基于毫米波雷達(dá)的車內(nèi)兒童檢測(cè)系統(tǒng)的研究

方育凱，史燦宇，林瑾

（廣東東軟學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 佛山 528225）

0 引 言

汽車作為主要的運(yùn)輸手段和交通工具，已成為當(dāng)今社會(huì)生活中不可缺少的工具。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，公路交通運(yùn)輸量日益增大，汽車保有量也不斷增加，據(jù)相關(guān)部門的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2022年3月底，全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量突破4億輛，其中有3.07億輛為汽車，占機(jī)動(dòng)車總量的76.37%；而機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)藬?shù)量增加至4.87億人，其中有4.50億人為汽車駕駛?cè)?，占駕駛?cè)丝倲?shù)的92.33%。其速度呈高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。

汽車在給人類社會(huì)提供了極大的便利，但同時(shí)也引發(fā)了一系列的問題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年夏天，全世界都會(huì)有數(shù)百個(gè)兒童因?yàn)楦鞣N原因被鎖在車?yán)飶亩滤?。這其中的原因不僅有家長(zhǎng)的疏忽，更多的是兒童沒有求生的意識(shí)更沒有求救的能力，因此兒童被誤鎖在汽車致死事件引起了很大的關(guān)注。由公安部道路交通安全研究中心趙文松等人對(duì)2017年的35起兒童被遺忘車內(nèi)造成的事故的分析，我們可以知道被困兒童年齡大多數(shù)分布在3～5歲，在整個(gè)統(tǒng)計(jì)事故案例的占比為81%。在這35起案例中，有17起是由于家長(zhǎng)的粗心而將兒童遺忘在么家車內(nèi)造成傷害，另外18起事故是由于兒童被遺忘校車內(nèi)引發(fā)。但在這17起么家車事故中，有7起是造成死亡的事故，占案例的41%；而校車事故中，出現(xiàn)的案例均為死亡事故，死亡率為100%。由此我們可以得知當(dāng)兒童被困時(shí)，所面臨的情況是多么危險(xiǎn)。目前市面上的汽車保護(hù)措施更多的是車輛碰撞等方面的保護(hù)措施，針對(duì)兒童被困車內(nèi)的情況，目前車內(nèi)的保護(hù)措施似乎并不能發(fā)揮太大的作用。

本文針對(duì)目前汽車保護(hù)措施存在的不足方面提出了一種基于毫米波雷達(dá)的車內(nèi)兒童檢測(cè)系統(tǒng)裝置，可以在一定程度上解決兒童滯留車內(nèi)的安全問題。同時(shí)配備一氧化碳檢測(cè)裝置。使得車內(nèi)保護(hù)措施更加完善。該系統(tǒng)由77 GHz毫米波雷達(dá)、一氧化碳傳感器、ESP8266聯(lián)網(wǎng)模塊、語音模塊、STM32芯片組成。能夠?qū)崿F(xiàn)當(dāng)汽車熄火過后，及時(shí)對(duì)車內(nèi)是否存在滯留人員進(jìn)行檢測(cè)。以及車內(nèi)一氧化碳濃度的檢測(cè)。并將采集到的數(shù)據(jù)上傳到云端。從而確保滯留車內(nèi)的人員能夠及時(shí)獲救，保障了人們的生命安全。

1 車內(nèi)人員檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件組成

本裝置是多功能安全事故警報(bào)裝置，集成了車內(nèi)人員滯留檢測(cè)、一氧化碳超標(biāo)警報(bào)等功能。該系統(tǒng)主要包括車輛行進(jìn)等信息的收集裝置、檢測(cè)裝置、中央處理器、交互裝置、控制裝置五個(gè)部分。其中車輛信息的收集，是通過汽車OBD接口來獲取車輛的情況，OBD接口能夠檢測(cè)汽車運(yùn)行過程中的發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)以及車輛的其他功能模塊的工作狀況。檢測(cè)裝置是由毫米波雷達(dá)和一氧化碳濃度傳感器組成的，毫米波雷達(dá)能夠檢測(cè)車內(nèi)人員的呼吸、體動(dòng)（心跳）等細(xì)微的生命體征信號(hào)。一氧化碳濃度傳感器能夠?qū)噧?nèi)的一氧化碳濃度進(jìn)行檢測(cè)。中央處理器使用的芯片是STM32，根據(jù)傳感器收集的信息，發(fā)送相關(guān)的指令，控制語音模塊和車內(nèi)的控制系統(tǒng)的運(yùn)行，以及聯(lián)網(wǎng)模塊的數(shù)據(jù)傳輸。交互裝置是語音模塊和ESP8266聯(lián)網(wǎng)模塊組成，語音模塊能及時(shí)發(fā)出語音提醒，ESP8266聯(lián)網(wǎng)模塊能夠?qū)④噧?nèi)檢測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到云端與用戶APP中，同時(shí)接收用戶在云端發(fā)送的命令。控制裝置是通風(fēng)系統(tǒng)與燈光系統(tǒng)組成。當(dāng)有人被困車內(nèi)時(shí)，STM32會(huì)根據(jù)人員被困的時(shí)間，控制汽車打開空調(diào)的外循環(huán)模式，并打開汽車的危險(xiǎn)報(bào)警燈。其硬件之間聯(lián)系設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 硬件款式圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

以下為系統(tǒng)工作原理：

（1）當(dāng)汽車熄火且車門關(guān)閉時(shí)，毫米波雷達(dá)開始檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到車內(nèi)存在生命體征時(shí)，中央處理器STM32判斷車上存在人員滯留，則執(zhí)行兒童滯留解救指令，使車上的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行工作。當(dāng)雷達(dá)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)到車內(nèi)存在生命體征或滯留人員心跳呼吸異常時(shí)，中央處理器STM32發(fā)送指令，打開車上危險(xiǎn)報(bào)警燈并且通過ESP8266聯(lián)網(wǎng)發(fā)送求救信息給車主和設(shè)置的緊急聯(lián)系人。從而達(dá)到向附近行人求救、保障被困人員安全和及時(shí)通知車主的作用。

（2）當(dāng)汽車熄火并且為外部解鎖時(shí)，雷達(dá)會(huì)在五分鐘后進(jìn)行工作，此時(shí)可手動(dòng)停止雷達(dá)計(jì)時(shí)，即關(guān)閉雷達(dá)檢測(cè)，防止車主因等人等情況導(dǎo)致的雷達(dá)錯(cuò)誤啟動(dòng)的情況出現(xiàn)；若未手動(dòng)關(guān)閉雷達(dá)檢測(cè)，則五分鐘后，雷達(dá)開始檢測(cè)，若檢測(cè)到生命體，則觸發(fā)兒童解救系統(tǒng)，防止小孩子因偷偷爬進(jìn)車內(nèi)玩耍而造成的事故發(fā)生。

（3）當(dāng)車內(nèi)存在人員時(shí)一氧化碳模塊進(jìn)行工作，一旦檢測(cè)到一氧化碳濃度超過國(guó)家規(guī)定的車間空氣中CO最高容許濃度為30 mg/m就觸發(fā)危險(xiǎn)解救警報(bào)，此時(shí)汽車的通風(fēng)系統(tǒng)開始工作，汽車內(nèi)的空調(diào)執(zhí)行外循環(huán)模式。語言模塊發(fā)出“一氧化碳濃度存在超標(biāo)的危險(xiǎn)”等語句進(jìn)行提醒，并且通過ESP8266聯(lián)網(wǎng)模塊將車內(nèi)的將測(cè)情況上傳至云端與用戶APP中，防止車內(nèi)人員因一氧化碳中毒。系統(tǒng)執(zhí)行框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)執(zhí)行框架

2 傳感器采集原理

以下為傳感器采集原理：

（1）毫米波雷達(dá)檢測(cè)呼吸、心跳原理：毫米波雷達(dá)具有遠(yuǎn)距離檢測(cè)，對(duì)微小運(yùn)動(dòng)敏感和距離分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)根據(jù)利用呼吸和心跳等人體活動(dòng)會(huì)引起胸腔的起伏，進(jìn)而引起雷達(dá)與被測(cè)人體之間的徑向距離的變化。通過測(cè)量該徑向距離的變化，可檢測(cè)到人體呼吸心跳等信號(hào)。

振動(dòng)位移：

其中，（）=x（）+x（），分別為呼吸和心跳引起胸腔振動(dòng)。

（2）一氧化碳濃度檢測(cè)傳感器：由過濾器、電極、電解液、透氣膜、殼體、電極引出線等部分組成，并采用密閉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一氧化碳?xì)怏w傳感器。

如果一氧化碳從透氣膜擴(kuò)散到氣體傳感器的工作電極，工作電極的催化作用將導(dǎo)致氧化反應(yīng)，化學(xué)方程式為：

CO+HO→CO+2H+2e

電子和產(chǎn)生的氫離子通過電解液轉(zhuǎn)移到對(duì)電極，然后與水分子中的氧進(jìn)行反應(yīng)，化學(xué)方程式為：

于是，根據(jù)氧化-還原可逆反應(yīng)可得化學(xué)方程式為：

2CO+O→2CO

該氧化—還原的反應(yīng)始終發(fā)生在工作電極和大電極之間，電極之間發(fā)生電位差。

當(dāng)加大電壓后氣體的反應(yīng)速率不再增加時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的電流為極限電流，被測(cè)體積分?jǐn)?shù)與極限電流存在以下關(guān)系：

其中，為極限電流；為氣體擴(kuò)散系數(shù)C為待測(cè)氣體濃度；是用來擴(kuò)散氣體的孔位面積；為擴(kuò)散氣體孔位面積的有效長(zhǎng)度；為反應(yīng)物的離子或者分子反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的電子；為法拉第常數(shù)。通過計(jì)算值便可得出一氧化碳體積分?jǐn)?shù)。

3 ESP8266Wi-Fi模塊工作原理

3.1 ESP8266簡(jiǎn)介

ESP8266的模塊芯片是基于無線通信協(xié)議的UART-Wi-Fi透?jìng)髂K芯片，支持802.11b/0g/n的無線標(biāo)準(zhǔn)，并帶有三種可選擇的工作模式。ESP8266模塊的控制是通過AT指令的形式控制，例如選擇Wi-Fi的應(yīng)用模式，列出、加入、退出接入點(diǎn)，創(chuàng)建TCP/UDP連接、獲得狀態(tài)、發(fā)送數(shù)據(jù)等操作。

3.2 ESP8266工作模式介紹

ATK-ESP8266模塊支持STA、AP、STA+AP三種工作模式。

（1）STA模式：ESP8266模塊通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，手機(jī)或電腦通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

（2）AP模式：默認(rèn)模式ATK_ESP8266模塊作為熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)或電腦直接與模塊通信，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)無線控制。

（3）STA+AP模式：兩種模式的共存模式，（STA模式）即可以通過路由器連接到互聯(lián)網(wǎng)，并通過互聯(lián)網(wǎng)控制設(shè)備；（AP模式）也可作為Wi-Fi熱點(diǎn)，其他Wi-Fi設(shè)備連接到模塊。這樣實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的無縫切換，方便操作。

3.3 ESP8266聯(lián)網(wǎng)功能

首先將機(jī)智云研發(fā)的GAgent固件燒入到ESP8266模塊中，此時(shí)ESP8266具備聯(lián)網(wǎng)功能。GAgent主要的作用是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，是設(shè)備數(shù)據(jù)、機(jī)智云、應(yīng)用端（APP）的數(shù)據(jù)交互橋梁。通過在ESP8266燒入GAgent固件能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與機(jī)智云互聯(lián)互通。GAgent功能示意圖如圖3所示。

圖3 GAgent功能示意圖

當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，設(shè)備的ESP8266Wi-Fi模塊進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，并與云端進(jìn)行通信。用戶可使用手機(jī)連接同一網(wǎng)絡(luò)，登錄機(jī)智云APP進(jìn)行查找設(shè)備，并查看設(shè)備顯示的車內(nèi)人員的檢測(cè)情況。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可以通過ESP8266Wi-Fi模塊接收用戶發(fā)送的控制命令，然后通過USART串口通信發(fā)送到STM32上，STM32更新數(shù)據(jù)庫(kù)和做出相應(yīng)的處理后，再發(fā)送控制指令到相對(duì)應(yīng)的模塊上。系統(tǒng)模塊根據(jù)STM32的指令進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的工作。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中STM32對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的邏輯處理后再發(fā)送到云端或臨時(shí)保存起來。當(dāng)用戶與設(shè)備不處于同一網(wǎng)絡(luò)下時(shí)，用戶可登錄機(jī)智云后臺(tái)查看設(shè)備交互數(shù)據(jù)，了解當(dāng)前車內(nèi)的系統(tǒng)所收集到的數(shù)據(jù)。及時(shí)根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)，做出相對(duì)應(yīng)的措施。

4 毫米波雷達(dá)檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)

FMCW雷達(dá)根據(jù)回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的差頻信號(hào)來求距離和速度的，由于差頻信號(hào)頻率較低，一般為kHz，因此硬件處理相對(duì)簡(jiǎn)單、適合數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。

FMCW雷達(dá)收發(fā)同時(shí)，理論上不存在脈沖雷達(dá)所存在的測(cè)距盲區(qū)，并且發(fā)射信號(hào)的平均功率等于峰值功率，因此只需要小功率的器件，從而降低了被截獲干擾的概率。

FMCW雷達(dá)具有容易實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕以及成本低。

FMCW雷達(dá)能分辨來自不同范圍的反射信號(hào)，可以用于多目標(biāo)生命信號(hào)檢測(cè)，與CW雷達(dá)相比，F(xiàn)MCW雷達(dá)的回波信號(hào)不會(huì)發(fā)生在多個(gè)放射器上，降低了由于多徑衰落產(chǎn)生的信號(hào)能量損耗。

5 結(jié) 論

我國(guó)汽車行業(yè)的車內(nèi)保護(hù)機(jī)制對(duì)兒童的保護(hù)措施較少。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)利用了毫米波雷達(dá)可以在較遠(yuǎn)距離上精準(zhǔn)地探測(cè)到人體的呼吸、體動(dòng)（心跳）等細(xì)微的生命體征信號(hào)，可以非接觸地檢測(cè)和測(cè)量人體的呼吸速率、心率等信息?？梢栽谲囕v熄火時(shí)，準(zhǔn)確判斷是否存在滯留人員，進(jìn)而保障滯留人員的安全。同時(shí)配備了一氧化碳檢測(cè)功能，能夠更加完善汽車的保護(hù)機(jī)制。該系統(tǒng)由于雷達(dá)在檢測(cè)時(shí)并不會(huì)存在盲區(qū)。系統(tǒng)硬件安裝占用的空間較小，不需要對(duì)現(xiàn)有車輛進(jìn)行過多改造，能夠滿足在各種車型進(jìn)行安裝。倘若汽車上都安裝該系統(tǒng)能夠在一定程度上減少兒童被困車內(nèi)的概率，避免兒童被困車內(nèi)而致死的事件的發(fā)生。