基于ZigBee的車載主動(dòng)安全監(jiān)控系統(tǒng)

李麗萍　王露

摘要：汽車密閉環(huán)境下，長時(shí)間駐留在車內(nèi)的生命體極易因?yàn)槭韬龆l(fā)生窒息、中暑等安全事故，針對(duì)這一問題，我們設(shè)計(jì)一種車載主動(dòng)安全控制系統(tǒng)，其特征在于霍爾傳感器檢測車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，人體紅外感應(yīng)模塊決定裝置是否開啟，溫濕度傳感器、氧氣濃度傳感器、二氧化碳濃度傳感器實(shí)時(shí)探測車內(nèi)情況，蜂鳴器與閃爍的LED燈及其報(bào)警指示電路會(huì)在車內(nèi)報(bào)警，天窗驅(qū)動(dòng)控制可直接開啟車窗，新浪云端使用三重DEs與Ecc混合加密算法有效保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸安全，安卓客戶端APP便于使用者隨時(shí)接收報(bào)警信息及查看具體參數(shù)情況：所述系統(tǒng)在確定車輛靜止且存在生命體后開啟，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測車內(nèi)情況系數(shù)變化情況并進(jìn)行車內(nèi)及短信報(bào)警，數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送至云端服務(wù)器進(jìn)行分析，記錄在MysQL數(shù)據(jù)庫中，手機(jī)APP可查。多重有效保障車內(nèi)人員安全。

關(guān)鍵詞：ZigBee；CC2530；GSM；車聯(lián)網(wǎng)；安全

1.引言

目前，家庭擁有私家車數(shù)量日益增加，然而車輛的普及給人們帶來便利的同時(shí)，也存在著很多安全隱患。

密閉條件下，車內(nèi)的空氣得不到更新，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和空調(diào)運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致車內(nèi)的一氧化碳濃度升高，一氧化碳無色、無臭、不易被察覺，被吸入后對(duì)人體造成極大危害。中國《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》指出：車間連續(xù)接觸8h的最高容許濃度為300ppm。同時(shí)，車內(nèi)人員呼出大量二氧化碳，導(dǎo)致車內(nèi)氧氣急劇減少，幾小時(shí)就會(huì)使人惡心、昏迷，嚴(yán)重者甚至窒息而死亡。每年在車內(nèi)密閉環(huán)境睡覺等原因?qū)е氯藛T缺氧窒息死亡的新聞屢見不鮮。

另外，人們對(duì)于封閉空間中暑事件的發(fā)生明顯的認(rèn)知不足，大多數(shù)人認(rèn)為戶外溫度不高時(shí)不會(huì)發(fā)生中暑危險(xiǎn)。但據(jù)國家公路交通安全管理局表示，車內(nèi)中暑是乘車人員尤其是兒童在汽車非撞擊事故中死亡的第一大因素。美國一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣溫達(dá)到35攝氏度時(shí)，陽光照射15分鐘，封閉車廂里的溫度就能升至65攝氏度。

綜合以上兩種情況，我們提出設(shè)計(jì)一款監(jiān)控車內(nèi)人員安全的保障系統(tǒng)保障車內(nèi)人員安全，減少車內(nèi)人員窒息中暑死亡事件的發(fā)生。

2.車內(nèi)人員安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

我們從汽車主動(dòng)安全的角度出發(fā)，利用傳感器、ZigBee組網(wǎng)、新浪云服務(wù)器和MySQL數(shù)據(jù)庫和安卓等技術(shù)支持，設(shè)計(jì)了一款車載主動(dòng)安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車內(nèi)一氧化碳濃度和二氧化碳濃度以及溫度等生命值信息的檢測。車載主動(dòng)安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)由溫濕度傳感器DHTll，一氧化碳傳感器MQ-7及其調(diào)理電路，霍爾傳感器、二氧化碳傳感器、人體紅外感應(yīng)模塊HC.SR501、蜂鳴器及其報(bào)警指示電路、天窗驅(qū)動(dòng)控制，新浪云端，安卓客戶端APP部分組成。基于ZigBee的自組網(wǎng)絡(luò)，在發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間處于怠速狀態(tài)和空調(diào)開啟等情況下，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測車內(nèi)溫度、CO濃度的變化情況，并記錄、存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)。首先通過霍爾傳感器判斷汽車運(yùn)行狀態(tài)，如果汽車處于怠速或者關(guān)閉狀態(tài)，繼而通過人體紅外感應(yīng)判斷生命的存在，若有生命存在，則啟動(dòng)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過測定溫度或者CO濃度這兩個(gè)參數(shù)來判斷是否預(yù)警。超出設(shè)定在第一條安全防線進(jìn)時(shí)行第一次蜂鳴器預(yù)警提醒車內(nèi)人員注意通風(fēng)保證空氣流通，并給車主發(fā)送短信提醒；當(dāng)超過第二條安全防線時(shí)，系統(tǒng)第二次蜂鳴器報(bào)警和發(fā)生安全預(yù)警短信，并在1min后自動(dòng)開啟天窗，保證車內(nèi)人員安全。此外，傳感器將收集的數(shù)據(jù)上傳至新浪云端，用戶可通過APP隨時(shí)查看車內(nèi)情況，給車內(nèi)人員生命安全提供三重保障，具有其實(shí)用性。系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

3.硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件模塊是由人體紅c應(yīng)模塊HC-SR501、溫濕度傳感器模塊DHT11、電機(jī)模塊、Zigbee節(jié)點(diǎn)模塊、霍爾傳感器、蜂鳴器報(bào)警模塊、GSM模塊組成，各個(gè)模塊將采集到的信息通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器通過“串口調(diào)試助手”顯示，并通過串口發(fā)送給電腦端，實(shí)現(xiàn)對(duì)于車內(nèi)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控和采集。硬件模塊設(shè)計(jì)分為五部分：組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)、車內(nèi)信息采集以及處理、汽車天窗的電機(jī)設(shè)計(jì)、車內(nèi)蜂鳴器預(yù)警警、GSM信息預(yù)警。

3.1.1組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)

首先完成協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的程序編譯、調(diào)試以及下載，每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置獨(dú)立的條件編譯選項(xiàng)，代各部分完成后，組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，使其成為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)。給協(xié)調(diào)器上電，網(wǎng)絡(luò)組建成功后輸出協(xié)調(diào)器的物理地址以及網(wǎng)絡(luò)地址。隨后啟動(dòng)各終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，成功后通過串口看到接入的節(jié)點(diǎn)信息。

3.1.2車內(nèi)信息采集以及處理

信息采集是實(shí)時(shí)將外界車內(nèi)環(huán)境信息轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器可識(shí)別的信息，本系統(tǒng)重點(diǎn)采集信息為人體存在特征、溫度等信息，使用的ZigBee模塊為CC2530模塊、溫度傳感器模塊DHTl 1、人體紅外感應(yīng)器模塊HC-SR501。

人體紅外感應(yīng)模塊利用周期性點(diǎn)播定時(shí)器，間隔定時(shí)1s。程序自動(dòng)判斷是否開啟整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)。無人時(shí)終端節(jié)點(diǎn)顯示“security”，串口顯示“0”；有人進(jìn)入感應(yīng)范圍終端節(jié)點(diǎn)“insecurity”，串口顯示“1”。

3.1.3汽車天窗的電機(jī)設(shè)計(jì)

電機(jī)（車窗）動(dòng)作是指當(dāng)車溫度、氧氣濃度等生命值不在合理范圍時(shí)觸發(fā)動(dòng)作，執(zhí)行車載系統(tǒng)車窗控制，將車窗打開一條縫，避免車內(nèi)人員危險(xiǎn)的發(fā)生。

驅(qū)動(dòng)控制由12V直流電機(jī)、電磁開關(guān)和行程開關(guān)組成。通過電磁開關(guān)控制電機(jī)的通斷，行程開關(guān)作為車窗開關(guān)閉位置的反饋信號(hào)。

3.1.4車內(nèi)蜂鳴器預(yù)警

采用有源蜂鳴器實(shí)現(xiàn)5HZ的急促鳴叫聲，提醒車內(nèi)人員氧氣濃度不足的危險(xiǎn)警示。

3.1.5 GSM信息預(yù)警

GSM模塊使用TEXT模式，利用“AT+CMGW”“AT+CMSS”等指令預(yù)先存儲(chǔ)好短信內(nèi)容，一旦終端數(shù)據(jù)發(fā)送異常，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)送事先編輯好的內(nèi)容，進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸警報(bào)。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分分別使用新浪云服務(wù)器和MySQL數(shù)據(jù)庫分析和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，云服務(wù)器接口一端連接手機(jī)客戶端，另一端連接底層硬件。云端服務(wù)器使用PHP語言編寫，易維護(hù)。

安卓客戶端一方面使用HttpClient提供的http網(wǎng)絡(luò)訪問接口，在登錄按鈕下開啟子線程向新浪云端服務(wù)器發(fā)送post請求，將返回的數(shù)據(jù)解析進(jìn)行處理讓結(jié)果在界面顯示；另一方面在達(dá)到安全臨界值時(shí)后臺(tái)可進(jìn)行消息的推送，向用戶發(fā)出安全預(yù)警信號(hào)，避免危險(xiǎn)的發(fā)生。

5.系統(tǒng)測試

將編好的c語言程序燒錄進(jìn)個(gè)傳感器模塊中，完成ZigBee組網(wǎng)，開機(jī)進(jìn)行測試。

測試情況一：將該系統(tǒng)進(jìn)行打火機(jī)灼燒加熱，系統(tǒng)設(shè)定在第一條溫度的安全防線進(jìn)行第一次蜂鳴器預(yù)警提醒車內(nèi)人員注意通風(fēng)保證空氣流通，并發(fā)送短信提醒；當(dāng)超過溫度的第二條安全防線時(shí)，系統(tǒng)第二次蜂鳴器報(bào)警和發(fā)生安全預(yù)警短信，并在1min后自動(dòng)開啟天窗。

測試情況二：將該系統(tǒng)放入特定的CO環(huán)境中，系統(tǒng)設(shè)定在第一條CO濃度的安全防線200ppm時(shí)進(jìn)行第一次蜂鳴器預(yù)警提醒車內(nèi)人員注意通風(fēng)保證空氣流通，并發(fā)送短信提醒；當(dāng)超過CO的第二條安全防線300ppm時(shí)，系統(tǒng)第二次蜂鳴器報(bào)警和發(fā)生安全預(yù)警短信，并在1min后自動(dòng)開啟天窗。

在兩種測試情況下，傳感器皆可將收集的數(shù)據(jù)上傳至新浪云端，用戶可通過APP隨時(shí)查看車內(nèi)情況。以上測試結(jié)果表明系統(tǒng)功能測試成功。

6.結(jié)語

車聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，帶來了一個(gè)巨大的機(jī)遇。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在市場需求帶動(dòng)下，車聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備有望迎來爆發(fā)式增長。本設(shè)計(jì)順應(yīng)歷史潮流，擁有良好的發(fā)展前景和具有較高的應(yīng)用價(jià)值。采用ZigBee的CC2530模塊及各種傳感器，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了對(duì)車內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)測控，測控精度高、可靠性高、系統(tǒng)成本低，易于集成到汽車安全輔助設(shè)備系統(tǒng)中，使得汽車安全系統(tǒng)更加完善，保證車內(nèi)人員安全。