車內(nèi)緊急狀況遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：隨著社會(huì)的進(jìn)步發(fā)展，汽車已經(jīng)成為人們生活中必不可少的交通工具，然而，隨著汽車使用的普及，在夏季高溫天氣下，兒童被遺忘在車內(nèi)導(dǎo)致的悲劇性事件時(shí)有發(fā)生，可能導(dǎo)致兒童窒息或死亡，這對(duì)車內(nèi)安全系統(tǒng)提出了迫切要求，為了解決上述問(wèn)題，文章設(shè)計(jì)出了一種車內(nèi)緊急狀況遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)車內(nèi)溫度和聲音。當(dāng)車內(nèi)溫度和聲音同時(shí)達(dá)到預(yù)設(shè)閾值時(shí)，系統(tǒng)將觸發(fā)車內(nèi)報(bào)警裝置，并通過(guò)通信模塊發(fā)送警報(bào)信息到家長(zhǎng)的手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度與聲音的檢測(cè)與報(bào)警功能。系統(tǒng)利用了多元檢測(cè)和報(bào)警方法，不僅能有效防止兒童在車內(nèi)遭受意外傷害，還為智能安防技術(shù)與其他領(lǐng)域的發(fā)展提供了有益的探索和借鑒。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī) 溫度檢測(cè) 聲音檢測(cè) 遠(yuǎn)程報(bào)警

近年來(lái)，夏季高溫天氣下兒童被遺忘在車內(nèi)導(dǎo)致的悲劇性事件時(shí)有發(fā)生，這種環(huán)境對(duì)于兒童來(lái)說(shuō)很容易導(dǎo)致中暑、窒息甚至死亡。研究表明，兒童哭聲的聲強(qiáng)和持續(xù)時(shí)間因情緒和需求而異，常見(jiàn)聲強(qiáng)在60dB到90dB之間。因此，結(jié)合車內(nèi)溫度和聲音兩個(gè)物理指標(biāo)，可以有效判斷車內(nèi)是否存在危及兒童生命的情況。

隨著智能傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展和報(bào)警系統(tǒng)的逐漸出現(xiàn)，本文針對(duì)兒童被遺忘在車內(nèi)的嚴(yán)重問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種能夠根據(jù)車內(nèi)溫度和兒童哭聲的數(shù)據(jù)變化的報(bào)警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)的思路，各模塊功能明確，便于開(kāi)發(fā)、調(diào)試與擴(kuò)展?？梢匝杆俨杉c處理數(shù)據(jù)，易用性強(qiáng)，以多種報(bào)警方式避免危險(xiǎn)情況的發(fā)生。方案將系統(tǒng)劃分為輸入與輸出兩個(gè)部分，以確保對(duì)車內(nèi)環(huán)境的全面檢測(cè)和及時(shí)報(bào)警。

在輸入部分，通過(guò)設(shè)計(jì)溫度檢測(cè)模塊與聲音檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)車內(nèi)實(shí)時(shí)溫度與聲音信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集的功能，通過(guò)三個(gè)獨(dú)立按鍵實(shí)現(xiàn)模式切換以及溫度與聲音閾值高低調(diào)整的功能。

在輸出部分，方案設(shè)計(jì)了顯示模塊，負(fù)責(zé)顯示設(shè)定的溫度與聲音閾值以及車內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度和聲音，實(shí)現(xiàn)對(duì)車內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的顯示與蜂鳴器報(bào)警功能。同時(shí)，遠(yuǎn)程報(bào)警功能能迅速將車內(nèi)信息發(fā)送到用戶手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程提醒。

系統(tǒng)上電后，初始化各個(gè)模塊，溫度檢測(cè)模塊檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境溫度，并將信號(hào)輸出給主控芯片。聲音檢測(cè)模塊將當(dāng)前環(huán)境聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)并將信號(hào)傳輸給A/D轉(zhuǎn)換模塊。A/D轉(zhuǎn)換模塊對(duì)聲音檢測(cè)模塊的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出給主控芯片。顯示模塊顯示初始信息，包括當(dāng)前設(shè)定的溫度和聲音閾值。系統(tǒng)每秒執(zhí)行一次數(shù)據(jù)采集和處理，將采集到的溫度和聲音數(shù)據(jù)顯示在顯示模塊上。報(bào)警模塊檢查溫度和聲音是否超過(guò)預(yù)設(shè)的報(bào)警閾值。如果超過(guò)閾值，則在顯示模塊上顯示警告、啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警、通信模塊發(fā)送報(bào)警短信。

2 系統(tǒng)核心模塊硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片選擇

在設(shè)計(jì)車內(nèi)緊急狀況遠(yuǎn)程報(bào)警器的過(guò)程中，由于52單片機(jī)是經(jīng)典的8位主控芯片，具有高集成度、高可靠性和價(jià)格實(shí)惠的優(yōu)點(diǎn)，其中用途最廣泛的單片機(jī)型號(hào)主要有兩種，分別是AT89C52單片機(jī)與STC89C52RC單片機(jī)。STC89C52RC是STC推出的新一代高速，寬電壓，低功耗，超強(qiáng)抗干擾，高性能CMOS8位單片機(jī)，工作電壓：3.8V-5.5V，工作頻率范圍：0到35MHz，是8k字節(jié)程序空間的可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash（閃存）只讀程序存儲(chǔ)器（ROM）和512字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），它的體積小而且供電量低，處理速度快，內(nèi)部空間大，所以將STC89C52RC單片機(jī)作為主控芯片。由于大多數(shù)的以52為內(nèi)核的單片機(jī)，其內(nèi)部已經(jīng)包含了一定數(shù)量的程序存儲(chǔ)器，在外部只要增加內(nèi)部時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如圖2所示。

2.2 溫度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

由于車內(nèi)緊急狀況遠(yuǎn)程報(bào)警器需要對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)，本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)比NTC熱敏電阻、RTD、熱電偶和DS18B20數(shù)字溫度傳感器，由于NTC熱敏電阻的測(cè)量精度較低，受外界環(huán)境影響較大，熱電偶是一種利用兩種不同金屬的熱電效應(yīng)來(lái)測(cè)量溫度的傳感器，但是其輸出信號(hào)非常微弱，需要高精度的放大器，且測(cè)量精度相對(duì)較低，RTD的缺點(diǎn)是響應(yīng)速度較慢，成本較高，不太適合成本較低的嵌入式系統(tǒng)，DS18B20數(shù)字溫度傳感器的測(cè)量精度可達(dá)±0.5℃，可以直接輸出數(shù)字信號(hào)，輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定，適合精確溫度測(cè)量，因此DS18B20成為最佳選擇。

基于DS18B20的快速感知特性，溫度檢測(cè)模塊可以與報(bào)警模塊集成，構(gòu)建完整的報(bào)警系統(tǒng)。當(dāng)環(huán)境溫度超出設(shè)定范圍時(shí)，報(bào)警模塊可以觸發(fā)報(bào)警并采取對(duì)應(yīng)的措施，保障車輛內(nèi)部?jī)和陌踩?。DS18B20溫度傳感器的檢測(cè)范圍（-55℃～+125℃）可以完全滿足系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)對(duì)檢測(cè)車內(nèi)環(huán)境具體溫度的需求。

2.3 聲音檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

聲音檢測(cè)模塊在車內(nèi)緊急狀況遠(yuǎn)程報(bào)警器中起到關(guān)鍵作用，本設(shè)計(jì)選擇電容式拾音器作為聲音檢測(cè)設(shè)備的最佳選擇。模塊內(nèi)置電容式拾音器與電容式濾波器，將濾波后的信號(hào)經(jīng)過(guò)漂零處理將優(yōu)化后的聲音信號(hào)輸出。聲音檢測(cè)模塊由變送模塊、漂零模塊組成，變送模塊將采集到的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量輸出，促進(jìn)模塊內(nèi)數(shù)據(jù)的傳輸。漂零模塊主要通過(guò)補(bǔ)償漂移，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

2.4 顯示模塊設(shè)計(jì)

由于車內(nèi)緊急狀況遠(yuǎn)程報(bào)警器需要對(duì)實(shí)時(shí)溫度與聲音進(jìn)行精確顯示，對(duì)可視化與用戶交互要求較高，因此選擇合適的顯示設(shè)備至關(guān)重要。LCD1602是一種字符型液晶顯示模塊，可以顯示ASCII碼的標(biāo)準(zhǔn)字符和其他的一些內(nèi)置特殊字符，還可以有8個(gè)自定義字符，顯示容量為6×2個(gè)字符，顯示內(nèi)容豐富，控制簡(jiǎn)單，成本適中，成為顯示設(shè)備的最佳選擇，能夠滿足系統(tǒng)的要求。顯示模塊中LCD1602的1至3端口分別與電源地，電源正極，10K電位器相連，16端與電源地相連，作為背光負(fù)極。

2.5 按鍵模塊設(shè)計(jì)

按鍵模塊操作過(guò)程中，獨(dú)立按鍵被按下會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)脈沖，電信號(hào)會(huì)被傳遞STC89C52RC單片機(jī)進(jìn)行處理。通過(guò)這三個(gè)按鍵，用戶可以隨時(shí)切換模式并調(diào)整對(duì)預(yù)設(shè)溫度閾值或聲音閾值高低的控制。獨(dú)立按鍵K1、K2、K3用于設(shè)置溫度和聲音的報(bào)警閾值。

2.6 通信模塊設(shè)計(jì)

通信模塊采用SIM900A，該模塊支持多種通信方式和功能，包括數(shù)據(jù)傳輸、短信、語(yǔ)音通話等。采用低功耗設(shè)計(jì)，通信穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)傳輸速度快，接口簡(jiǎn)潔。SIM900A通信模塊是一種廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的通信模塊，由主控芯片、通信接口、天線、SIM卡插槽、電源接口等組成。

2.7 統(tǒng)整體硬件電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、溫度檢測(cè)模塊、聲音檢測(cè)模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、按鍵模塊、LCD1602液晶顯示屏、通信模塊等組成。

DS18B20溫度傳感器對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。聲音檢測(cè)模塊將檢測(cè)到的聲音模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波與放大，傳給A/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊使用PCF8591將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后傳給單片機(jī)，單片機(jī)得到信號(hào)后，將檢測(cè)值與閾值相對(duì)比，如果超過(guò)閾值，將觸發(fā)蜂鳴器、LCD1602液晶顯示屏在車內(nèi)報(bào)警，同時(shí)通過(guò)通信模塊向車主發(fā)送短信報(bào)警，將緊急情況及時(shí)通知用戶。同時(shí)，單片機(jī)在得到溫度信號(hào)后，將檢測(cè)值與閾值相對(duì)比，如果超過(guò)閾值，同樣會(huì)在車內(nèi)與車外報(bào)警。如果低于閾值，將關(guān)閉蜂鳴器，停止顯示屏在車內(nèi)報(bào)警。系統(tǒng)通過(guò)三個(gè)獨(dú)立按鍵隨時(shí)調(diào)整系統(tǒng)所設(shè)定的溫度與聲音閾值高低。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體軟件流程

車內(nèi)緊急狀況遠(yuǎn)程報(bào)警器的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，層次清晰，使用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，由溫度檢測(cè)模塊，聲音檢測(cè)模塊、PCF8591模塊，LCD顯示模塊，蜂鳴器報(bào)警模塊，SIM900A通信模塊組成，各模塊互相集成構(gòu)成了完整的軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)總體軟件流程圖如圖3所示。

程序開(kāi)始運(yùn)行后，主程序會(huì)首先對(duì)單片機(jī)、LCD顯示模塊、PCF8591等模塊進(jìn)行初始化，以確保各部分程序正常運(yùn)行，然后進(jìn)入主循環(huán)。進(jìn)入主循環(huán)后，主程序會(huì)調(diào)用相應(yīng)的模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、處理與傳送。序進(jìn)入正常狀態(tài)以后，LCD1602可以直觀地顯示環(huán)境中的溫度與聲音數(shù)據(jù)，方便用戶隨時(shí)通過(guò)按鍵切換模式修改溫度與聲音閾值的高低。當(dāng)實(shí)際的環(huán)境溫度和聲音同時(shí)超過(guò)閾值或其中一個(gè)超過(guò)閾值時(shí)，系統(tǒng)將通過(guò)翻轉(zhuǎn)蜂鳴器發(fā)出持續(xù)的報(bào)警聲，并通過(guò)LCD顯示“warning?。。　钡木拘畔?，同時(shí)通過(guò)通信模塊向用戶手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信進(jìn)行報(bào)警。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換程序的設(shè)計(jì)流程圖分為兩步，第一步：PCF8591初始化程序，在PCF8591_init（）函數(shù)中，單片機(jī)通過(guò)I2C總線協(xié)議向PCF8591模塊發(fā)送初始化命令，設(shè)置讀取模擬值的通道參數(shù)。第二步：讀取A/D值程序，在AD_read（）函數(shù)中，首先通過(guò)I2C總線發(fā)送讀取指令給PCF8591模塊，然后從模塊中讀取返回的AD值，并將其作為函數(shù)的返回值。

聲音傳感器模塊輸出的模擬信號(hào)范圍是0V到3.44V。為了將聲音傳感模塊得到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為分貝值，并在液晶屏上顯示，需要將聲音傳感模塊的模擬輸出的模擬信號(hào)通過(guò)PCF8591轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。所以將模擬輸出帶入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換公式，得出PCF8591輸出的數(shù)字值A(chǔ)D value與分貝值的公式，數(shù)字值A(chǔ)D value與分貝值的公式如公式（1）所示：

（1）

3.3 LCD1602顯示程序設(shè)計(jì)

LCD1602程序開(kāi)始之后，首先通過(guò)寫(xiě)命令，設(shè)置系統(tǒng)光標(biāo)位置，進(jìn)行LCD1602初始化，再通過(guò)發(fā)送數(shù)據(jù)與設(shè)置光標(biāo)位置和一系列數(shù)據(jù)處理就可以在LCD1602上指定位置顯示字符、字符串、數(shù)字。LCD通過(guò)初始化與發(fā)送指令確定顯示字母與數(shù)字的位置與長(zhǎng)度，通過(guò)寫(xiě)指令與寫(xiě)數(shù)據(jù)完成對(duì)數(shù)據(jù)完成對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸與顯示。

3.4 報(bào)警程序的設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)初始化完成后，通過(guò)溫度傳感器與聲音檢測(cè)模塊讀取溫度與聲音數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)會(huì)將當(dāng)前數(shù)據(jù)與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，當(dāng)環(huán)境溫度與分貝值同時(shí)達(dá)到設(shè)定的閾值，或者其中一個(gè)達(dá)到閾值時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)觸發(fā)蜂鳴器蜂鳴發(fā)出持續(xù)的警報(bào)聲報(bào)警，當(dāng)環(huán)境溫度與分貝值同時(shí)低于設(shè)定的閾值，或者其中一個(gè)低于閾值時(shí)蜂鳴器就停止報(bào)警。系統(tǒng)使用無(wú)源蜂鳴器報(bào)警，通過(guò)集成電路驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)，通過(guò)短信通知用戶，無(wú)論用戶是否在車輛附近，都能及時(shí)獲知車內(nèi)狀況，確保安全。這種報(bào)警設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和有效性，為車輛用戶提供了可靠的緊急報(bào)警方式，防止危險(xiǎn)的發(fā)生。

4 總結(jié)與展望

文章以STC89C52RC為核心芯片，設(shè)計(jì)了一種對(duì)車內(nèi)溫度和聲音兩個(gè)物理指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)。通過(guò)硬件設(shè)計(jì)，軟件編碼和實(shí)際測(cè)試，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)車內(nèi)溫度與聲音的檢測(cè)和報(bào)警功能，系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)原則，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。

本設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，通過(guò)改進(jìn)硬件來(lái)提高溫度和聲音監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，也可以在報(bào)警器中考慮增加更多的安全功能，如遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)更車輛內(nèi)外的管理和控制。同時(shí)可以開(kāi)發(fā)功能更加完善的報(bào)警器，將報(bào)警器推廣到更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，如工業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能家居安防等領(lǐng)域，滿足不同場(chǎng)景下的需求。

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