一種智能防遺忘兒童汽車報警器設(shè)計

成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院 王 興 柳炳琦 余洪坤 李由之

引言

隨著社會的高速發(fā)展，弱勢群體的安全保障問題一直被政府所重視，尤其是關(guān)于兒童的安全保障問題。近年來，發(fā)生了多起兒童被鎖或被遺忘在車內(nèi)導(dǎo)致兒童窒息死亡的事件，讓人們感覺到觸目驚心[1-2]。據(jù)大數(shù)據(jù)表明，在美國平均每10天就有一個兒童死于車內(nèi)，若在車內(nèi)安裝一個能夠?qū)崟r監(jiān)測車內(nèi)有無兒童的探測裝置，便可以預(yù)防兒童被遺忘的事件。鑒于此，本文基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研制一種能夠預(yù)防兒童被遺忘的報警器，通過設(shè)置兩個級別的預(yù)防機(jī)制，并通過藍(lán)牙模塊聯(lián)合車載系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以有效的預(yù)防和幫助兒童脫離險情。

1.總體方案設(shè)計

兒童報警器以對人體信息的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、和報警為設(shè)計主線。主要由六個模塊主成，包括報警模塊、監(jiān)測模塊、信號處理模塊、電源模塊、外殼和按鈕。通過核心處理器的控制發(fā)出指令與其他模塊協(xié)調(diào)工作。

圖1 -1 電池管理系統(tǒng)總體方案設(shè)計框圖

兒童報警器的總體方案設(shè)計如下圖1-1所示，報警模塊可以通過高亮LED燈進(jìn)行指示或通過蜂鳴器進(jìn)行報警，采用人體紅外傳感器對兒童體溫進(jìn)行感應(yīng)，以STM32作為控制器通過計數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，通過高效的電源電路結(jié)合充電電池可以對兒童報警器持續(xù)供電，整個系統(tǒng)外殼采用環(huán)保塑料材質(zhì)，從而保證對人身體無毒無害，設(shè)計電源開關(guān)和監(jiān)控按鈕實(shí)現(xiàn)對兒童報警器的精準(zhǔn)控制。通過藍(lán)牙模塊與車載系統(tǒng)的配合來提高預(yù)防機(jī)制等功能，使兒童報警器更加智能化和網(wǎng)絡(luò)化。

2.兒童報警器工作原理

本文設(shè)計的兒童報警器主要利用人體熱紅外作為被檢測波[3-4]，紅外線作為不可見光波，具有特定的頻率區(qū)間，其波長范圍為760nm到1000nm之間，并隨著頻率的增加，其波長逐漸減小。而人體具有恒定的體溫，一般在37℃左右，所以會發(fā)出波長在10um左右的紅外線，本裝置所使用的人體紅外傳感器可以探測人體發(fā)射出的10um左右的紅外線進(jìn)行工作。本文基于單片機(jī)為核心控制器的兒童報警器采用STM32單片機(jī)和專用傳感器模塊、藍(lán)牙模塊[5]配合工作，制定兩個級別的報警機(jī)制，可以通過報警的方式使得兒童被遺忘后得到快速提醒的作用，從而保證兒童的安全。

圖3 -1 兒童報警器整體外觀設(shè)計圖

圖3 -2 兒童報警器監(jiān)測范圍示意圖

3.系統(tǒng)設(shè)計

3.1 外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計

在本系統(tǒng)中，兒童報警器的整體外觀設(shè)計如圖3-1所示，其采用弓形體設(shè)計，背面為平面，正面為球形曲面的一部分，球型曲面上面均布了7個紅外傳感器模塊，正中央一個，四周均勻分布六個，這樣的弓形體設(shè)計在一定程度上擴(kuò)大了單個傳感器測定角度范圍有限的弊端，使整個報警器的檢測范圍得以擴(kuò)大，如圖3-2所示，藍(lán)色線的區(qū)域?yàn)閮和瘓缶鞯谋O(jiān)測范圍示意圖，從圖中可以看出，其監(jiān)控范圍足夠滿足兒童報警器的設(shè)計要求。

3.2 硬件電路設(shè)計

兒童報警器硬件部分主要由核心處理器、傳感器模塊和通信模塊等組成。為能夠滿足兒童報警器可靠性好、資源豐富等要求，選取了TI公司推出的STM32F103CBT6作為核心控制器[6]。如圖3-3所示為兒童報警器核心電路原理圖，通過對人體紅外傳感器、藍(lán)牙模塊、報警模塊、電源模塊等電路的合理設(shè)計，使得電路簡單，其電路板尺寸小巧，滿足兒童報警器小型化的設(shè)計要求。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

如圖3-4所示為兒童報警器軟件工作流程圖，當(dāng)汽車行駛途中兒童報警器處于待機(jī)狀態(tài)，此時報警器的藍(lán)牙模塊自動與車載系統(tǒng)連接；當(dāng)汽車熄火時，兒童報警器的藍(lán)牙模塊接收到信號隨即開始工作，計時器開始計時同時紅外檢測模塊進(jìn)行探測；當(dāng)汽車車門開啟信號發(fā)出時，語音提醒發(fā)出特定信號“下車前請檢查車后是否有嬰幼兒”的提示音，至此表示第一級保障機(jī)制產(chǎn)生。若監(jiān)測有人還會進(jìn)一步發(fā)出報警提示音，這樣可以有效預(yù)防遺忘問題的反生。此后還有后續(xù)的二級預(yù)防機(jī)制，避免車主因其他緊急事情或忘記提醒而導(dǎo)致的遺忘兒童的事情發(fā)生，二級預(yù)防機(jī)制也可以有效保證車內(nèi)人員的安全。二級預(yù)防機(jī)制是在車主關(guān)閉車門并鎖車后產(chǎn)生，鎖車信號發(fā)出，報警器也會接收到信號，計時器開始重新計時工作，若監(jiān)測到車內(nèi)有人，并且車主沒有在設(shè)定的時間內(nèi)回來，報警器會發(fā)出求救聲光信號，并且發(fā)出信號的頻率會隨著時間加長而增加，超過25分鐘時，報警器會主動獲取權(quán)限打開車窗透氣。從而有效地防止人被遺忘車內(nèi)的事故發(fā)生，保證人身及車的安全。

圖3 -3 兒童報警器核心電路圖

圖3 -4 兒童報警器軟件工作流程圖

圖4 -1 兒童報警器車內(nèi)部署示意圖

4.兒童報警器車內(nèi)部署

如圖4-1所示，為兒童報警器車內(nèi)部署示意圖。考慮到大多數(shù)遺忘兒童事件的發(fā)生，被遺忘兒童的位置大都發(fā)生在車的后方，因此在車內(nèi)的兩個前座靠背的后面分別各自安裝一個兒童報警器，而在車的頂部中央靠近前方安裝一個主報警器，這樣可以全方位監(jiān)測到車內(nèi)人體的紅外信號。通過在車內(nèi)安裝3個兒童報警器，可以更加有效的全方位覆蓋車內(nèi)監(jiān)控的范圍。

5.結(jié)論

本文選取極強(qiáng)處理能力的處理器完成了兒童報警器的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、藍(lán)牙通信和報警監(jiān)測等功能。采用簡潔的弓形體結(jié)構(gòu)和常用的嵌入式控制器件，使得該系統(tǒng)的性能更加優(yōu)異，在軟件設(shè)計上突出了靈活性和可靠性的設(shè)計理念，能夠通過個二級提醒機(jī)制避免遺忘，并利用C語言簡潔的特點(diǎn)，大大簡化了編寫程序的工作量。對比市場上已有防遺忘兒童報警器，本文設(shè)計的兒童報警器具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、可靠性好、通信能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能有效地避免汽車后座遺忘兒童事件的發(fā)生，具有一定的市場價值。