基于熱釋電紅外傳感器的人體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

賴紫燁 馮媛媛 關(guān)智仁 鐘函豫 李景彬

（ 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣東 廣州510800）

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，汽車已然成為眾多家庭廣泛使用的代步工具，同時(shí)汽車的廣泛使用也放大了特定事故發(fā)生的可能性。其中，有一項(xiàng)關(guān)于兒童的事故時(shí)常被人們所忽略，就是兒童遺留在車內(nèi)導(dǎo)致身亡的事故。截止2019 年，在全球而言至少有300 名兒童發(fā)生這樣的悲劇[1]。導(dǎo)致此悲劇的常發(fā)的因素在于汽車是一個(gè)封閉且狹小的空間，導(dǎo)致空氣不流通，車內(nèi)溫度隨時(shí)間持續(xù)升高，被困于車內(nèi)的兒童會(huì)出現(xiàn)由于缺氧帶來的心跳加速和血壓升高現(xiàn)象，嚴(yán)重者將導(dǎo)致窒息死亡[1]。而避免此類悲劇發(fā)生的核心在于及時(shí)將遺留車內(nèi)的弱行動(dòng)能力者（如兒童/幼童）帶出密閉空間。基于前述原因，本團(tuán)隊(duì)研究和試制了一款車用自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于熱釋電紅外傳感器依據(jù)溫度感知人體的原理，結(jié)合AT89C51 微控器的控制特性和外設(shè)報(bào)警裝置[2]，實(shí)現(xiàn)當(dāng)汽車駐車，發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，車門窗上鎖后，檢測(cè)車內(nèi)是否遺留有人員的功能。若車內(nèi)有人，則會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)告知于其他駕乘人員或周遭人員，防止弱行動(dòng)能力者被遺留在車內(nèi)，從而降低此類事故發(fā)生率。目前有不少類似技術(shù)，但由于其成本較高，或硬件改動(dòng)過大，未能推廣應(yīng)用。本團(tuán)隊(duì)的方案設(shè)計(jì)改裝方便，成本低廉，易于推廣，同時(shí)也是對(duì)解決此類問題的路線方法的探索和實(shí)踐應(yīng)用，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體方案

方案以乘用車為應(yīng)用對(duì)象，利用多個(gè)熱釋電紅外傳感器構(gòu)建3D 空間的人體的檢測(cè)矩陣，覆蓋駕乘人員易忽視的后排座椅空間和位置范圍。再加上利用聲光報(bào)警、藍(lán)牙通訊，可以廣泛高效的告知外界，車內(nèi)密閉空間內(nèi)有人存在，急需處理?？傮w而言，該方案是以51 單片機(jī)控制模塊為核心，控制整套裝置的運(yùn)行；當(dāng)熱釋電紅外傳感器檢測(cè)到人體時(shí)，將信號(hào)轉(zhuǎn)化并傳輸給51 單片機(jī)，LED 燈發(fā)光并伴隨蜂鳴器鳴響，表示單片機(jī)已接收到信號(hào)，且確認(rèn)有人在檢測(cè)范圍內(nèi)，提醒周邊人士，再通過藍(lán)牙方式發(fā)送特定信息給駕乘人員的手機(jī)，提醒其注意遺留車內(nèi)人員，以達(dá)到報(bào)警效果。

單片機(jī)在OBD 接口附近，所連接的三個(gè)紅外傳感器分布在車廂正上方及后座的左右。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 總電路設(shè)計(jì)

總體電路如圖1 所示，從以上的分析可知在本設(shè)計(jì)中要用到如下器件∶AT89C51、熱釋電紅外傳感器、LED、按鍵、蜂鳴器等一些單片機(jī)外圍應(yīng)用電路，如表1 所示，以及單片機(jī)的手工復(fù)位電路等。其中，D4 是正常工作指示燈，DA、DB 是起報(bào)警指示作用，當(dāng)紅外電檢測(cè)到車內(nèi)有人時(shí)，輸出信號(hào)，引腳被置低電平，DA、DB 亮紅燈開始報(bào)警，聲音報(bào)警電路開始工作。S1 鍵作為電路復(fù)位鍵。

表1 總體電路設(shè)計(jì)使用器件表

圖1 總體電路圖

2.2 報(bào)警系統(tǒng)

熱釋電紅外傳感器，檢測(cè)到有人后，發(fā)出信號(hào)，發(fā)送到聲光報(bào)警板塊和藍(lán)牙報(bào)警板塊。聲光報(bào)警板塊，由2 個(gè)發(fā)光二極管和1 個(gè)蜂鳴器接上電阻后連上單片的引腳，外接VCC，當(dāng)單片機(jī)的引腳被置低電平后，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，蜂鳴器響起起到報(bào)警作用。藍(lán)牙模塊的RXD 連接單片機(jī)的TXD，藍(lán)牙模塊的TXD連接單片機(jī)的RXD，此處說明單片機(jī)的RXD 和TXD 引腳分別為P3.0 和P3.1。當(dāng)接收到報(bào)警信號(hào)時(shí)，接通藍(lán)牙模塊，利用串口發(fā)送數(shù)據(jù)，通過藍(lán)牙模塊將報(bào)警信號(hào)發(fā)送到手機(jī)，起報(bào)警作用。

3 軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)檢測(cè)到汽車車門鎖止信號(hào)時(shí)，提示系統(tǒng)啟動(dòng)，即聲光報(bào)警3s，起到初次提示作用。之后啟動(dòng)紅外檢測(cè)系統(tǒng)，紅外傳感器將檢測(cè)結(jié)果反饋到單片機(jī)，若紅外檢測(cè)到人時(shí)，檢測(cè)信號(hào)至高位，并啟動(dòng)告警系統(tǒng)，即聲光持續(xù)報(bào)警，需要手動(dòng)進(jìn)行關(guān)閉告警系統(tǒng)，手動(dòng)關(guān)閉告警系統(tǒng)可選擇近距離的按鍵關(guān)閉，也可選擇遠(yuǎn)距離的藍(lán)牙關(guān)閉。若沒有檢測(cè)到人，則紅外掃描系統(tǒng)在10s 后關(guān)閉，系統(tǒng)流程如圖2 所示：

圖2 系統(tǒng)流程圖

3.1 紅外傳感器信號(hào)處理

HC-SR501 熱釋電紅外的紅外線傳感器件對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外線有極強(qiáng)的感應(yīng)能力，當(dāng)檢測(cè)到人體輻射的紅外光譜時(shí)，紅外傳感器OUT 端輸出高電平信號(hào)，51 單片機(jī)接收高電平信號(hào)并進(jìn)行相應(yīng)處理。本系統(tǒng)連接了3 個(gè)紅外傳感器，當(dāng)其中一個(gè)傳感器輸出高電平時(shí)，就啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。

if(HCR1 == 1||HCR2 == 1||HCR3 == 1)

//HCR1、HCR2、HCR3 為三個(gè)紅外傳感器

{

TR0 = 1; //啟動(dòng)定時(shí)器0，即啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。

}

3.2 汽車車門閉鎖檢測(cè)

電動(dòng)門鎖可使用按鈕或遙控鑰匙等控制車門的鎖定或打開。遙控鑰匙控制電動(dòng)門鎖閉鎖的過程[3]：遙控鑰匙發(fā)送閉鎖射頻信號(hào)給BCM (車身控制模塊)，BCM接收到數(shù)據(jù)后驅(qū)動(dòng)門鎖電機(jī)執(zhí)行閉鎖動(dòng)作，若車門全部關(guān)閉，則會(huì)通過聲光提示和發(fā)送狀態(tài)報(bào)文給儀表來進(jìn)行反饋。該紅外檢測(cè)報(bào)警裝置與汽車OBD接口連接[4]，使51 單片機(jī)識(shí)別經(jīng)差分電路處理后的高低位電壓來判斷是否啟動(dòng)紅外檢測(cè)報(bào)警裝置，OBD 接口與單片機(jī)連接電路如圖3 所示。

圖3 OBD 接口與單片機(jī)連接電路圖

4 驗(yàn)證分析

試驗(yàn)在不同環(huán)境溫度下，三個(gè)紅外傳感器是否能正常檢測(cè)，以達(dá)到報(bào)警效果。

結(jié)論：本項(xiàng)目的紅外傳感器在15-45℃下是能正常檢測(cè)的。紅外傳感器測(cè)試如表2 所示：

表2 紅外傳感器測(cè)試表

5 結(jié)論

本項(xiàng)設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)是紅外檢測(cè)車內(nèi)人體情況并報(bào)警，具體方案是使用藍(lán)牙通訊模塊、熱釋電紅外傳感器等與單片機(jī)進(jìn)行交互形成一個(gè)感知及報(bào)警系統(tǒng)，同時(shí)車內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)反饋給駕乘人員智能手機(jī)，提醒其有人員遺留于車內(nèi)，需要緊急處理此情況。本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，解決弱行動(dòng)能力者（兒童/幼童）遺留車內(nèi)的盲點(diǎn)問題，適用于家中有兒童/幼童等弱行動(dòng)能力者的家庭用車，可避免兒童誤鎖車內(nèi)而身亡的悲劇發(fā)生，有效提升司乘人員的用車規(guī)范和降低車輛事故率，豐富車輛的安全功能。形成針對(duì)此類問題的有效解決方案和可行路徑。