基于嵌入式系統的汽車乘客生命智能監護系統研究與開發

肖家寶，王玉國，洪 磊，余森澤

（南京工程學院 汽車與軌道交通學院，江蘇 南京 211167）

1 引言

隨著汽車保有量的不斷增加，汽車成為了很多家庭必不可少的出行工具。隨之各種安全隱患不斷暴露出來。一項不完全統計表明，在美國平均每9天就有1名兒童因此喪生。另外，車內致死現象不止發生在兒童身上。高溫、缺氧、CO中毒［1］等都會導致車內乘客致死事故發生。例如，CO2濃度過高會使駕駛員產生困意，甚至產生暈厥引發交通事故。

研究表明：在夏天32℃太陽直射下，不到20min車內溫度可急劇上升至60℃以上［2］。高溫還會導致車內坐墊等皮質或塑料材質物品釋放出甲醛等有害氣體，危害乘客身體健康［3］。

針對上述問題，有人提出讓家長教孩子按汽車喇叭進行自救，還有人提出給孩子準備一張寫上“救命”A4大小的白紙，讓孩子自行尋求路人幫助，也有人提出教孩子使用安全錘，讓孩子自救。但諸如此類的方法僅對有一定自理能力的孩子有效，而往往車內高溫致死的孩子只有2歲左右年齡，根本無法自救。

美國學者Edward Sazonov和Tim Haskew發明了一種監測裝置。當一輛熱氣騰騰的汽車內部檢測到兒童或動物呼吸的CO2時，會發出手機警報。該裝置僅能發出警報而無法實現遠程自救。高溫環境下兒童死亡往往發生在短短的幾分鐘時間里，在車主收到警報后也很難及時實施救援。

針對以上問題，采用溫濕度傳感器、CO傳感器、語音模塊、攝像頭模塊、無線模塊［4］等功能模塊以及ARM嵌入式系統，設計出一套能自動監測汽車客室環境并能對車內環境進行自動調節的系統。

2 汽車乘客生命智能監護系統總體設計

汽車乘客生命智能監護系統業務流程如圖1所示。由車載端、服務器端和遠程客戶端3大部分組成，每一部分子系統又包括信息感知層、信息處理層、信息反饋層以及動作執行層。

圖1 汽車乘客生命智能監護系統業務流程

3 汽車乘客生命智能監護系統車載端系統開發

汽車乘客生命智能監護系統車載端又包括車載環境檢測系統和車載控制系統兩部分，實現對車內環境的監測、顯示、調控。

車載檢測系統將檢測到的車內溫度、濕度、有害氣體濃度等參數通過總線傳輸至車載控制系統，由車載控制系統進行數據顯示、無線傳輸、閾值判斷以及智能控制等操作。保證車內乘客能實時觀察到車內環境指標，并通過車載控制系統對車內環境進行調節。

3.1 車載檢測系統開發

汽車乘客生命智能監護系統的車載檢測子系統架構如圖2所示。車載檢測子系統由溫濕度傳感器、CO傳感器、CO2傳感器、甲醛傳感器、壓力傳感器等各類感器模塊以及攝像頭模塊組成。對汽車客室的溫濕度、CO、CO2、甲醛濃度以及車內乘客數量進行實時監測，并通過總線將獲取的數據傳輸至車載控制系統。

圖2 車載檢測系統架構

溫濕度傳感器選用分辨率為0.1℃、精度為±0.5℃、檢測范圍為-40～80℃的單總線式DHT22溫濕度傳感器；CO2傳感器選取測量范圍為400～8192ppm、允許使用溫度為-40～125℃的IIC通信的CCS811 CO2傳感器模塊；選取檢測范圍10～1000ppm的MQ-7CO傳感器、5～500ppm的MQ-138氣體傳感器對車內CO、甲醛、苯等有毒氣體濃度進行監測，MQ-7、MQ-138連接8位低功耗PCF8591模數轉換模塊，將模擬電壓值轉換成數字信號并通過IIC接口傳輸給車載控制系統。

3.2 車載控制系統開發

汽車乘客生命智能監護系統的車載控制子系統架構如圖3所示。車載控制系統采用搭載Linux操作系統的ARM Cortex-A53嵌入式工控板作為中央控制器。通過總線獲取車載環境檢測系統傳輸而來的數據，外接電容式觸摸屏對車內當前環境數據進行顯示，通過無線傳輸模塊將車內環境數據實時傳輸至服務器。

圖3 車載控制系統架構

當客室環境危害到乘客生命安全時，系統首先會對車內乘客進行語音提醒，若超過時間閾值后車內環境未發生轉變，則通過GSM模塊對車主進行短信預警。

車載控制系統控制器為1.4GHz、64位、四核Cortex-A53處理器的ARM控制板；無線傳輸部分采用ME909S-821通信模塊，將信號采集系統獲取的數據通過4G網絡上傳到云端服務器。當車內環境出現危險時，對車主發送求救短信信息和電話撥號；語音預警模塊選用SYN6658語音合成模塊，控制器通過串口輸入數據，合成需要播放的語音，實現對車內乘客的預警。

車載控制系統工作流程如圖4所示。車載端上電啟動后系統開始工作，首先檢測系統對車內環境進行檢測，將獲得的數據傳輸至車載控制系統。

車載控制系統一方面將檢測而來的數據上傳至云端服務器進行存儲，另一方面讀取云端設定的閾值。將各環境參數與設定的閾值進行比對：若超出所設定的安全范圍則進行車內有無遺留乘客的判斷，若未超出安全范圍則繼續檢測；若車內無遺留乘客則不進行任何處理；若車內有遺留乘客則對遺留乘客進行語音預警，提示車內乘客進行手動調節車內環境；若車內有遺留乘客，且乘客未采取任何措施來改善汽車客室環境，車載控制系統則通過GSM模塊對車主進行短信預警，及時提醒車主通過遠程客戶端對客室環境進行調節；若車主也未進行任何處理，則交由控制系統做出必要的應急措施以保證乘客生命安全。

4 汽車乘客生命智能監護系統服務器及遠程客戶端開發

綜合安全性、穩定性、經濟性等方面因素考慮，服務器選擇商業云端服務器。如圖5所示，服務器端一方面對多臺車載端傳輸來的數據進行整合存儲，以供用戶通過客戶端隨時調取查看，另一方面讀取客戶端發送來的控制指令開啟或關閉車內攝像頭模塊、控制汽車進行通風降溫。

如圖6所示，客戶端包括PC端和手機端。用戶可以通過客戶端隨時調取服務器上存儲的車內環境數據查看，并對各環境參數閾值以及緊急呼叫號碼進行修改。另外，可以遠程控制車內空調等其他設備進行通風降溫以調節汽車客室環境。

圖4 車載控制系統工作流程圖

圖5 車載控制系統架構圖

5 結束語

1）采用溫濕度傳感器、CO傳感器、語音和攝像頭等傳感監測裝置，結合嵌入式系統技術，研究開發了一種能自動監測汽車客室環境并能對車內環境進行自動調節的系統。

2）當客室環境危害到乘客生命健康時對車內乘客進行預警，保證了車內乘客生命安全。利用無線通信技術結合互聯網數據云技術使得車主能實時查看和控制汽車當前狀況。

圖6 客戶端架構圖