基于超聲波和車聯(lián)網(wǎng)融合的車內(nèi)兒童遺落智能預(yù)警系統(tǒng)

梁成成 杜嘉偉 李陽(yáng) 宋勃冉

摘要：針對(duì)兒童滯留在密閉的乘用車內(nèi)導(dǎo)致窒息或熱射病等生命安全問(wèn)題，文章融合超聲波檢測(cè)與車聯(lián)網(wǎng)操作平臺(tái)，研發(fā)車內(nèi)兒童遺落智能預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由超聲波探頭、兒童遺落檢測(cè)模塊、車聯(lián)網(wǎng)T-BOX及車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)云平臺(tái)組成，對(duì)鎖車后車內(nèi)是否有兒童遺落進(jìn)行智能監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)能夠及時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)預(yù)警和自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)處理，在第一時(shí)間救助被困兒童，避免發(fā)生意外，從而保證乘車兒童的人身安全。除此之外，該系統(tǒng)還具有車輛異動(dòng)報(bào)警功能。該系統(tǒng)是一款安全、可靠、實(shí)用、性價(jià)比高的車載主動(dòng)安全產(chǎn)品，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：乘用車；超聲波檢測(cè)；車聯(lián)網(wǎng)；智能預(yù)警；安全

中圖分類號(hào)：U495? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1674-0688（2023）02-0026-04

0 引言

在過(guò)去的幾年中，全球至少有300名兒童被父母有意或者無(wú)意單獨(dú)留在車內(nèi)而導(dǎo)致死亡。為了避免此類事件發(fā)生，人們研發(fā)了車內(nèi)兒童檢測(cè)預(yù)警裝置，目前市場(chǎng)上存在不同類型的檢測(cè)預(yù)警裝置，例如在車內(nèi)座椅上加裝傳感器、在車內(nèi)加裝可見(jiàn)光攝像頭及毫米波雷達(dá)等［1］。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，這些檢測(cè)預(yù)警裝置存在可靠性低、通用性差、技術(shù)不成熟、監(jiān)測(cè)方式單一及普及率低等問(wèn)題。為彌補(bǔ)以上產(chǎn)品的部分不足，并結(jié)合市場(chǎng)需求和相關(guān)法規(guī)要求，本文研發(fā)了一款基于超聲波和車聯(lián)網(wǎng)融合的車內(nèi)兒童遺落智能預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)既能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車內(nèi)兒童或者寵物的活動(dòng)，對(duì)兒童或者寵物遺落車內(nèi)進(jìn)行預(yù)警和干預(yù)，保證其生命安全；還具有車輛入侵檢測(cè)報(bào)警功能，能在一定程度上保證車輛及車內(nèi)財(cái)產(chǎn)安全。

1 系統(tǒng)組成

車內(nèi)兒童遺落智能預(yù)警系統(tǒng)由車載端、數(shù)據(jù)傳輸端和家長(zhǎng)端組成。車載端主要包括車內(nèi)兒童遺落檢測(cè)模塊、車聯(lián)網(wǎng)T-BOX、車身控制單元BCM、空調(diào)控制器HVAC、車輛大燈及報(bào)警喇叭等模塊；數(shù)據(jù)傳輸端主要是車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)云平臺(tái)及相關(guān)通信模塊；家長(zhǎng)端指的是家長(zhǎng)手機(jī)終端App。

車內(nèi)兒童遺落智能預(yù)警系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)工作原理

當(dāng)汽車處于熄火狀態(tài)，司機(jī)離開(kāi)汽車，車門鎖閉30 s后觸發(fā)系統(tǒng)開(kāi)始工作，超聲波探頭啟動(dòng)，開(kāi)始向車內(nèi)發(fā)送40 kHz超聲波掃描后排座位，利用多普勒效應(yīng)檢測(cè)是否有兒童或?qū)櫸锘顒?dòng)。如果探頭檢測(cè)到有兒童或?qū)櫸锘顒?dòng)，則觸發(fā)報(bào)警，兒童遺落檢測(cè)模塊把報(bào)警信息通過(guò)CAN收發(fā)器上傳給車內(nèi)車聯(lián)網(wǎng)T-BOX模塊和BCM控制器，BCM控制器根據(jù)收到的報(bào)警信息，以一定的頻率驅(qū)動(dòng)大燈和喇叭進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)T-BOX內(nèi)的無(wú)線通信模組將報(bào)警信息通過(guò)無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)杰嚶?lián)網(wǎng)云平臺(tái)，云平臺(tái)可在收到車內(nèi)報(bào)警信息后，進(jìn)一步分析滯留乘員是否有危險(xiǎn)，并及時(shí)將后臺(tái)歸納分析的結(jié)論發(fā)送到車主手機(jī)App上提醒車主：“請(qǐng)確認(rèn)是否有兒童被鎖在車內(nèi)?！比糗囍骺吹紸pp推送的信息后點(diǎn)擊“確認(rèn)”，確認(rèn)信息通過(guò)云平臺(tái)下發(fā)到車內(nèi)CAN網(wǎng)絡(luò)、檢測(cè)系統(tǒng)停止工作直至CAN網(wǎng)絡(luò)休眠。若車主一直未確認(rèn)收到此信息，為了保證有效提醒車主，手機(jī)App信息提醒將會(huì)一直持續(xù)，前5次提示時(shí)間間隔為2 min；5次后提示間隔時(shí)間為1 min，若第一次提示后15 min仍未收到確認(rèn)信息或者車門、車窗打開(kāi)的信息，系統(tǒng)將啟動(dòng)e-call緊急呼叫功能，同時(shí)系統(tǒng)支持車主通過(guò)App遠(yuǎn)程開(kāi)啟車窗、空調(diào)、大燈、報(bào)警喇叭，實(shí)現(xiàn)車輛自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)處理，必要時(shí)云平臺(tái)自動(dòng)聯(lián)系110報(bào)警平臺(tái)（告知時(shí)間、位置和具體乘員滯留危險(xiǎn)等警情信息）［2］。該系統(tǒng)除了具有遠(yuǎn)程監(jiān)控、預(yù)警功能，還具有車輛異動(dòng)報(bào)警功能。當(dāng)車輛熄火，超聲波探頭觸發(fā)啟動(dòng)后，超聲波探頭掃描后排座位，當(dāng)沒(méi)有檢測(cè)到活動(dòng)物體時(shí)，兒童遺落檢測(cè)模塊進(jìn)入低功耗休眠模式；當(dāng)傳感器掃描后發(fā)現(xiàn)有活動(dòng)物體時(shí)，兒童遺落檢測(cè)模塊喚醒CAN網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)BCM驅(qū)動(dòng)大燈和喇叭進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)把報(bào)警信息上傳到車聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)，平臺(tái)將報(bào)警信息發(fā)送至用戶手機(jī)，App提醒車主：“請(qǐng)確認(rèn)車輛是否被入侵?！?/p>

3 功能實(shí)現(xiàn)

隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)與智能網(wǎng)聯(lián)汽車融合應(yīng)用的深入，我國(guó)車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)在很多方面取得了積極進(jìn)展。當(dāng)前，車聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵不斷豐富，價(jià)值空間不斷拓展，車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)和服務(wù)體系日益豐富，新車裝載智能聯(lián)網(wǎng)終端的比例不斷提升，基于車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的應(yīng)用系統(tǒng)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展趨勢(shì)［3］。

3.1 兒童遺落檢測(cè)模塊

3.1.1 兒童遺落檢測(cè)模塊架構(gòu)

車內(nèi)兒童遺落檢測(cè)模塊主要由超聲波探頭（超聲波收發(fā)一體式結(jié)構(gòu)）、MCU微控制器、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器、CAN收發(fā)器等部分組成，該模塊架構(gòu)硬件組成框圖如圖2所示。

3.1.2 超聲波檢測(cè)工作原理

車內(nèi)兒童遺落檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠超聲波探頭，本研究中的超聲波探頭采用收發(fā)一體式結(jié)構(gòu)。當(dāng)超聲波探頭被觸發(fā)后，微控制器MCU會(huì)發(fā)送控制使能信號(hào)，超聲波發(fā)射器向車內(nèi)發(fā)射40 kHz（對(duì)人體無(wú)害）連續(xù)超聲波信號(hào)，超聲波信號(hào)經(jīng)障礙物后產(chǎn)生回波信號(hào)，回波信號(hào)被超聲波接收器接收，回波信號(hào)處理單元對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行采樣及處理，可以獲取回波信號(hào)特征信息［4］。從發(fā)出超聲波到接收到回波信號(hào)這段時(shí)間，即超聲波路徑，根據(jù)距離公式，此時(shí)測(cè)得的距離如下：

S=（Vt×（t2?t1））/2

其中，Vt為測(cè)速時(shí)溫度對(duì)應(yīng)的聲速，Vt=340 m/s。

同時(shí)，AD模數(shù)轉(zhuǎn)換電路測(cè)量回波信號(hào)包絡(luò)，MCU通過(guò)提取包絡(luò)值特征進(jìn)行分析，綜合判斷是否存在移動(dòng)的物體，繼而觸發(fā)報(bào)警。

超聲波檢測(cè)報(bào)警工作框圖如圖3所示。

采用超聲波收發(fā)一體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，體積小，既可以減少安裝時(shí)間，又能夠降低系統(tǒng)功耗。

3.1.3 關(guān)鍵器件選型及功能介紹

本研究的系統(tǒng)為一體化設(shè)計(jì)，所有元器件集成到一塊 PCBA 電路板上，通過(guò)外殼和底板封裝固定，組裝過(guò)程簡(jiǎn)易。車內(nèi)兒童遺落檢測(cè)模塊包含MCU微控制器、超聲波探頭、EMMC存儲(chǔ)器、CAN收發(fā)器及DC-DC電源轉(zhuǎn)換器、LDO移壓器等器件，所使用的元器件需通過(guò)車規(guī)級(jí)測(cè)試驗(yàn)證，符合車規(guī)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其關(guān)鍵器件及功能如下。

（1）微控制器MCU。MCU在車內(nèi)兒童遺落檢測(cè)模塊中起著運(yùn)算、決策的核心作用，它負(fù)責(zé)觸發(fā)超聲波脈沖信號(hào)、接收超聲波回波信號(hào)，通過(guò)CAN總線與T-BOX進(jìn)行信息交互，并發(fā)出預(yù)警信息。該設(shè)計(jì)方案中的MCU微控制器選用日本瑞薩半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的16位高性能R5F10BGELFB單片機(jī)。

（2）超聲波探頭。超聲波探頭又稱超聲波傳感器，它發(fā)出并接收超聲波信息，用來(lái)檢測(cè)車內(nèi)移動(dòng)物體。探頭性能的好壞及探頭選取是否得當(dāng)，將直接影響系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，本設(shè)計(jì)方案選用日本的株式會(huì)社村田制作所生產(chǎn)的發(fā)射接收兼用型MA40H1S-R傳感器。

（3）CAN收發(fā)器。MCU微控制器通過(guò)CAN收發(fā)器與車內(nèi)T-BOX和BCM控制器進(jìn)行信息交互，CAN收發(fā)器選用NXP公司生產(chǎn)的TJA1043型芯片，該芯片具有性能優(yōu)異、可靠性高等特點(diǎn)。

（4）DC-DC電源轉(zhuǎn)換器。該穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換模塊，選用美國(guó)芯源系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的MPQ4572型芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)車內(nèi)兒童遺落檢測(cè)模塊內(nèi)部12～5 V、12～3.3 V的電壓轉(zhuǎn)換，可以得到平穩(wěn)、可靠的輸出電壓。

（5）3.3 V LDO穩(wěn)壓器。該穩(wěn)壓器選用德州儀器公司生產(chǎn)的TLV70233QDBVRQ1型LDO穩(wěn)壓器，可以實(shí)現(xiàn)3.3 V穩(wěn)壓輸出，保證電源的穩(wěn)定性。

3.2 系統(tǒng)軟件處理流程

系統(tǒng)軟件處理主程序流程如圖4所示。

3.3 報(bào)警策略

（1）車輛熄火并接收到鎖車門信號(hào)30 s后，該系統(tǒng)啟動(dòng)開(kāi)始工作，若滿足關(guān)閉條件，則設(shè)備待機(jī)。

（2）當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)檢測(cè)到車內(nèi)有移動(dòng)物體，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，信號(hào)通過(guò)后臺(tái)傳輸至用戶手機(jī)端。

（3）如果4 h后還沒(méi)有應(yīng)答，超聲波傳感器探測(cè)周期延長(zhǎng)至1 s。

3.4 報(bào)警分級(jí)

（1）兒童遺忘車內(nèi)報(bào)警：當(dāng)車內(nèi)兒童或者寵物等有移動(dòng)動(dòng)作時(shí)，超聲波回波可進(jìn)行探測(cè)并有效識(shí)別，然后上傳報(bào)警信號(hào)。

（2）車輛破壞入侵報(bào)警：當(dāng)有特定頻率段的振動(dòng)信號(hào)，其振動(dòng)加速度在一定幅度內(nèi)持續(xù)一段時(shí)間，則認(rèn)為存在車輛被破壞、入侵風(fēng)險(xiǎn)。

（3）整車搬運(yùn)報(bào)警：當(dāng)車輛停車熄火后，車輛位置超過(guò)一定傾角閾值，則認(rèn)為有整車搬運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)。

3.5 算法流程

應(yīng)用層軟件模塊主要包含信號(hào)處理、特征提取及分類決策，算法流程如圖5所示。

3.6 安裝位置

本系統(tǒng)支持靈活的安裝位置并適配不同類型的車輛，車內(nèi)兒童遺落檢測(cè)模塊可通過(guò)插槽支架或螺絲鎖付的安裝方式進(jìn)行固定，安裝在車輛后排座椅上方車棚處正中央附近無(wú)其他物體遮擋的位置，原則上要保證超聲波探頭探測(cè)區(qū)域可以覆蓋整個(gè)后排座位及地板，檢測(cè)模塊安裝位置不合適，則會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)狀態(tài)出現(xiàn)偏差。

3.7 通信總線

系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)LIN、CAN總線及接口輸出預(yù)警信號(hào)。LIN總線參照國(guó)標(biāo)《LIN總線通信規(guī)范》。BCM是LIN主節(jié)點(diǎn)，兒童遺落智能預(yù)警系統(tǒng)是從節(jié)點(diǎn)。車聯(lián)網(wǎng)T-BOX與兒童遺落智能預(yù)警系統(tǒng)之間通過(guò)CAN總線進(jìn)行信息交互。

兒童遺落智能預(yù)警系統(tǒng)將報(bào)警信息通過(guò)CAN發(fā)給T-BOX，T-BOX通過(guò)無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)云平臺(tái)；同時(shí)，T-BOX將車身信息（車速、車門狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)等）通過(guò)CAN總線傳輸給兒童遺落智能預(yù)警系統(tǒng)。T-BOX將車窗、車門、空調(diào)動(dòng)作指令通過(guò)CAN總線發(fā)給BCM，BCM通過(guò)LIN線控制相關(guān)部件執(zhí)行相應(yīng)操作。

4 設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

本系統(tǒng)是以車聯(lián)網(wǎng)為平臺(tái)的汽車車內(nèi)兒童遺落智能預(yù)警系統(tǒng)，產(chǎn)品的創(chuàng)新點(diǎn)如下。

（1）本系統(tǒng)采用兼容式和功能最大化設(shè)計(jì)總體思路。目前的設(shè)計(jì)屬于基礎(chǔ)型方案，后期根據(jù)需要可擴(kuò)展更多功能，基礎(chǔ)型和擴(kuò)展型采用同一個(gè)外形結(jié)構(gòu)尺寸、同一塊 PCB印制電路板，通過(guò)選擇性焊接不同的模塊，達(dá)到適應(yīng)不同車型應(yīng)用的目的，EMC電磁兼容性性能試驗(yàn)和環(huán)境試驗(yàn)只需要做一遍，可達(dá)到節(jié)省成本及縮短開(kāi)發(fā)周期的目的。

（2）本系統(tǒng)采用R5F10BGELFB高性能MCU微處理單元作為主控制器，不需要外加AD數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，采用汽車自帶的ABS速度傳感器作為車速檢測(cè)單元，綠色節(jié)能。

（3）本系統(tǒng)既可通過(guò)T-BOX、云平臺(tái)、手機(jī)App向車主發(fā)短信息遠(yuǎn)程預(yù)警，又可通過(guò)車身自帶的大燈和喇叭實(shí)現(xiàn)原地報(bào)警，可以向路人發(fā)出預(yù)警信息；必要時(shí)車聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)還可以自動(dòng)聯(lián)系110報(bào)警平臺(tái)。車主可通過(guò)手機(jī)App、T-BOX和BCM實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)啟車窗、車門或空調(diào)等操作，可以有效地幫助兒童脫離險(xiǎn)情。除兒童遺落智能預(yù)警功能外，還兼具車輛入侵報(bào)警功能，當(dāng)車輛有人非法闖入時(shí)，可快速實(shí)現(xiàn)車輛本地異動(dòng)報(bào)警和手機(jī)App遠(yuǎn)程報(bào)警，大燈閃爍輔以聲音警示，幫助車主及時(shí)化解風(fēng)險(xiǎn)，規(guī)避潛在損失。

依托國(guó)內(nèi)外相關(guān)汽車安全法規(guī)的頒布和實(shí)施，國(guó)家和社會(huì)對(duì)車輛安全出行的高度關(guān)注，憑借本項(xiàng)目產(chǎn)品的高性價(jià)比，兒童遺落安全系統(tǒng)市場(chǎng)前景廣闊。

5 結(jié)論

本研究所提系統(tǒng)是結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)和車主實(shí)際安全需求進(jìn)行設(shè)計(jì)的，為廣大車主，尤其是為“有孩一族”車主設(shè)計(jì)的一款安全、可靠、高效、實(shí)用、低成本的車載主動(dòng)安全裝置。該裝置可實(shí)現(xiàn)車內(nèi)活物移動(dòng)檢測(cè)、預(yù)警信息上報(bào)、用戶手機(jī)App遠(yuǎn)程報(bào)警和干預(yù)、車輛本地預(yù)警等功能，能有效解決兒童因被困車內(nèi)而產(chǎn)生的安全事故問(wèn)題，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

6 參考文獻(xiàn)

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