兒童滯留校車報警系統的設計

張亞萍，宗桂林，魯加寶

(淮北師范大學 物理與電子信息學院，安徽 淮北 235000)

0 引言

隨著教育的改革和農村留守兒童的增加，以及鄉鎮地區交通基礎設施的改善，校車已經逐步成為學生上學的主要交通工具。在農村和偏遠地區，校車往往是由私人車輛改裝而成，校車司機缺乏專業培訓，安全意識淡薄，導致乘車兒童的安全并不能得到保證。在校車事故時有發生的背景中，校車安保系統的設計與應用已經得到了人們的重視，利用自動化、信息化的科學手段對校車安全進行有效的監管非常有必要。

近年來，單片機技術飛速發展，在現代社會各行業都得到廣泛的應用[1]。利用單片機控制技術，能夠對校車有效地實現安全問題的監控和報警。在該領域相關研究已經有所開展，但投入實際應用的很少[2]。最近幾年，機器視覺技術也有了很大的發展[3]，在單片機控制技術上加入機器視覺技術更能方便地實現校車的安全報警控制。

盡管這些技術能夠實現安全報警，但是如果報警裝置過于單一，一旦出現報警裝置失靈的情況，后果將不堪設想。因而，設計一款具有多重報警機制和自動開啟防護設備的兒童防滯留校車報警系統對于保障乘車兒童生命安全變得十分有必要。兒童滯留校車報警系統可以避免因兒童被遺漏在車內而發生的安全事故，該系統在未來的校車安全防護應用中將會有很好的發展前景。

1 系統組成

兒童滯留校車報警系統由單片機最小系統電路[4]、撥動開關檢測電路、聲音檢測電路、熱釋紅外采集電路、繼電器控制電路、語音報警模塊電路、電源電路以及GSM模塊電路組成，如圖1所示。

圖1 系統組成

2 系統硬件電路設計

2.1 單片機最小系統模塊

STC89C52單片機、電容和按鍵組成的復位電路，11.052M晶振和電容組成的晶振電路同下載口組合在一起構成了單片機最小系統。其原理如圖2所示。

圖2 最小系統原理圖

2.2 熱釋紅外感應模塊

選擇HC-SR505作為熱釋紅外模塊用于檢測車內是否有人存在，通過對外界采集信號電壓和設定電壓的比較，控制模塊輸出電平的高低。該模塊的工作電壓范圍為4.5～20 V，感應距離在3 m內，感應角度小于100度錐角。人若進入感應區，OUT引腳輸出“1”，可重復觸發，直到人離開感應區，OUT引腳才延時輸出“0”。該模塊OUT引腳與單片機P1.1引腳相連。模塊的接口電路原理如圖3所示。

圖3 熱釋紅外模塊接口電路原理圖

2.3 聲音檢測模塊

系統選擇聲音傳感器作為聲音信息檢測模塊，檢測周圍是否存在聲音。聲音檢測模塊采集的聲音信號經整流放大后，送入LM393電壓比較器進行比較，從而控制模塊的輸出。模塊對環境聲音十分靈敏，可根據需要調節閾值。若聲音強度沒有達到閾值，OUT口輸出為高電平；若超過閾值，則OUT口輸出為低電平。OUT引腳與單片機STC89C52的P1.0引腳直接連接，聲音檢測模塊的檢測輸出可轉換成單片機的控制輸入，檢測聲音存在與否，繼而控制后續報警電路的啟閉。該模塊電路原理如圖4所示，模塊接線說明：VCC外接3.3～5 V電壓；GND外接GND；DO口外接單片機P1.0口。

2.4 ISD1820語音報警模塊

該語音報警模塊的主要芯片為ISD1820，按住REC鍵不放，可向模塊錄入車內有人的報警語音，模塊的P-E口與單片機的P1.2引腳相連，P1.2口輸出為低電平時語音模塊開啟播放，P1.2口輸出為高電平時語音模塊關閉播放。當系統進入運行模式時，檢測到車內有人后，通過FT跳線直通控制，可使ISD1820芯片錄入的報警語音直接傳輸到揚聲器，繼而循環播放報警錄音。語音報警模塊的電路原理如圖5所示。

圖4 聲音檢測模塊電路原理圖

圖5 語音報警模塊電路原理圖

2.5 報警短信發送模塊

選用SIM800A芯片實現系統的遠程短信信息交互。SIM800A是一種集成GSM和GPRS的模塊[5]。GSM模塊工作頻率為900 MHz，而GPRS模塊工作頻率為1 800 MHz[6]。SIM800A可以低功耗實現語音、SMS和數據信息的傳輸，自帶(850 M/900 M/1 800 M/1 900 M)專用小辣椒天線，2.4 G藍牙陶瓷天線[7]，SIM卡接口支持1.8/3 V SIM卡。模塊的RXD口與單片機的RXD口相連，TXD口與單片機的TXD口相連，構成串口通訊，從而使單片機可以通過AT指令集控制SIM800A模塊發送報警短信。模塊內部具體原理如圖6所示。

圖6 SIM800A電路原理圖

2.6 繼電器控制電路

繼電器是一種廣泛應用于自動化控制領域的器件，它能實現隔斷功能，因而廣泛應用于遙控、遙測等設備中。在本系統中，繼電器由三極管9012帶動，三極管9102的基極與單片機P1.4引腳相連。當檢測到有人時，P1.4口輸出為低電平，三極管導通帶動繼電器通電，從而使銜鐵的動靜觸點吸合，LED指示燈亮起來，與端子相連的車門開啟電路啟動。繼電器控制電路的原理如圖7所示。

2.7 二擋撥動開關檢測電路

通過撥動開關實現對系統運行模式的切換。當二檔撥動開關撥下去時，單片機控制引腳P1.3為低電平，系統進入工作模式；當二檔撥動開關撥上去時，單片機控制引腳P1.3為高電平，系統進入待機模式。其電路原理如圖8所示。

圖8 撥動開關檢測電路原理圖

3 系統軟件設計

程序編寫軟件采用Keil C51和Proteus 7.8軟件。其中，Keil C51為編程工具，主要進行程序的撰寫、調試和產生一個可執行性文件“*.hex”；Proteus 7.8是一個專業的單片機仿真軟件，主要對系統的運行過程進行仿真模擬。具體運行流程如圖9所示。

圖9 系統運行流程圖

主控算法步驟如下：

(1)對IO口、定時器和串口進行初始化；

(2)判斷二檔撥動開關是否撥下去，如果檢測到撥動開關撥下去，代表司機拔下鑰匙，則系統進入工作模式，否則轉到(1)；

(3)檢測熱釋紅外感應模塊和聲音檢測模塊是否異常，如無異常或只有一種異常，則轉到(1)；

(4)若熱釋紅外感應模塊和聲音檢測模塊同時檢測到異常，則繼電器通電；

(5)LED警示燈亮起(報警)，與端子相連的車門開啟電路啟動(車門打開)；

(6)循環播放報警錄音，繼而司機手機客戶端接收到報警短信。

4 系統實物圖及測試結果分析

4.1 系統實物圖

圖10為系統實物圖。從圖10可以看出，將撥動開關撥上去代表司機將鑰匙插上，則系統進入待機模式，在待機模式下，系統報警功能模塊不工作；將撥動開關撥下去代表司機拔下鑰匙，則系統進入啟動模式，即系統報警功能模塊可以正常工作。

圖10 系統實物圖

當司機拔下鑰匙(撥動開關撥下去)時，可能出現以下幾種情況：

(1)車內沒人。車內沒人時，紅外傳感器和聲音傳感器分別輸出“0”和“1”，此時系統進入待機狀態。

(2)車內有人。當紅外傳感器被遮擋并且車內有聲音發出時，紅外傳感器和聲音傳感器分別輸出“1”和“0”，語音報警器立馬開啟，通過ISD1820模塊播放錄制好的報警語音，揚聲器自動播報“車內有兒童被遺留”，GSM模塊發送預先寫入的報警短信給手機端，同時繼電器燈亮起，車門被自動打開。

4.2 系統測試

為了測試系統性能，以10組不同距離、不同音量的數據分別測試相應模塊是否工作及響應時間、是否漏報和是否誤報等情況。具體數據見表1。

表1 兒童滯留校車報警系統測試表

由表1可以看出，該系統對聲音強度在40 dB以上、距離小于3.5 m的報警準確率是百分之百，未出現漏報和誤報的情況；而且在有效范圍內測試距離越近、音量越高，系統響應時間越短、準確率越高。

5 結論

針對當前校車安全隱患問題進行研究，設計開發出兒童滯留校車報警系統。該系統以單片機作為控制核心，根據傳感器檢測的信號，對報警模塊做出控制。通過多次測試，發現該系統具有準確度高、安裝維護簡單、成本低、擴展性強等優點。