基于Arduino的車(chē)載兒童防滯留系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì)

王文樂(lè) 鄭鑫 袁昊 胡一品 張軼 季惠

摘 要：汽車(chē)在給人們出行帶來(lái)便利的同時(shí)也引發(fā)了一些兒童安全問(wèn)題，尤其是由于成人的疏忽而導(dǎo)致兒童被遺忘在車(chē)內(nèi)最終導(dǎo)致死亡的事件頻發(fā)。針對(duì)該問(wèn)題也曾有研究人員利用不同的軟件設(shè)計(jì)出基于STM32F103、基于MCS-51以及基于ATmega16的防滯留系統(tǒng)等。文章則是基于Arduino系統(tǒng)的原理以及方法設(shè)計(jì)了一套用于防止兒童被滯留車(chē)內(nèi)的報(bào)警系統(tǒng)，并通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：兒童安全;Arduino系統(tǒng);防滯留報(bào)警;模擬實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：U462.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）06-56-03

Abstract： While cars bring convenience to people's travel， they also give rise to some children's safety problems， especially the frequent incidents that children are left behind in the car and eventually die due to adults' negligence. To solve this problem， some researchers have designed STM32F103， McS-51 and ATmega16 based anti-retention systems with different software. In this paper based on the principle and method of Arduino system， we designed an alarm system to prevent children from being trapped in the car， and preliminarily verified the feasibility of this system through simulation experiments.

Keywords： Childrens safety; Arduino system; Retention prevention; Simulation design

CLC NO.： U462.1 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）06-56-03

前言

兒童車(chē)內(nèi)安全問(wèn)題一直是廣受關(guān)注的問(wèn)題，尤其是由于成人的疏忽將兒童遺留于車(chē)內(nèi)導(dǎo)致兒童死亡的案例頻發(fā)更是加劇了該問(wèn)題受關(guān)注的程度。據(jù)圣何塞州立大學(xué)的統(tǒng)計(jì)報(bào)告表明，在美國(guó)，兒童因?yàn)楸粶粼谲?chē)內(nèi)而導(dǎo)致死亡的案例，1998年～2018年共發(fā)生了794起，平均每九天就會(huì)發(fā)生一起此類(lèi)事件[1]。而在我國(guó)從2013年至今，據(jù)統(tǒng)計(jì)共有147名兒童被困車(chē)中，其中40%的兒童不幸死亡[2]。被遺忘在車(chē)中導(dǎo)致兒童死亡的直接原因歸于“汽車(chē)熱”。研究表明，在陽(yáng)光照射下汽車(chē)的車(chē)內(nèi)溫度在2分鐘內(nèi)就可以上升到34攝氏度，在20分鐘內(nèi)就會(huì)上升到42攝氏度，此溫度對(duì)成人亦可造成不可逆的傷害[3]。而兒童因?yàn)樯眢w發(fā)育尚未成熟，體溫上升速度是成人的三到五倍，而呼吸系統(tǒng)和耐熱能力又遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及成人;另一方面又缺乏危險(xiǎn)意識(shí)，自救能力不足（嬰兒甚至不能呼救），從而導(dǎo)致悲劇的發(fā)生。解決該問(wèn)題的根本方就是避免將兒童長(zhǎng)時(shí)間遺忘在車(chē)內(nèi)。因此，設(shè)計(jì)一套防止兒童由于疏忽大意而被長(zhǎng)時(shí)間滯留在車(chē)內(nèi)的報(bào)警系統(tǒng)是很有必要的。

與此相關(guān)的研究也有很多。國(guó)外與此相關(guān)的方法有：提出了一種利用膠帶和皮筋制成顏色醒目的綢帶用于連接車(chē)門(mén)把手和駕駛座椅后背，當(dāng)家長(zhǎng)下車(chē)時(shí)就可以看到后排是否有滯留的兒童幫助提醒的方法;也有軟件開(kāi)發(fā)人員開(kāi)發(fā)出應(yīng)用軟件，該軟件會(huì)根據(jù)不同情況發(fā)出語(yǔ)音提示，提醒車(chē)主車(chē)內(nèi)是否有滯留兒童;還有一些廠商設(shè)計(jì)出車(chē)內(nèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)車(chē)門(mén)鎖死，監(jiān)測(cè)到車(chē)內(nèi)有物體移動(dòng)，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出警報(bào)，并向車(chē)主手機(jī)發(fā)送信息等等[4]。國(guó)內(nèi)也有不少的相關(guān)研究：有人設(shè)計(jì)了基于STC89C52RC的防滯留系統(tǒng)，當(dāng)紅外傳感器和聲音傳感器同時(shí)檢測(cè)到車(chē)內(nèi)有滯留人員時(shí)，車(chē)內(nèi)就會(huì)發(fā)出聲音報(bào)警;而有人設(shè)計(jì)了一套系統(tǒng)通過(guò)利用車(chē)內(nèi)座椅傳感器檢測(cè)座椅上是否有滯留人員從而決定是否發(fā)出警報(bào)以達(dá)到防滯留兒童的功能;也有人設(shè)計(jì)了基于MCS-51單片機(jī)的防滯留系統(tǒng)，當(dāng)檢測(cè)到車(chē)內(nèi)二氧化碳濃度過(guò)高就會(huì)發(fā)出警報(bào)，同時(shí)打開(kāi)車(chē)窗進(jìn)行通風(fēng)[5]。

本文則是基于Arduino系統(tǒng)（軟件平臺(tái)及硬件器材）設(shè)計(jì)了一套用于防止兒童被滯留車(chē)內(nèi)的報(bào)警系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到車(chē)內(nèi)滯留的兒童或者其他生命體時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并主動(dòng)調(diào)節(jié)局部環(huán)境以保證車(chē)內(nèi)滯留人員的安全，并通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性。

1 Arduino簡(jiǎn)介及系統(tǒng)搭建

Arduino是一個(gè)簡(jiǎn)單快速的原型制作工具，其便捷的使用方式可以使任何人快速的上手，能夠極大的節(jié)省學(xué)習(xí)時(shí)間，縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，從而更好的幫助開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。Arduino系統(tǒng)由一個(gè)可編程的電路板（硬件）和被稱(chēng)為IDE （集成開(kāi)發(fā)環(huán)境）的軟件部分組成。其硬件部分可以獨(dú)立的工作，也可以和其他傳感器模塊結(jié)合增加產(chǎn)品的功能[6]。

系統(tǒng)硬件部分以Arduino UNO開(kāi)發(fā)板為核心控制器，包含三個(gè)主要單元，內(nèi)含人體紅外傳感器、溫濕度傳感器、液晶顯示器和繼電器，整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

（1）人體紅外傳感器：該傳感器能夠探測(cè)到人體發(fā)出特定波長(zhǎng)的紅外線。安裝在車(chē)載兒童防滯留報(bào)警系統(tǒng)中，主要用于監(jiān)測(cè)車(chē)內(nèi)是否有滯留的兒童，當(dāng)模塊檢測(cè)到人體發(fā)出的紅外線后，輸出高電平，反之，輸出低電平。Arduino主控模塊接收到該感應(yīng)模塊輸出的高電平后就會(huì)令汽車(chē)的燈光和喇叭開(kāi)啟幫助報(bào)警。

（2）溫濕度傳感器：由溫度、濕度組合傳感器輸出的已經(jīng)校準(zhǔn)信號(hào)的傳感元件。在車(chē)載兒童防滯留報(bào)警系統(tǒng)中，與人體紅外傳感器配合工作。當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到車(chē)內(nèi)有被滯留的兒童，此傳感器開(kāi)始檢測(cè)車(chē)內(nèi)的溫濕度是否處于人體感覺(jué)舒適的范圍內(nèi)，如果不在便會(huì)開(kāi)啟汽車(chē)空調(diào)，進(jìn)行溫濕度調(diào)節(jié)。

（3）繼電器：由于Arduino系統(tǒng)所需要的傳感器都是極其敏感的電子設(shè)備，只能產(chǎn)生很小的電流，因此需要借助繼電器來(lái)驅(qū)動(dòng)更大的電流裝置。

（4）液晶顯示屏：用于顯示數(shù)字信號(hào)和溫度信號(hào)。

2 系統(tǒng)工作原理

圖2為基于Arduino的防滯留報(bào)警系統(tǒng)的工作流程圖。其工作原理是：當(dāng)汽車(chē)停駛一段時(shí)間時(shí)（30s或1min后），啟動(dòng)報(bào)警單元通過(guò)人體紅外傳感器監(jiān)測(cè)車(chē)內(nèi)有無(wú)滯留兒童，如果沒(méi)有檢測(cè)到任何信號(hào)系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)關(guān)閉;如果檢測(cè)到車(chē)內(nèi)有兒童（或其它生命體）存在就反饋給Arduino UNO控制板，輸出信號(hào)控制車(chē)燈和喇叭發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)溫濕度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)車(chē)內(nèi)溫濕度，將其控制在人體舒適度范圍內(nèi)，并持續(xù)直至車(chē)內(nèi)滯留兒童被救出系統(tǒng)關(guān)閉。

3 模擬實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

本系統(tǒng)需要各個(gè)模塊單元相互協(xié)調(diào)工作，一旦某個(gè)模塊單元出現(xiàn)問(wèn)題就會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。模擬時(shí)首先將各個(gè)單元模塊的元件安裝到開(kāi)發(fā)板上，需要注意引腳是否插緊，元件接口正負(fù)極是否正確;接著將開(kāi)發(fā)板上的杜邦線，按照程序規(guī)定的接口連接好;最后連接電源，按照以下三種情況進(jìn)行測(cè)試：

測(cè)試情形（1）：車(chē)內(nèi)有滯留兒童，但車(chē)內(nèi)溫濕度在舒適范圍內(nèi)（溫度：10℃-25℃，濕度：40%-60%）。

如圖3所示。初始狀態(tài)：將空調(diào)開(kāi)啟（溫濕度正常），繼電器開(kāi)關(guān)指示燈熄滅，模擬車(chē)內(nèi)有人狀態(tài)。開(kāi)始測(cè)試：模擬車(chē)門(mén)關(guān)閉（模擬開(kāi)關(guān)關(guān)閉30s后，注意此時(shí)空調(diào)被關(guān)閉），觀察人體感應(yīng)模塊是否發(fā)出高電平，蜂鳴器是否開(kāi)啟，以及空調(diào)是否開(kāi)啟。

測(cè)試結(jié)果：通電后（30s后），人體感應(yīng)模塊探測(cè)到了人體發(fā)出的紅外線并將二極管點(diǎn)亮，蜂鳴器開(kāi)啟，液晶顯示屏顯示溫度和濕度都在設(shè)定范圍內(nèi)，繼電器模塊開(kāi)關(guān)指示燈點(diǎn)亮，即空調(diào)沒(méi)有開(kāi)啟，測(cè)試成功，如圖3所示。

測(cè)試情形（2）：車(chē)內(nèi)有滯留兒童，車(chē)內(nèi)溫濕度數(shù)值都不在最佳的范圍內(nèi)。

如圖4所示。初始狀態(tài)：與情形1稍有不同，將空調(diào)開(kāi)啟到溫度與濕度超過(guò)舒適度的范圍，其它條件相同，然后開(kāi)始測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果：通電后（30s后），與人體感應(yīng)模塊相連的二極管被點(diǎn)亮，蜂鳴器開(kāi)啟，起初液晶顯示屏顯示的溫濕度不在程序設(shè)定值之內(nèi)，因此控制繼電器模塊工作，繼電器開(kāi)關(guān)指示燈關(guān)閉，即空調(diào)開(kāi)啟，1min后顯示溫度和濕度都在正常范圍內(nèi)，測(cè)試成功。

測(cè)試情形（3）：車(chē)內(nèi)沒(méi)有滯留兒童。

測(cè)試結(jié)果：人體感應(yīng)模塊沒(méi)有探測(cè)到人體發(fā)出的紅外線，二極管熄滅，蜂鳴器關(guān)閉，繼電器模塊開(kāi)關(guān)指示燈點(diǎn)亮，繼電器模塊依然不工作，即空調(diào)不開(kāi)啟，測(cè)試成功，如圖5所示。

4 結(jié)論

基于Arduino系統(tǒng)（軟件平臺(tái)及硬件器材）設(shè)計(jì)了一套用于防止兒童被滯留車(chē)內(nèi)的報(bào)警系統(tǒng)。并通過(guò)三種情形的模擬實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性。Arduino系統(tǒng)的簡(jiǎn)單快捷為本文想法的實(shí)現(xiàn)提供了幫助。但是也正是由于該系統(tǒng)過(guò)于簡(jiǎn)單，因此將其真正用到實(shí)車(chē)上還面臨些許困難（需要增加許多的元件連接以及接口匹配等），后續(xù)我們將會(huì)繼續(xù)下一步的研究，同時(shí)也希望該模擬報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠給更多的人啟發(fā)。

參考文獻(xiàn)

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