車載兒童防滯留系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王杰，林智慧

（西安思源學院，陜西西安，710038）

0 引言

隨著我國科技水平的不斷發(fā)展，人工智能前沿科技已經(jīng)掀起了新的浪潮，同時廣泛應用在生活的各個領(lǐng)域?，F(xiàn)如今，汽車已經(jīng)成為普及的出行交通工具，同時，它作為一個綜合多種智能化科技的集合體，徹底改變了人們傳統(tǒng)的出行方式[1]。隨著汽車數(shù)量的不斷增加，出現(xiàn)的問題也逐漸增多，尤其是車主臨時有事下車，孩子被誤鎖車里的事件屢見不鮮[2]。在汽車門、窗均關(guān)閉的情況下，只需要十分鐘的陽光照射，就會使得汽車內(nèi)的溫度上升6～7 攝氏度，從而會超過人體核心溫度的安全值上限，對滯留人員會造成致命的傷害。

本文設(shè)計實現(xiàn)的車載兒童防滯留系統(tǒng)，通過相應的傳感器感知車內(nèi)環(huán)境的變化，應用無線通信技術(shù)、GPS 定位技術(shù)等進行決策，向車主發(fā)送提示短信的同時能夠自動改善車內(nèi)安全參數(shù)，從而預防人員尤其是兒童滯留車內(nèi)所造成的事故隱患[3]。

1 總體方案設(shè)計

車載防滯留系統(tǒng)是基于單片機完成模型的構(gòu)建和系統(tǒng)測試的。通過傳感器和感應模塊可以檢測車輛的運行狀態(tài)、駕駛員是否在駕駛座上以及車內(nèi)是否有人員滯留等。如果車輛停止運行且駕駛員離開座位且檢測到兒童滯留就會進行安全系數(shù)檢測，此時如果車內(nèi)溫度或者二氧化碳濃度超過系統(tǒng)閾值就會打開車窗和開啟風扇降溫通風，同時GSM 模塊會向車主手機發(fā)送求救短信，短信內(nèi)容包含車輛位置等信息，方便及時對車輛定位并實施救援[4]。

控制器的選擇是整個系統(tǒng)設(shè)計中非常重要的一個環(huán)節(jié)，系統(tǒng)能否實現(xiàn)既定功能，離不開合適的控制系統(tǒng)作為基礎(chǔ)。本文選用的控制系統(tǒng)是以CoTex-m3 技術(shù)的三十二位控制器STM32F103C8T6，控制器可以在 -40 ℃～ 85 ℃的條件下穩(wěn)定工作[5]。顯示器采用OLED12864，該顯示器可以清晰直觀地反映相關(guān)參數(shù)。無線通信模塊采用GSM 通信模塊，GSM通信模塊是建立在用戶手機和汽車之間聯(lián)系的橋梁[6]。為了更好地檢測駕駛員是否離開座位，本文采用內(nèi)部集成24 位AD 轉(zhuǎn)換的高精度芯片HX711 傳感器。由于系統(tǒng)需要提供準確的位置，因此選擇GPS NEO-6MV2 定位模塊。針對車內(nèi)的二氧化碳濃度和溫度的監(jiān)測，采用一種全數(shù)字的空氣感應器SGP30 傳感器和單總線器件DS18В20[7]。最后采用HC-SR505 模塊來模擬車內(nèi)是否有人。

2 硬件設(shè)計

車載兒童防滯留系統(tǒng)以STM32 單片機和GSM 模塊為核心，前者用來控制各種設(shè)備，后者通過串口通信完成信號的精準發(fā)送。硬件使用STM32 為主處理器，同時結(jié)合GSM 無線通訊模塊、OLED 顯示器模塊、GPS-NEO-6MV2定位模塊、SGP30 傳感器、DS18В20 溫度監(jiān)測模塊、HCSR505 人體感應模塊和HX711 壓力傳感器等共同構(gòu)成硬件系統(tǒng)。硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 硬件設(shè)計各模塊連接圖

■2.1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)開始工作，首先需要判斷車輛是否停止運行，如果車輛不是處于停止狀態(tài)，系統(tǒng)便進行初始化。如果監(jiān)測車輛處于停止狀態(tài)，系統(tǒng)進入模式選擇，選擇兒童滯留檢測模式時，判斷是否有兒童在車內(nèi)，如果判斷有兒童系統(tǒng)將自動向車主發(fā)送提示短信，同時自動打開車窗風扇，改善車內(nèi)環(huán)境；選擇安全模式時判斷是否有人員闖入，發(fā)現(xiàn)有人闖入時向系統(tǒng)將會自動及時車主發(fā)送提示短信。

系統(tǒng)工作流程圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

■2.2 電路設(shè)計

人體感應電路設(shè)計，用+端接電源的正極；-端接電源的負值；OUT 端為輸出端，當汽車內(nèi)有人進入監(jiān)測范圍，電路輸出高電平，人離開監(jiān)測范圍時，電路延時一段時間后輸出低電平，圖3 是人體感應模塊原理圖的設(shè)計，在P05和P06 外接MCU 來觸發(fā)電平實現(xiàn)檢測人的信息。人體感應電路如圖3 所示。

圖3 人體感應電路設(shè)計圖

針對該系統(tǒng)，采集汽車內(nèi)人員的位置，壓力傳感器尤為重要，當有電壓輸入的時候，經(jīng)過運算放大器可以產(chǎn)生64倍或者128 倍的增益效果，在對輸入和輸出的信號通過RC振蕩電路產(chǎn)生一定的脈沖信號，再經(jīng)過電容濾波處理，電路中三極管的PNP 的集電極接VCC 也是對電流進行放大，在信號處理上就會有好的效果，壓力監(jiān)測電路設(shè)計如圖4 所示。

圖4 壓力監(jiān)測電路設(shè)計圖

二氧化碳濃度監(jiān)測模塊電路設(shè)計，通過讀取芯片內(nèi)部信息，經(jīng)過I2C 協(xié)議與MCU 進行數(shù)據(jù)處理，然后經(jīng)過單片機的處理，在VDD 接口感應到外界信號后然后經(jīng)過100nF 的電容進行濾波，Rpp 滑動變阻器可以改變檢測的靈敏度，然后SCL 和SDA 數(shù)據(jù)傳輸接口都要接一個電容來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，且電氣特性最小的供電電壓為1.62V，最大是1.98V。二氧化碳濃度監(jiān)測模塊電路如圖5 所示。

圖5 二氧化碳濃度監(jiān)測模塊設(shè)計圖

溫度監(jiān)測電路設(shè)計，DS18В20 可使用寄生電源，可以在I/O 引腳處于高電平時“偷”些能量，儲存在電容中供正常使用，進行精確轉(zhuǎn)換時需要IO 引腳保持大電流供電。使用VDD 引腳接外部電源供電的優(yōu)點在于IO 線上不需要在溫度變換期間保持高電平。這樣就可以有效地保護FPGA 芯片，也可在單總線上放置多數(shù)目的DS18В20，溫度監(jiān)測電路模塊如圖6 所示。

圖6 溫度監(jiān)測電路設(shè)計圖

電源電路設(shè)計，ME6211-3.3 是一種電源管理芯片，通常用于電子設(shè)備中的電源管理和電壓轉(zhuǎn)換任務(wù)。它提供穩(wěn)定的3.3V 電壓輸出，并具有過電流保護、過熱保護和短路保護等功能，可以保證設(shè)備的穩(wěn)定工作和安全性。電源電路設(shè)計圖如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)電路設(shè)計圖

3 軟件設(shè)計

車載兒童防滯留系統(tǒng)的軟件部分主要包括主程序設(shè)計、OLED 驅(qū)動程序設(shè)計、無線接收通信程序設(shè)計和電機驅(qū)動程序設(shè)計。軟件的程序首先要判斷車輛是否停止運行，然后進入模式選擇，選擇兒童滯留檢測模式時，判斷是否有兒童在車內(nèi)，有時向車主發(fā)送提示短信，并且打開車窗風扇，改善車內(nèi)環(huán)境；安全模式時判斷是否有人員闖入，發(fā)現(xiàn)有人闖入時向車主發(fā)送提示短信。若汽車有異常情況，如溫度異常，CO2濃度過高或聲音等只要觸發(fā)其中的一個傳感器，使與傳感器相連的單片機管腳的電平發(fā)生變化（由低電平變成高電平），此變化作為信號，經(jīng)單片機判斷后確認是警情信號，單片機將控制SIM800 發(fā)送短信給預設(shè)的個人監(jiān)控號碼，無線接收系統(tǒng)流程圖如圖8 所示。

圖8 無線接收系統(tǒng)流程圖

4 系統(tǒng)測試

完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，需要對整個系統(tǒng)進行測試。系統(tǒng)接通電源后啟動，進入系統(tǒng)初始界面。模擬給系統(tǒng)施加壓力，傳感器感受到壓力時，顯示屏顯示在位情況，無壓力時顯示離開。OLED 顯示司機在位界面如圖9 所示。模擬車輛停止司機離開位置時，然后通過人體感應模塊檢測是否有兒童在車上，當檢測有人時，系統(tǒng)就會切換安全數(shù)據(jù)檢測界面。安全數(shù)據(jù)檢測界面如圖10 所示。此時進行溫度和二氧化碳濃度測試，當溫度或者二氧化碳濃度高于一定的閾值時，系統(tǒng)就會進入報警功能，風扇就會轉(zhuǎn)動，然后SG90 舵機就會旋轉(zhuǎn)90 度，模擬打開車窗，然后發(fā)送短信給手機，手機接收信息內(nèi)容界面如圖11 所示。司機離開車確定車里沒有人時候，可以用按鍵設(shè)計系統(tǒng)進入車輛防盜報警狀態(tài)，當人體感應模塊檢測到有人時，然后車就會報警，尾燈就會不斷閃爍，手機也會收到報警消息[8]。

圖9 司機在位界面

圖10 安全數(shù)據(jù)檢測界面

圖11 手機接收信息內(nèi)容界面

5 結(jié)語

本文基于STM32 核心控制器完成了車載兒童防滯留系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了系統(tǒng)整體方案構(gòu)建、傳感器模塊的選擇、電路設(shè)計連接、程序設(shè)計、系統(tǒng)測試等。在整個系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)的過程中也會有不同的難題，但最終都一一攻克了，并且最終設(shè)置完成了整個系統(tǒng)。該系統(tǒng)研究以人為主體，同時與車內(nèi)兒童座椅相組合[9]，對滯留兒童生命健康起到了一定程度上的保護作用。經(jīng)過測試表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，有效避免了滯留車內(nèi)人員發(fā)生危險的情況。本系統(tǒng)還存在一定的不足，在后續(xù)的研究中將進一步完善。例如：對程序代碼進一步優(yōu)化算法，提高程序的可讀性和高效性；GPS NEO-6MV2 定位模塊只能精確定位位置的經(jīng)緯度，而不能做到實時導航等。