全監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要分成兩個模塊：校車安全帶集中監(jiān)測與控制模塊和防止兒童遺漏模塊。

1 安全帶實時監(jiān)測與集中控制

校車安全帶集中監(jiān)測與控制模塊包括1 個主機和若干個安裝在乘客座椅上的分機，可實現(xiàn)以下功能：

1）乘客可以利用每個座椅分機單獨操控安全帶；

2）駕駛員可以利用主機集中操控安全帶；

3）當發(fā)生緊急情況時，可以根據(jù)預定條件自動打開安全帶，防止孩子在緊急事故時因為緊張而打不開安全帶；

4）每個座椅都能檢測乘客安全帶的佩戴情況，并將信息傳輸給主機。

主機和分機都可以采用51 系列單片機：主機的輸入端分別連接操作鍵盤、碰撞傳感器、水壓傳感器和煙霧傳感器，用于監(jiān)測接收操控信號與各傳感器傳來的突發(fā)情況信息；主機的輸出端連接報警電路、顯示電路和通信模塊，用于在特定條件下發(fā)出報警信號和向各個分機發(fā)送指令；分機部分含有分控單片機和若干個安全帶監(jiān)控電路，分控單片機輸出端接驅動馬達，用于控制安全帶開鎖。安全帶實時監(jiān)控模塊結構如圖1所示。

圖1 安全帶實時監(jiān)控模塊結構

1.1 各類傳感器信號獲取

各類傳感器的信號包括與主機相連的傳感器信號和與分機相連的傳感器信號。主機上的傳感器信號主要監(jiān)測車的整體情況，當發(fā)生碰撞、側翻、著火和進水等緊急情況時，相應的碰撞傳感器、煙霧傳感器和水壓傳感器會發(fā)送信號給主機。分機上的傳感器信號用來監(jiān)測座椅情況，主要利用座椅和座椅壓力傳感器，當壓力傳感器監(jiān)測到信號時才對安全帶傳感器信號進行提取，兩個信號都采集到后，主機發(fā)送安全帶信息。

1.2 安全帶實時監(jiān)測與集中控制模塊工作過程分析

開機后，分機對所管轄的座位情況進行監(jiān)測，當采集到壓力傳感器和安全帶傳感器信號時，分機向主機發(fā)送信息，當主機發(fā)現(xiàn)某座位有人但沒有插入安全帶時，視為不正常信號，啟動報警，駕駛員根據(jù)情況進行相應操作。

當駕駛員需要打開某座位安全帶時，可以通過鍵盤輸入指令，分機接收到相應指令后對驅動馬達供電，使安全帶扣自動打開。

當車輛遇到碰撞、側翻、著火和進水等緊急情況時，主機根據(jù)預先設定的子程序，自動向各個分機發(fā)送開鎖信號，自動打開安全帶。

2 兒童滯留校車監(jiān)測與報警模塊

兒童滯留校車監(jiān)測與報警模塊主要由單片機最小系統(tǒng)、聲音檢測電路、熱釋紅外采集電路、繼電器控制電路、報警電路和GSM 模塊組成。此模塊的核心功能是監(jiān)測兒童滯留情況，這里采用熱釋紅外采集電路和聲音檢測電路聯(lián)合監(jiān)測［4］。當監(jiān)測到相應信息后，啟動報警電路，并把相應報警信息發(fā)到司機手機中，同時校車自動打開車門。

2.1 兒童滯留的監(jiān)測

對滯留的兒童采用熱釋紅外采集電路和聲音檢測電路聯(lián)合監(jiān)測。熱釋紅外感應模塊選用HCSR505，主要原理是通過外界采集的電信號與設定的電壓進行比較，控制此模塊輸出高低電平。如果有人進入感應區(qū)，out引腳會輸出高電平，直到人離開感應區(qū)，out引腳會延時輸出低電平［5］。具體接口電路如圖2所示，該模塊輸出引腳與單片機P1.1相連。

圖2 熱釋紅外采集電路

聲音檢測電路如圖3 所示，該電路中采集的聲音信號經整流電路與放大電路后，送入LM393 電壓比較器，通過電壓的比較，控制整個電路輸出高低電平。此電路可以根據(jù)需要調節(jié)閾值，從而調節(jié)靈敏度，如果聲音強度沒有達到閾值，電路輸出高電平；若超過閾值，則電路輸出低電平。此電路輸出引腳可以和單片機P1.0 引腳直接相連，單片機根據(jù)收到的檢測信號來控制GSM 模塊和報警電路進行后續(xù)處理。

圖3 聲音檢測電路

2.2 GSM模塊

這里選用SIM800A 芯片實現(xiàn)GSM 網(wǎng)絡報警信息的發(fā)送。此模塊的RXD 口與單片機的RXD引腳相連，TXD口與單片機的TXD引腳相連，形成GSM 模塊與單片機的串行通信［6］。這樣，單片機可以通過AT指令集控制GSM 模塊發(fā)送報警短信。該模塊是比較成形的模塊電路，主要問題是與單片機的接口，用單片機控制模塊中報警短信的發(fā)送。

2.3 繼電器控制電路

在此電路中，用三極管9012 的基極與單片機的P1.2 引腳相連，當之前的監(jiān)測模塊檢測到有人時，P1.2輸出低電平，三極管導通驅動繼電器通電，從而使銜鐵的動靜觸點吸合，車門開啟電路啟動，實現(xiàn)繼電器控制車門的開啟。繼電器控制電路如圖4所示。

圖4 繼電器控制電路

2.4 系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)的流程如圖5 所示，當司機插入鑰匙時，系統(tǒng)進入安全帶監(jiān)控；當司機拔下鑰匙時，系統(tǒng)進入滯留監(jiān)測，滯留監(jiān)測啟動后，紅外與聲音模塊實時監(jiān)測，當兩個模塊都監(jiān)測到異常后，單片機控制GSM 發(fā)送報警信息，同時單片機控制繼電器通電，車門自動打開。

3 測試與結果分析

3.1 安全帶監(jiān)控的測試

這里主要測試3 種傳感器分別監(jiān)測出突發(fā)情況時，安全帶是否自動開啟；無突發(fā)情況時司機能否手動控制主機，從而命令各從機開啟所管轄的安全帶。測試結果如表1所示，當有任意突發(fā)情況時，安全帶都能自動開啟；當無突發(fā)情況時，司機能夠利用主機集中控制各安全帶打開。

3.2 兒童滯留監(jiān)控的測試

該測試模擬9 種距離和不同音量的場景，在每種場景中測試車門是否開啟和是否發(fā)送報警短信。測試結果如表2 所示，當聲音過小時，容易出現(xiàn)漏報，這時可以根據(jù)實際需要調節(jié)聲音檢測電路的靈敏度；當距離過遠時，系統(tǒng)也會出現(xiàn)漏報，通過測試可以得到系統(tǒng)的有效監(jiān)測范圍。在有效的測試范圍內，測試距離越近，音量越高，系統(tǒng)的響應時間越短，準確率就越高。

表2 兒童滯留監(jiān)控測試結果

4 結論

本文研究的校車智能安全監(jiān)控系統(tǒng)具有兩方面功能：一是監(jiān)測和集中控制安全帶，二是系統(tǒng)能夠對兒童滯留校車現(xiàn)象進行監(jiān)控，有效地減少了嚴重事故的發(fā)生。通過實驗室的測試證明，本系統(tǒng)工作穩(wěn)定、準確率高、安裝維護簡單、成本低，同時具有一定的擴展性。