基于單片機(jī)的車內(nèi)滯留人員安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李佳星，梁廣彪，任博，劉同，馮雨航，李瑞英

（大慶師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江大慶，163712）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展和我國(guó)人民生活水平的提高，越來越多的機(jī)動(dòng)車輛正在成為現(xiàn)代的重要交通工具，車輛的安全已成為一個(gè)問題。對(duì)諸如安全保護(hù)，例如安全氣袋、安全帶和跟蹤前的警報(bào)器，是防止車輛在行駛中發(fā)生個(gè)人事故的安全措施，在滅火后留下的兒童的人身安全沒有保護(hù);警報(bào)器是車輛車輛、噪音噪音、干擾和許可證不準(zhǔn)確的主要原因。關(guān)于這兩個(gè)點(diǎn)，已經(jīng)設(shè)計(jì)了一個(gè)有效的兒童保護(hù)系統(tǒng)，使用低成本車輛，實(shí)用性較強(qiáng)的車載兒童安防系統(tǒng)“平安狗”，通過采用單片機(jī)控制和多種傳感器融合的手段設(shè)計(jì)了一款智能的車載人員安防系統(tǒng)，即在感知到駕駛員駐車離開后，主動(dòng)判斷車內(nèi)有無滯留人員，并自動(dòng)監(jiān)測(cè)車內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)；當(dāng)監(jiān)測(cè)到車內(nèi)的溫度或者二氧化碳的濃度過高，車內(nèi)兒童有窒息或者脫水的危險(xiǎn)時(shí)，本系統(tǒng)會(huì)采取一系列措施主動(dòng)解救車內(nèi)被困兒童，還會(huì)自動(dòng)向車輛聯(lián)系人的手機(jī)發(fā)送求救信息，為救援搶救贏得時(shí)間，挽救被困兒童的生命。本裝置還可以根據(jù)用戶需求，修改車輛聯(lián)系人的手機(jī)號(hào)。它非常實(shí)用，市場(chǎng)前景良好。

1 本系統(tǒng)的應(yīng)用背景

目前，國(guó)內(nèi)外的大小城市，汽車已經(jīng)非常普及，這給人們帶來了極大的便利，同時(shí)也帶來了諸多潛在的安全隱患。由于家長(zhǎng)們和看護(hù)者的疏忽大意，孩子被遺留并鎖在車?yán)锊⒉缓币姟１焕г谲噧?nèi)的兒童可能會(huì)脫水、中暑、過熱、溺水甚至死亡。實(shí)踐研究表明，如果車門關(guān)閉且環(huán)境溫度超過37°C左右，則車內(nèi)溫度有55%的機(jī)會(huì)在5分鐘內(nèi)升高至15分鐘內(nèi)的最高溫度，而從51°C升高至75%。上升到67℃。在某些情況下，嬰兒會(huì)在5分鐘內(nèi)失去對(duì)體溫的控制，而高溫會(huì)在15至55分鐘內(nèi)發(fā)生。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在1999年至2007年之間，美國(guó)有231名兒童死于車溫過高，其中80%以上是由于父母將孩子留在車?yán)镌斐傻?。?001年至2010年之間，在美國(guó)涉及兒童的非交通事故中，有58%被車輛熱輻射致死。在夏季，在密封的汽車中容易中暑，這可能會(huì)導(dǎo)致多器官功能障礙或致命性衰竭。涉及卡在汽車中的兒童的安全事故占汽車非交通事故死亡的大部分。這表明解決安全問題具有很重要現(xiàn)實(shí)意義?；谏鲜龌鶞?zhǔn)，本文設(shè)計(jì)基本技術(shù)參數(shù)為：重量5千克，能耗10w/h。數(shù)據(jù)采集誤差范圍±0.05，工作環(huán)境在-35至65℃之間的安全系統(tǒng)。

表1 貼膜與不貼膜車內(nèi)溫度上升情況

2 車載兒童安防系統(tǒng)研究

■2.1 本系統(tǒng)基本功能及條件

針對(duì)被困車內(nèi)人員安防和車輛防盜這兩個(gè)社會(huì)關(guān)注度非常高的痛點(diǎn)問題，目前國(guó)內(nèi)外主要研究為以下兩類：一類是基于對(duì)門鎖的檢測(cè)，檢測(cè)汽車門窗門是否關(guān)閉，同時(shí)配合座椅壓力傳感器來確定汽車中是否有小孩，但是此法不具有遠(yuǎn)程警報(bào)和防忘記功能，很難實(shí)現(xiàn)。一類是基于點(diǎn)火開關(guān)的檢測(cè)，例如通過檢測(cè)車鑰匙是否在鑰匙孔中以確定車輛是否停止；通過壓力傳感器和溫度傳感器進(jìn)一步確定是否有人員被滯留在車內(nèi)，但是此法不利于于產(chǎn)品的推廣。此外，碎片可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)錯(cuò)誤判斷。而采用多個(gè)傳感器的檢測(cè)以及遠(yuǎn)程防忘和自救功能是我們研究的關(guān)鍵主題：系統(tǒng)自動(dòng)化和智能營(yíng)救被困兒童可以顯著降低被困兒童死亡的可能性。

針對(duì)被困車內(nèi)人員安防和車輛防盜這兩個(gè)社會(huì)關(guān)注度非常高的痛點(diǎn)問題，目前國(guó)內(nèi)外主要研究為以下兩類：一類是基于對(duì)門鎖的檢測(cè)，例如確定門是否關(guān)閉以及結(jié)合座椅壓力傳感器來確定汽車中是否有小孩，但是這種方法不具有遠(yuǎn)程警報(bào)和防忘記功能，并且沒有更復(fù)雜的中央控制門鎖很難實(shí)現(xiàn)。一類是基于點(diǎn)火開關(guān)的檢測(cè)，例如車鑰匙是否在鑰匙孔中以確定車輛是否停止；壓力和溫度傳感器進(jìn)一步確定是否有孩子被困在車內(nèi)。但是，由于該設(shè)計(jì)結(jié)合了汽車的內(nèi)部，因此對(duì)于產(chǎn)品的推廣極為不利。此外，碎片可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)錯(cuò)誤判斷?？傊?，二氧化碳濃度傳感器、光電傳感器、霍爾傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等多個(gè)傳感器的檢測(cè)以及遠(yuǎn)程的防遺忘和自救功能是此項(xiàng)研究的關(guān)鍵問題：系統(tǒng)自動(dòng)化和智能營(yíng)救被困兒童可以顯著降低被困兒童死亡的可能性。

為了解決以上痛點(diǎn)問題，同時(shí)滿足人們對(duì)安全、價(jià)格、可靠性等的需求，該系統(tǒng)的實(shí)施必須遵守以下限制和要求：(1)降低成本提高性價(jià)比：系統(tǒng)成本要低，除高精度檢測(cè)元件外，要控制或降低成本；(2)要求設(shè)備易于操作，穩(wěn)定性好，功耗低；(3)為了提高靈敏度和傳輸時(shí)效性，要求所采用的傳感器具有較的高靈敏度，同時(shí)具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸功能；(4)體積小巧，具有便攜性，從而能夠滿足后續(xù)安裝在車輛上的需要；(5)既可以自動(dòng)營(yíng)救被困兒童，同時(shí)能夠主動(dòng)尋求主人或警察等的幫助。

■2.2 本系統(tǒng)主要部件及功能

基于單片機(jī)的車內(nèi)滯留人員安防系統(tǒng)如圖1所示。監(jiān)測(cè)裝置主要包括檢測(cè)：二氧化碳濃度傳感器、光電傳感器、霍爾傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等，可用于實(shí)時(shí)檢測(cè)車內(nèi)二氧化碳濃度、溫度、濕度、汽車座椅壓力等等參數(shù)。中央處理器主要由原車電源供電，接收、計(jì)算、處理信號(hào)并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括：短信通信模塊、發(fā)光器、發(fā)聲器、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)控制器、車窗升降電機(jī)等，可用于檢測(cè)到有人員滯留在車內(nèi)時(shí)，實(shí)時(shí)發(fā)送短信給車主或其他營(yíng)救人員，同時(shí)驅(qū)動(dòng)原車警示燈，發(fā)光警示的同時(shí)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出報(bào)警聲，并自動(dòng)打開通風(fēng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)原車配置的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)和原車車窗升降系統(tǒng)，從而避免由于溫度過高或者氧氣稀薄造成的車內(nèi)滯留人員身體不適，甚至窒息死亡，達(dá)到保護(hù)滯留車內(nèi)兒童的安全的目的。

圖1 車內(nèi)滯留兒童監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

這次設(shè)計(jì)使用到的編程軟件是MDK5，MDK5是一款非常適合開發(fā)STM32芯片的編程軟件。 STM32系列的處理器是基于ARM公司設(shè)計(jì)的M系列內(nèi)核開發(fā)的微處理器，我們?cè)O(shè)計(jì)中使用的STM32F103C8T6是基于M3內(nèi)核的微處理器，與MDK5的兼容性非常強(qiáng)。同時(shí)MDK5還可以優(yōu)化代碼，減小代碼占用的內(nèi)存空間。在編程之前我們需要解壓STM官方提供的固件，選擇好芯片的型號(hào)以及芯片的flash的大小，把STM官方提供的庫(kù)文件添加到新建的工程中，經(jīng)編譯無錯(cuò)誤就可以編寫我們的系統(tǒng)代碼。

■3.1 系統(tǒng)硬件原理圖

本裝置是一種防止駐車后車內(nèi)人員發(fā)生安全事故的報(bào)警裝置，基于單片機(jī)的車內(nèi)滯留人員安防系統(tǒng)硬件原理圖如圖2所示。

■3.2 系統(tǒng)硬件材料

在該系統(tǒng)中，中央微控制器STM32C8T6是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心部分，系統(tǒng)的輸入通道主要包括：安放在駕駛員座椅位置的人體的壓力傳感器、霍爾傳感器和紅外傳感器模塊。SIM800C和OLED屏幕，蜂鳴器，警告燈，窗戶電機(jī)和空調(diào)系統(tǒng)是系統(tǒng)的后通道，用于信號(hào)輸出。發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，SIM800C會(huì)向目標(biāo)手機(jī)號(hào)碼發(fā)送警報(bào)信息，MCU發(fā)出可變電平的信號(hào)使警報(bào)響起并閃爍車輛LED警告燈，打開車窗和空調(diào)系統(tǒng)。OLED屏幕充當(dāng)人類互動(dòng)的中心，顯示一些重要的系統(tǒng)參數(shù)。系統(tǒng)的控制參數(shù)和時(shí)間設(shè)置可以通過彈片按鈕方便快捷的實(shí)現(xiàn)。此設(shè)計(jì)中的按鈕主要用于更改系統(tǒng)時(shí)間。

■3.3 系統(tǒng)調(diào)試

（1）串口調(diào)試助手測(cè)試介紹

SIM800C支持AT指令集配置發(fā)送模式以及發(fā)送內(nèi)容，下面就介紹一下SIM800C的AT指令以及串口調(diào)試助手上的驗(yàn)證。如果利用CH340，PL2302等，則直接連接gsm模塊，模塊的電源有5V和BAT ，只需要連接5V，bat引腳不用連接，這個(gè)是用鋰電池供電時(shí)接4.2V鋰電池的，串口模塊5V接模塊5V；串口模塊地接模塊gnd；串口模塊T接模塊R；串口模塊R接模塊T。

（2）打開串口調(diào)試助手，參數(shù)設(shè)置為如圖3所示：參數(shù)設(shè)置完畢之后發(fā)送ATE1，返回OK則連接成功。

圖2 基于單片機(jī)的車內(nèi)滯留人員安防系統(tǒng)硬件原理圖

圖3 XCOM發(fā)送相關(guān)AT指令

（3）模塊軟件程序

printf("ATE1 ");//開回顯

printf("AT+CMGF=1 ");//設(shè)置為文本模式

printf("AT+CMGS="17344098802" ");

//目標(biāo)手機(jī)號(hào)

printf(“Auto theft warning”);

USART_SendData(USART1 ,0X1A); //發(fā)送結(jié)束符

程序中的” ”意思是回車換行，首先發(fā)送AT指令A(yù)TE1開回顯，意思是你發(fā)送的命令會(huì)返回給單片機(jī)，這里我們?cè)O(shè)置為返回，其實(shí)這里開關(guān)都不影響。第二個(gè)發(fā)送AT+CMGF=1，設(shè)置模塊為文本模式，只能發(fā)送英文短信。之后則發(fā)送目標(biāo)手機(jī)號(hào)，隨后發(fā)送需要發(fā)送的內(nèi)容，最后發(fā)送查詢指令16進(jìn)制下的1A,如果模塊向串口調(diào)試助手返回+CMGS則表明短信發(fā)送成功，等待短信到目標(biāo)手機(jī)上即可。

4 系統(tǒng)工作流程圖

基于單片機(jī)的車內(nèi)滯留人員安防系統(tǒng)采用傳感器作為監(jiān)測(cè)裝置，單片機(jī)來處理信號(hào)和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置，系統(tǒng)的工作流程圖如圖4、5所示。

當(dāng)駕駛員停車并離開時(shí)，該設(shè)備會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，并使用傳感器檢測(cè)汽車的溫度和二氧化碳濃度；當(dāng)檢測(cè)到車內(nèi)人員有危險(xiǎn)時(shí)，除了控制車輛自身解救兒童外，還會(huì)向車輛聯(lián)系人的手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息。短信號(hào)碼我們通過上位機(jī)把它存儲(chǔ)在單片機(jī)的flash存儲(chǔ)器里。后期可根據(jù)需求，修改手機(jī)號(hào)碼和拓展聯(lián)系人。本裝置最多可以向2個(gè)車輛聯(lián)系人的手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息，當(dāng)向第一位聯(lián)系人發(fā)送報(bào)警信息后，隔一分鐘后，再向第二位聯(lián)系人發(fā)送報(bào)警。

5 基于單片機(jī)的車內(nèi)滯留人員安防系統(tǒng)功能測(cè)試流程

基于單片機(jī)的車內(nèi)滯留人員安防系統(tǒng)功能測(cè)試流程的主要步驟如下：

圖4 監(jiān)測(cè)裝置軟件流程圖

圖5 報(bào)警裝置指令軟件流程圖

（1）車內(nèi)滯留人員安防系統(tǒng)硬件電路連接

首先要根據(jù)硬件接線圖，執(zhí)行物理連接，確認(rèn)連接正確，然后向MCU提供3.3 V電源電壓，傳感器5V供電，SIM800C通信模塊5V供電。

（2）系統(tǒng)功能測(cè)試

分別模擬車內(nèi)有人，車內(nèi)無人；駕駛員駐車離開，駕駛員沒有駐車離開；車內(nèi)環(huán)境危險(xiǎn)，車內(nèi)環(huán)境不危險(xiǎn)等這些情況下系統(tǒng)的反應(yīng)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制表格。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉MCU和傳感器并整理實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

圖6 短信收發(fā)功能測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

表2 短信接收測(cè)試情況

6 任務(wù)完成情況

圖7 實(shí)物外觀圖

圖8 液晶顯示圖

測(cè)試所研究項(xiàng)目的運(yùn)行和性能，本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)滯留兒童監(jiān)測(cè)預(yù)警功能，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)解救兒童，車輛駕駛?cè)藞?bào)警提醒等功能，可后期加裝在原車上，不改變?cè)囆阅埽趯?shí)際的生活中可以真正做到解救兒童的目的。

7 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一款通過采用單片機(jī)控制和多種傳感器融合的手段設(shè)計(jì)了一款成本低、可后期加裝、實(shí)用性較強(qiáng)的智能車載人員安防系統(tǒng)“平安狗”。在感知到駕駛員駐車離開后，主動(dòng)判斷車內(nèi)有無滯留人員，并自動(dòng)監(jiān)測(cè)車內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)；當(dāng)監(jiān)測(cè)到車內(nèi)的溫度或者二氧化碳的濃度過高，車內(nèi)兒童有窒息或者脫水的危險(xiǎn)時(shí)，本系統(tǒng)會(huì)采取一系列措施主動(dòng)解救車內(nèi)被困兒童，還會(huì)自動(dòng)向車輛聯(lián)系人的手機(jī)發(fā)送求救信息，為救援搶救贏得時(shí)間，挽救被困兒童的生命。本裝置還可以根據(jù)用戶需求，修改車輛聯(lián)系人的手機(jī)號(hào)，方便快捷，可移植性強(qiáng)。