基于樹莓派的避免兒童誤鎖車內報警系統的設計

公妍蘇 趙 宏

（東北林業大學交通學院，黑龍江 哈爾濱150040）

科學研究表明，停放在夏日陽光下的汽車，車內溫度可以在短短幾十分鐘上升到50℃以上，容易造成車內被困兒童的缺水、窒息，甚至死亡。為避免這種情況的發生，很多學者致力于避免兒童誤鎖車內預警系統的研究，依照現在的文獻來看，這些系統動用了許多復雜的傳感器，甚至動用了人臉識別的技術。一方面由于這些傳感器結構復雜，容易出錯誤，從而導致高故障率；另一方面，采用復雜的傳感器，必定會使整套系統的造價上升，造價高但是設備的易用性不高，導致整個系統性價比下降。這里設計的基于樹莓派的兒童被誤鎖車內報警系統，將從提升設備的可靠性和易用性及降低成本兩方面闡述此報警系統的組成與原理。

1 報警系統的組成

1.1 系統的總體組成及各模塊的分成

本系統由監測模塊、控制模塊、執行模塊三大部分組成。監測模塊由傳感器承擔起數據信號的采集工作，作為整個系統的眼睛。此模塊采用了三套傳感器以及汽車車門傳感器的鎖止信號組成監測系統，增加了整個系統的可靠性；控制模塊由樹莓派作為中樞，不僅對傳感器的信號進行簡單的分析判斷，還承擔起邏輯分析的功能，對超過閾值的信號及時反饋，內置于模塊的自檢算法還承擔起整個系統初始化以及故障報錯的功能，此外控制模塊還包括一些輔助外設按鈕，用以對特定情況下人工輔助控制，進一步提升了系統的可靠性以及當系統出現錯誤時的人工干預能力；執行模塊則由汽車喇叭，燈光系統，語音端，車窗的升降機構等執行機構組成，用以監測兒童被困于車內時的執行反饋，以引起駕駛員及路人的注意，便于及時發現危險情況。

1.2 監測模塊的組成

該系統的監測模塊由紅外傳感器，內置于汽車坐墊以及靠背的壓力傳感器，CO2濃度傳感器和車門傳感器組成。置于車廂內部的紅外傳感器，用于感受車內人員輻射的紅外信號，判斷車內人員的有無，這是判定車內人員有無的一個重要的手段。內置于汽車坐墊以及靠背的壓力傳感器將感受到的壓力信號，按照一定的規律轉換成電信號，供控制模塊作為執行判斷的依據；CO2濃度傳感器將判斷汽車熄火鎖門后，車內的CO2濃度，設置這個傳感器的目的是考慮到如果有孩子在車內睡著后家長粗心大意將孩子落在車內，此時紅外傳感器以及壓力傳感器不能監測到動態的信號，導致控制機構做出錯誤的判斷，設置CO2傳感器將起到一個雙保險的作用；車門傳感器是整個系統的核心，只有監測到車門有鎖止信號時，系統才能預警，主要執行器才可以根據控制模塊的判斷，進行相應的動作。

1.3 控制模塊和執行模塊的組成

系統的控制模塊是樹莓派，承擔信號的輸入與輸出，對輸入的信號進行對比與判斷，決定是否激發執行器。控制模塊還包含兩個獨立的按鈕，按鈕1 置于汽車儀表面析處，用于控制整個系統的電源的通斷，按鈕2 置于靠近汽車駕駛位A 柱的內側，用于系統誤判后的歸位。執行模塊的汽車喇叭，燈光系統，語音端以及車窗的升降機構，都是為了能及早的引起駕駛人員以及路人的注意。此外，執行模塊還包括系統工作狀態指示燈，用于樹莓派對輸入信號的監測判斷，對系統工作狀態的實時顯示，當系統工作故障時，作為執行模塊的工作狀態指示燈將根據樹莓派的指示，亮起紅燈。

2 報警系統的工作原理

本系統主要是監測車內是否有兒童被困，并據監測結果及時做出預警。系統采用模塊化的思路，有三個模塊：監測模塊、控制模塊、執行模塊，他們之間的運行關系如下。

2.1 整個系統的供電來源于汽車電瓶，并且由按鈕1 控制整個系統的電源通斷，該按鈕為常開按鈕，每一次接通樹莓派會自動的控制整個系統的電源通閉情況。引入汽車鑰匙開關檔位中的ACC 檔作為系統啟動的觸發條件，一旦監測到這個觸發條件，樹莓派則控制著對整個系統的自檢工作，自檢狀態良好，控制執行機構中的系統工作狀態指示燈亮起綠燈，系統可以正常工作。否則，監測到系統中的任何一環出現問題，系統工作狀態指示燈亮起紅燈并且語音端提示錯誤，此時可以按下按鈕1對系統進行手動關閉以待檢修。

2.2 當駕駛員完成駕駛動作，汽車鑰匙開關檔位處于LOCK狀態，且樹莓派控制模塊監測到車門傳感器的鎖止信號時，樹莓派控制模塊向紅外傳感器以及內置于汽車坐墊以及靠背的壓力傳感器發出工作命令，控制兩個傳感器持續工作監測時間為15s，在這15s 內兩傳感器的數據經由樹莓派分析判斷后，因車內疑似有人而造成這兩個數據之中任何一個數據波動，則執行報警命令，控制執行器中的汽車喇叭間歇鳴響5s，燈光常亮警示，語音端播報預警，提示駕駛員注意車內情況，同時車窗的升降機構執行車窗降下命令，方便駕駛員查看車內情況；如果在15s 內兩傳感器沒有監測到異常數據，則樹莓派控制模塊下發CO2濃度傳感器和內置于汽車坐墊以及靠背的壓力傳感器持續工作30min 的命令，紅外傳感器關閉命令（關閉紅外傳感器是防止夏天汽車暴曬引起紅外傳感器誤判），用以監測孩子睡著時，家長誤鎖，導致系統因無法檢測到動態信號而出現不提示情況，此舉可以增強系統的可靠性，此時系統判斷預警的觸發條件為兩者的數據都出現異常波動，才觸發執行器喇叭，燈光，語音端，車窗升降機構相應的動作，提示駕駛員和路人注意車內被困兒童。

2.3 考慮到紅外傳感器和內置于汽車坐墊以及靠背的壓力傳感器監測精度和故障概率（尤其是兩者其中一個出現數據波動就作為報警依據，提高靈敏度的同時也增大了誤報的幾率），對車內沒有兒童卻出現誤報的情況，設計靠近汽車駕駛位A 柱內側的按鈕2，用于解決誤報后，駕駛員可以便捷的通過因報警自動降下的車窗按下按鈕2，解除誤報，關閉系統和報警提示，車窗升降機構在按下按鈕后5s 自動升起關閉。系統關閉后，不再進行第二階段30min 的監測，提高了整個系統的易用性。

2.4 系統經過第二階段監測后，系統會自動關閉以節省汽車電瓶的電量，系統下次開啟自檢將在收到汽車鑰匙開關檔位ACC 信號后開啟。

3 結論

本系統借助樹莓派和各類傳感器，能夠及時地察覺兒童被誤鎖在車內的情況，并及時地向兒童父母和路過車邊的行人發出警報，保障兒童的安全，有效減少此類事故的發生。在兒童睡覺時，很多傳感器可能會檢測不到兒童，而本系統中的CO2濃度傳感器，則為兒童的安全設立了二道防線。

本系統價格便宜，可靠性高，節能環保。但本系統還在設計階段，希望能夠得到更多意見，更加完善，更好地保障兒童的安全。