基于Arduino的智能破窗逃生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 超，王金聰，劉曉麗，李海朋，張曙光

（1.東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040；2.安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，安徽 241000）

近年來，隨著我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展，人們的出行條件得到了很大的改善，但是由此引發(fā)的交通安全問題也越來越嚴(yán)峻，連續(xù)多年因交通事故死亡人數(shù)達(dá)十萬人左右。發(fā)生交通事故后如何采取有效手段來降低事故帶來的人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失成為亟待解決的問題，我們將交通事故分為碰撞類交通事故、落水類交通事故、縱火類交通事故。針對(duì)上述3類交通事故最有效的逃生手段就是破窗逃生，現(xiàn)如今破窗手段最常見的就是安全錘，但是安全錘實(shí)用性太弱，5 mm厚的鋼化玻璃需6～12次才能擊破。對(duì)于老幼婦孺人群來說，使用安全錘進(jìn)行破窗難度太大。同時(shí)公共交通中安全錘丟失情況嚴(yán)重，導(dǎo)致關(guān)鍵時(shí)刻車輛被困人員無計(jì)可施。并且使用安全錘破窗還需要一定的發(fā)揮空間，如發(fā)生交通事故導(dǎo)致車內(nèi)被困人員空間狹小等情況，使用安全錘破窗具有一定難度。

基于目前交通事故逃生手段的不足，本文設(shè)計(jì)了一種基于Arduino平臺(tái)的智能破窗逃生系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠自動(dòng)感知外界環(huán)境信息，如發(fā)生上述交通事故時(shí)，能夠自動(dòng)迅速破窗，有效降低交通事故對(duì)人身安全造成的傷害。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)有3個(gè)工作區(qū)，分別對(duì)應(yīng)處理3種交通事故。

沖撞事故工作區(qū)本系統(tǒng)對(duì)于沖撞事故的處理采取與汽車安全氣囊相結(jié)合的處理方式。當(dāng)發(fā)生沖撞事故時(shí)，一旦汽車的安全氣囊電子控制模塊ECU判斷汽車撞擊滿足氣囊爆破要求，微處理器通過串行通訊總線SPI發(fā)送爆破命令給氣囊爆破控制器件，本系統(tǒng)通過檢測(cè)ECU微處理器硬件接口數(shù)字信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到爆破命令，本系統(tǒng)發(fā)送指令給車窗破碎裝置進(jìn)行破窗[1]。

縱火事故工作區(qū)本系統(tǒng)通過煙霧傳感器實(shí)時(shí)采集煙霧信息，經(jīng)過Arduino內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，當(dāng)煙霧濃度超過預(yù)先設(shè)定的煙霧濃度危險(xiǎn)閾值時(shí)，對(duì)超過時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)超過時(shí)間大于設(shè)定時(shí)間則發(fā)送破窗指令給破窗裝置進(jìn)行破窗。

落水事故工作區(qū)本系統(tǒng)對(duì)于落水事故的處理與對(duì)于縱火事故的處理工作原理相同，水壓傳感器采集水壓信息，通過Audrino對(duì)水壓信息進(jìn)行分析處理作出決策，判斷是否進(jìn)行破窗操作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件部分包括傳感器模塊、主控制器模塊、繼電器模塊、機(jī)械破窗模塊、電源管理模塊。電源管理模塊與各個(gè)模塊相連，提供給各個(gè)模塊合適的工作電壓與工作電流。Arduino內(nèi)部設(shè)置有信號(hào)輸入端和信號(hào)輸出端，信號(hào)輸入端與傳感器模塊相連，信號(hào)輸出端與繼電器模塊相連。繼電器模塊與機(jī)械破窗模塊相連，控制機(jī)械破窗模塊的工作。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 System hardware structure

2.1 主控制器模塊

本系統(tǒng)采用Arduino作為控制模塊，Arduino是一款使用方便的開源電子原型平臺(tái)，開發(fā)界面簡(jiǎn)約、下載程序簡(jiǎn)單方便，可簡(jiǎn)單地與傳感器、各式各樣的電子元件連接，十分方便上手。

Arduino單片機(jī)采用Atemga328微處理器，同時(shí)具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，1個(gè)16 MHz晶體振蕩器，1個(gè)USB口，1個(gè)電源插座，1個(gè)ICSP header和1個(gè)復(fù)位按鈕[2]。

2.2 電源管理模塊

本系統(tǒng)采用12 V蓄電池作為總電源，12 V穩(wěn)定直流電壓給機(jī)械破窗模塊供電，使用降壓電路產(chǎn)生5 V穩(wěn)定直流電壓給繼電器模塊供電，同時(shí)電源管理模塊還包括繼電器驅(qū)動(dòng)電路。

如圖2所示，降壓電路選用LM7805降壓模塊，輸入電壓12 V經(jīng)電容濾波進(jìn)入LM7805后經(jīng)穩(wěn)壓濾波輸出穩(wěn)定的5 V電壓，用于給主控制器模塊以及繼電器模塊供電。

圖2 降壓電路Fig.2 Step-down circuit

Arduino單片機(jī)的引腳最大輸出電流不超過40 mA，輸出電流能力有限，達(dá)不到驅(qū)動(dòng)繼電器的電流，圖3為繼電器驅(qū)動(dòng)電路，在繼電器模塊中我們所選用繼電器的工作吸和電流為65 mA，三極管S8050的直流放大倍數(shù)取100，因此：

基極電流=繼電器工作電流/放大倍數(shù)=65 mA

為工作穩(wěn)定實(shí)際基極電流取為計(jì)算值的2倍，即1.3 mA。因此：

基極電阻=（5 V-0.7 V）/基極電流≈4.4 kΩ

當(dāng)三極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，繼電器繞組會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的自感電壓，其與電源電壓疊加后加到三極管發(fā)射極、集電極兩極上，可能導(dǎo)致發(fā)射極被擊穿。為了消除感生電動(dòng)勢(shì)的有害影響，在繼電器線圈兩段反向并聯(lián)一個(gè)保護(hù)二極管，通過保護(hù)二極管導(dǎo)通形成的環(huán)流將感生電動(dòng)勢(shì)釋放掉，保證三極管的安全。

2.3 傳感器模塊

2.3.1 煙霧傳感器模塊

本系統(tǒng)使用MQ-2型煙霧傳感器用于對(duì)火災(zāi)信息的監(jiān)測(cè)。如圖4所示，煙霧傳感器模塊核心是MQ-2型傳感器，加入運(yùn)放電路。模塊具有雙路信號(hào)輸出（模擬量輸出AOUT和TTL電平輸出DOUT）[3]，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中只使用模塊的模擬量輸出，其TTL電平輸出引腳閑置。

圖3 繼電器驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 Relay drive circuit

圖4 煙霧傳感器模塊電路Fig.4 Smoke sensor module circuit

2.3.2 水壓傳感器模塊

本系統(tǒng)使用MPXV5004G集成硅壓力傳感器用于對(duì)水壓信息的監(jiān)測(cè)。MPXV5004G內(nèi)部帶有放大器，輸出電壓0～4.9 V，可直接連接至Arduino單片機(jī)的模擬輸入通道。如圖5所示，傳感器輸入端應(yīng)加去耦電容以濾除器件本身和電容所含的高頻信號(hào)干擾，信號(hào)輸出端應(yīng)加去耦電容以濾除輸出信號(hào)中的噪聲。

圖5 水壓傳感器模塊電路Fig.5 Hydraulic sensor module circuit diagram

2.4 機(jī)械破窗模塊

本系統(tǒng)所采用的機(jī)械破窗裝置是將額定工作電壓為12 V的推桿電機(jī)和市面上存在的迷你破窗器相組合并進(jìn)行一些改裝。當(dāng)需要破窗時(shí)，繼電器導(dǎo)通，推桿電機(jī)工作，推動(dòng)迷你破窗器，完成破窗動(dòng)作。

2.5 實(shí)際電路

本系統(tǒng)各個(gè)模塊的電路連接如圖6所示。煙霧傳感器模塊引腳AOUT接Arduino控制器的模擬輸入接口 A0，水壓傳感器模塊的引腳 AOUT接Arduino控制器的模擬輸入接口A1，安全氣囊ECU引腳接Arduino控制器的數(shù)字輸入輸出接口D9，Arduino控制器的信號(hào)輸出接口設(shè)置為D8。機(jī)械破窗模塊通過繼電器模塊連接12 V電源。

圖6 實(shí)際電路連接Fig.6 Actual circuit connection diagram

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Arduino語法是建立在 C/C++基礎(chǔ)上的，以Setup（）開頭，以Loop（）作為主體的一個(gè)程序構(gòu)架[2]，但使用Arduino設(shè)計(jì)項(xiàng)目只能實(shí)現(xiàn)單任務(wù)的處理，這在實(shí)際工程使用中有很大弊端，目前通過平臺(tái)移植多線程模型ProtoThreads可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度并取得成功應(yīng)用[4]。因本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中需要考慮同時(shí)對(duì)3類外界環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)控并處理，因此利用ProtoThreads實(shí)現(xiàn)Arduino多線程處理。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為3個(gè)任務(wù)函數(shù)，任務(wù)一函數(shù)是通過煙霧傳感器對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以判斷是否發(fā)生火災(zāi)并執(zhí)行破窗操作；任務(wù)二函數(shù)是通過水壓傳感器對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以判斷是否發(fā)生車輛落水并執(zhí)行破窗操作；任務(wù)三函數(shù)是通過監(jiān)測(cè)安全氣囊ECU狀態(tài)，以判斷是否發(fā)生嚴(yán)重車輛碰撞事故并執(zhí)行破窗操作，系統(tǒng)多線程流程如圖7所示，主函數(shù)循環(huán)執(zhí)行任務(wù)一、任務(wù)二、任務(wù)三。任務(wù)一中，煙霧傳感器實(shí)時(shí)采集煙霧信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路傳至主控制器 Arduino的模擬信號(hào)輸入口，Arduino內(nèi)部自帶A/D轉(zhuǎn)換模塊，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。將煙霧數(shù)字量與設(shè)定的危險(xiǎn)閾值進(jìn)行比較，若高過危險(xiǎn)閾值，則執(zhí)行一段延時(shí)程序后將再次得到的煙霧數(shù)字量與危險(xiǎn)閾值進(jìn)行比較，若仍高出設(shè)定危險(xiǎn)閾值則Arduino I/O口發(fā)送破窗指令，執(zhí)行破窗動(dòng)作。任務(wù)二函數(shù)程序流程與任務(wù)一類似。任務(wù)三中，Arduino I/O口讀取安全氣囊ECU端口電平數(shù)值以判斷ECU是否執(zhí)行打開安全氣囊操作，如是則Arduino I/O口發(fā)送破窗指令，執(zhí)行破窗動(dòng)作。

圖7 系統(tǒng)多線程流程Fig.7 Multi thread flow chart of system

4 系統(tǒng)仿真

利用Proteus軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真接線如圖8所示。由于Proteus元件庫中沒有MQ-2煙霧傳感器，用一個(gè)可調(diào)電位器代替[5]。另外用開關(guān)加直流電源的形式模擬安全氣囊ECU模塊是否發(fā)出爆破命令。

圖8 系統(tǒng)仿真接線Fig.8 System simulation wiring diagram

Proteus 8.4版本不必像以前的版本一樣，需要在Arduino IDE編寫程序后再手工加載，它提供了Arduino的編程界面，只需要加載設(shè)置好編譯器就能直接仿真[6]。將已編寫好的程序進(jìn)行編譯，通過改變傳感器狀態(tài)，觀察機(jī)械模塊狀態(tài)。

調(diào)試結(jié)果表明系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。各個(gè)模塊都能實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)的功能，每個(gè)事故工作區(qū)運(yùn)行穩(wěn)定。利用ProtoThreads實(shí)現(xiàn)Arduino多線程處理能夠同時(shí)對(duì)3類外界環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)控并處理。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的基于Arduino平臺(tái)的智能破窗逃生系統(tǒng)，依托Arduino平臺(tái)，通過對(duì)若干模塊的整合，設(shè)計(jì)出能夠自動(dòng)檢測(cè)車輛所處的環(huán)境信息，如發(fā)生事故能夠自動(dòng)破窗幫助乘客逃生的系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定有效工作，實(shí)際使用中能夠降低交通事故造成的人身傷亡，對(duì)于本系統(tǒng)的機(jī)械破窗模塊還可以加以改進(jìn)，如使用爆破方式進(jìn)行破窗操作，可以更節(jié)約空間而且反應(yīng)更加迅速。同時(shí)本文對(duì)于Arduino平臺(tái)在其他場(chǎng)合地廣泛應(yīng)用也有一定的參考價(jià)值。

[1] 楊林.汽車安全氣囊電子控制模塊ECU設(shè)計(jì)研究[D].江蘇：南京理工大學(xué)，2007.

[2] 蔡睿妍.Arduino的原理及應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（16）：155-157.

[3] 王耕.基于Arduino Due智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].陜西：西北大學(xué)，2015.

[4] 簡(jiǎn)嘉欣.基于Arduino平臺(tái)和Protothreads系統(tǒng)的產(chǎn)品原型開發(fā)方法研究[D].廣東：華南理工大學(xué)，2016.

[5] 李海娜，王翠，羅邵屏.基于單片機(jī)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子世界，2014（5）：127

[6] 謝龍漢，莫衍.Protues電子電路設(shè)計(jì)及仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.