基于兒童被鎖車內(nèi)的智能自救警報系統(tǒng)*

方健榮，王英輝，肖 雨，劉君鵬

(三亞學(xué)院理工學(xué)院，海南 三亞572022)

0 引言

論文設(shè)計了兒童智能自救系統(tǒng)，它是一種以引導(dǎo)兒童實現(xiàn)自救為主，幫助兒童快速獲救為輔的系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)以STM32為核心，當(dāng)前置傳感器檢測到兒童被鎖車內(nèi)，則語音指導(dǎo)兒童實現(xiàn)自救，并通過GPS實現(xiàn)定位和利用GSM發(fā)送相關(guān)短信給車主；同時在車外貼APP下載二維碼，在車主未能及時趕來的情況下，求助路人實現(xiàn)兒童快速獲救。隨著二胎政策的開放,家庭內(nèi)部的兒童數(shù)量將會增加,再加上目前對于停車狀態(tài)下的車內(nèi)人員的安全裝置的研究相對較少[2]，市面上很難發(fā)現(xiàn)針對兒童被鎖車內(nèi)實現(xiàn)自救的產(chǎn)品，該系統(tǒng)正好填補了這一方面的空白，對兒童的保護(hù)上升了一個層次，大大保障了兒童的生命健康安全。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)原理

以該系統(tǒng)制作模型驗證其可實用性，用9 g舵機(jī)模擬汽車車窗的升降、用電風(fēng)扇模擬車上空調(diào)的開啟和關(guān)閉、用5 V蜂鳴器模擬汽車自身的警報。系統(tǒng)集人體感應(yīng)、汽車測速、溫度和氣體濃度檢測、警報和發(fā)送短信功能為一體，配合機(jī)智云APP共同使用，具有體積小、重量輕、功率小和反映靈敏迅速等優(yōu)點[3]。可以與車內(nèi)其它設(shè)備聯(lián)合使用，兼容性好，它在理論生活中也有重要的作用，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟[4]，相信在未來可以把該系統(tǒng)制成芯片直接植入汽車內(nèi)部成為汽車的基礎(chǔ)功能之一，對兒童的安全更有保障[5]。

1.2 系統(tǒng)功能

設(shè)計的自救警報系統(tǒng)在汽車熄火以及車門、車窗都被鎖緊的狀態(tài)下啟動。通過車內(nèi)放置的人體感應(yīng)和壓力傳感器用來檢測是否有人被鎖車內(nèi),再通過溫度和氣體濃度傳感器檢測車內(nèi)溫度和一氧化碳的濃度,若超過對應(yīng)的警戒值則自動打開空調(diào)進(jìn)行換氣、降溫；由GPS芯片實現(xiàn)定位，將定位信息通過GSM短信發(fā)送給車主；自動播放輕音樂安撫兒童,發(fā)出語音逐步引導(dǎo)兒童實現(xiàn)自救；觸發(fā)蜂鳴器、LED警報器吸引路人注意，車上貼上APP下載二維碼，指導(dǎo)路人幫助兒童快速實現(xiàn)自救。

GTM900使用AT命令集，通過UART接ロ與外部CPU通信，主要實現(xiàn)無線發(fā)送和接收、基帶處理、音頻處理等功能。鍵盤、LCD(Liquid Crystal Display)等外部設(shè)備由外部CPU進(jìn)行控制。

1.3 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計

采用STM32單片機(jī)作為主控電路，同時又搭配了HX711模塊、HC-SR505人體感應(yīng)模塊、0.96寸OLED顯示屏、霍爾傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、ESP8266串口WiFi模塊、無線發(fā)送和GPS模塊以及繼電器來共同實現(xiàn)兒童智能自救系統(tǒng)。重點介紹基于無線的無線發(fā)送模塊、GPS車輛監(jiān)控模塊和并行系統(tǒng)-車輛防盜系統(tǒng)。

1.4 無線發(fā)送模塊

無線連接模塊是基于華為GTM900模塊串口多路復(fù)用的工作原理，指導(dǎo)用戶實現(xiàn)短信發(fā)送需求。串口多路復(fù)用是指在一條物理串行接口上實現(xiàn)多個數(shù)據(jù)鏈路連接(DLC)，使得可以在一條串行接口上能夠存在多個會話，比如語音、FAX、數(shù)據(jù)、SMS、GPRS、USSD等。多路復(fù)用有三種模式：基本模式、帶錯誤恢復(fù)功能的高級模式、不帶錯誤恢復(fù)的的高級模式，其中華為GTM900模塊支持不帶錯誤恢復(fù)功能的高級模式，與基本模式相比有如下的特點：可以在應(yīng)用XON/XOFF流控的的連接上使用和失去同步后恢復(fù)時間快。在本設(shè)計中，GTM900模塊主要用于短信發(fā)送功能，其基本工作原理為：SABW(Set Asynchronous Balanced Mode)命令幀用于建立一個DLC，接收端收到并且認(rèn)可該命令后，用UA幀進(jìn)行響應(yīng)。簡單來說就是當(dāng)達(dá)到發(fā)送短信的標(biāo)準(zhǔn)后，系統(tǒng)會編輯好相應(yīng)的短信內(nèi)容發(fā)送給預(yù)定的車主手機(jī)，如果長時間(可設(shè)定好時間長度)內(nèi)沒有收到車主手機(jī)響應(yīng)，發(fā)起端就會重新發(fā)送，直到重發(fā)次數(shù)達(dá)到設(shè)定次數(shù)。利用GTM900原理工作的流程圖，如圖1所示。

圖1 GTM900工作原理圖

1.5 GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)

GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)主要有三部分組成：車載端、監(jiān)控中心和二者之間的通信網(wǎng)絡(luò)。車載端需提供車輛的位置信息。車輛監(jiān)控系統(tǒng)采用GSM移動通信系統(tǒng)作為其通信網(wǎng)絡(luò)。基本GPS定位系統(tǒng)將車輛所在位置信息轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)包再通過GSM移動通信系統(tǒng)發(fā)送給車主手機(jī)。車載端通過將GPS模塊定位信息提取出來，一方面將定位信息在車載終端上顯示，一方面又結(jié)合車輛的狀態(tài)等信息傳送給GPRS模塊，發(fā)送出去的信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送給車主，車主根據(jù)車輛的位置信息和狀態(tài)，采取一定的措施，從而實現(xiàn)對車輛的有效管理。如圖2所示。

圖2 GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)

2 系統(tǒng)特色模塊

2.1 ESP8266串口WiFi模塊

隨著時代的發(fā)展，現(xiàn)在的人們越來越難離開網(wǎng)絡(luò)，于是在設(shè)計中特意追加了WiFi模塊，來體現(xiàn)設(shè)計產(chǎn)品隨時代進(jìn)步而更新?lián)Q代的設(shè)計理念。在系統(tǒng)中增設(shè)WiFi信號發(fā)射器，與之對應(yīng)的有相關(guān)的APP軟件，上述功能所采集和發(fā)送的信息可在APP上都可以查看到，此設(shè)計是為了彌補當(dāng)車主無法及時看到信息時，可借由報警裝置吸引路人前來幫忙，可在車外張貼相關(guān)APP二維碼和使用方法，使得被困車內(nèi)的兒童能盡快獲救。

2.2 語音指導(dǎo)模塊

由于設(shè)計的服務(wù)對象是兒童，所以在實現(xiàn)警報實現(xiàn)獲救的同時也需要引導(dǎo)兒童自己主動實現(xiàn)自救，從人性化的角度來考慮，兒童困車內(nèi)時自己大概率是慌亂、害怕并且手足無措的，為此在引導(dǎo)其實現(xiàn)自救之前，提前播放一段輕音樂來安撫兒童保持冷靜，利用提前編輯好的語音內(nèi)容播放給兒童聽來引導(dǎo)兒童采取自救措施，在無法從內(nèi)部打開車門、車窗的情況下，設(shè)法將自己被困的信息傳遞給經(jīng)過的路人或附近沒有行人的情況下通過語音將自己的現(xiàn)狀發(fā)送給車主。

語音指導(dǎo)是把多媒體技術(shù)引入到指導(dǎo)自救系統(tǒng)中，在動態(tài)情況下用擬人語音來指導(dǎo)兒童實現(xiàn)自救。本設(shè)計采用jr6001語音播放模塊，該模塊兼容性好，支持MP3、WAV高品質(zhì)音頻格式，聲音較為優(yōu)美，不至于引起兒童反感或害怕；支持24位DAC輸出，動態(tài)范圍支持90dB，信比85dB；支持兩線串口控制，AD控制；USB更新語音文件，無需安裝驅(qū)動，無需安裝軟件，直接拷貝即可使用。用戶在使用時只需準(zhǔn)備好語音文件(注意內(nèi)存大小問題)輸入進(jìn)jr6001語音播放模塊即可。此模塊自帶USB接口，能夠靈活的更換SPI-flash內(nèi)的原有內(nèi)容，省去了傳統(tǒng)語音芯片需要安裝上位機(jī)更換語音的麻煩，SPI、FLASH直接模擬成U盤，跟拷貝U盤一樣，非常方便。任何電腦系統(tǒng)都可以支持。

2.3 壓力、溫度、二氧化碳檢測模塊

壓力、溫度、二氧化碳檢測模塊的工作原理類似，都是檢測對應(yīng)參數(shù)是否超過閾值而達(dá)到觸發(fā)警報的標(biāo)準(zhǔn)。其中壓力傳感器采用的是HX-711稱重模塊，主要安裝在車輛后方坐墊的下面，用以檢測是否有人在車輛被鎖之后被困車內(nèi)，在此特別注意的是，為了區(qū)分車輛后排座位的是人還是放的物品，在設(shè)定閾值參數(shù)時要達(dá)到兒童體重后才會觸發(fā)警報；溫度檢測模塊采用的是常用的DS18B120溫度傳感器，該傳感器被使用次數(shù)多，性能穩(wěn)定優(yōu)異，當(dāng)車內(nèi)溫度達(dá)到警戒值時即觸發(fā)警報；二氧化碳檢測模塊基于煙霧報警器原理，當(dāng)車內(nèi)二氧化碳濃度達(dá)到警戒值時即觸發(fā)警報。如圖3所示。

圖3 重力檢測電路

2.4 HC-SR505人體感應(yīng)模塊

HC-SR505人體感應(yīng)模塊是基于紅外線技術(shù)的自動控制產(chǎn)品，其工作原理為：全自動感應(yīng)即人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出高電平，人離開感應(yīng)范圍則自動延時關(guān)閉高電平，輸出低電平。HC-SR505可重復(fù)觸發(fā)即感應(yīng)輸出高電平后，在延時時間段內(nèi)，如果有人體在其感應(yīng)范圍內(nèi)活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變?yōu)榈碗娖?，感?yīng)模塊檢測到人體的每一次活動后會自動順延一個延時時間段，并且以最后一次活動的時間為延時時間的起始點。人體感應(yīng)模塊作為輔助檢測的裝置，其作用與壓力檢測模塊相同，都是確認(rèn)是否有人被困車內(nèi)，二者一起工作以提高檢測的精確性。

3 汽車防盜系統(tǒng)設(shè)計

為了豐富本設(shè)計的多樣性和實用性，特意在兒童被困車內(nèi)智能自救警報系統(tǒng)之外再設(shè)立與之相并行的系統(tǒng)-汽車防盜系統(tǒng)，二者系統(tǒng)互不干擾，通過按鈕來實現(xiàn)系統(tǒng)的切換。此系統(tǒng)依舊以STM32作為控制核心，系統(tǒng)和飛機(jī)上的黑匣子一般可以記錄下車子的信息。如果遇到盜竊情況就會把報警信息發(fā)送給車輛擁有者，傳遞出報警信息。設(shè)計主要采用震動感應(yīng)報警手段，檢測到非常規(guī)震動就會發(fā)送報警信息。

主要是用于預(yù)防盜竊事件的發(fā)生，而不是把大部分功能轉(zhuǎn)移到盜竊事件已經(jīng)發(fā)生后的車輛追回。以此為目的就需要全球無局域限制的信息傳送設(shè)備，把報警信息傳送給車主，而大部分應(yīng)用場景下車主都在車輛附近，接收到報警信息都能夠及時趕到現(xiàn)場阻止盜竊事件的發(fā)生。

系統(tǒng)選用核心處理器為STM32F103C8T6微處理器，GPRS模塊選用SIM800C，檢測報警的裝置選用震動傳感器。具體的工作流程如圖4所示。

圖4 防盜系統(tǒng)模塊

4 結(jié)束語

設(shè)計采用STM32作為控制核心，以多個檢測模塊相互配合采集信息，再通過GPS和無線發(fā)送模塊發(fā)送短信給指定手機(jī)來實現(xiàn)尋求獲救的功能要求，另外以語音指導(dǎo)模塊為主，幫助兒童實現(xiàn)自救。尋求獲救和自救相結(jié)合，能夠更好的使被困車內(nèi)的兒童更快速地實現(xiàn)解救，以此達(dá)到保障兒童生命健康安全。除此以外與之并行的車輛防盜系統(tǒng)使該設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)雙系統(tǒng)自由切換，強化了設(shè)計的實用性和功能多樣化。