基于GPRS技術的防兒童被困車內救援系統①

王博 吳姝芹 蘇文新 李佳 崔慶華 陳煥輝

(桂林電子科技大學建筑與交通工程學院 廣西桂林 541004)

家用汽車越來越普及，給人們的出行帶來了極大便利，同時也帶來了某些安全隱患。近幾年，兒童被困車內的報道時有發生，對于此類事件，國內外尚沒有一種切實可行的檢測救援裝置，部分高校、公司提出一些研究方案，如：空氣溫度控制系統、座椅記憶檢測系統，但均未在市場中得到驗證。由此可見，研究一套能夠實現智能檢測、實時監控、精準定位、安全可靠的防兒童被困車內的緊急救援系統具有重大的現實意義。

1 系統總體設計

系統總體設計由數據采集部分，傳輸顯示部分和車窗控制部分組成，本系統采用 STM32F103ZET6微處理器作為主控制器，采用溫濕度、甲醛、CO、CO2傳感器構成數據采集部分，實時采集當前車內環境參數。采用基于SIM800C 芯片設計的 GPRS 芯片和 TFT 電容屏組成傳輸顯示部分，將采集到的數據及時傳輸到用戶手機APP，將求救信息發送到車主手機及服務器后臺。車窗控制部分是根據主控芯片STM32分析判斷做出的控制信號和遠程手機平臺傳輸的控制信號，完成對汽車車窗的升降控制。

基于GPRS技術的防兒童被困車內救援系統具有以下三個功能。

1.1 防兒童被困緊急救援功能

系統裝載四路熱釋電人體紅外傳感器，四個方向無死角對車內有無人員進行檢測，同時結合等時間段二氧化碳濃度上升值輔助判定有無人員被困車內，若系統分析判定出有人員被困，將啟動緊急救援功能，開啟車窗通風換氣，發送求救短信給車主， 聲光報警器響應并自動撥號呼叫車主，同時上傳報警信息及坐標信息到服務器后臺，工作人員引導警方參與救援。

1.2 對車輛定位及車內狀況實時監控功能

該系統帶有GPS+BD定位模塊，實時對汽車的位置、車速、車內各種氣體濃度及有無人員狀態進行采集，實時顯示到客戶端APP，用戶可隨時了解自己車輛狀況。車內裝有ZE08-CH2O甲醛傳感器，確保車內甲醛不超標同時會對酒精濃度進行檢測，一旦發現車內酒精濃度偏高，系統的聲光報警器會做響應，提醒駕駛員勿酒后行車。

1.3 汽車預使用狀態車內空氣質量調控功能

車輛放在太陽下長時間暴曬，車內充滿各種揮發性有機化合物和有毒有害氣體，嚴重損害人體健康。車主使用汽車之前可通過手機APP查看車內空氣質量狀況，并且可以使用APP控制車窗升降，達到車內空氣質量調控目的。

2 系統硬件設計

2.1 主控芯片

主控芯片采用意法半導體公司推出的STM32F103ZET6,其內核為ARM 32位的Cortex-M3，最高工作頻率72MHz，具有睡眠、停機、待機三種低功耗模式；具有48路ADC通道，多達8個定時器，9個通信接口。這款芯片能夠及時對車內環境參數進行采集，并做出相應的響應，同時能夠上傳車內信息到服務端和客戶端；多個定時器開啟多個中斷請求，確保客戶端控制車內設備的優先響應。

2.2 數據采集與控制部分

數據采集部分的主要功能就是通過傳感器獲取當前車內環境參數并傳輸到STM32微處理器中進行處理判斷，本系統集成了溫濕度、甲醛、一氧化碳、二氧化碳、人體紅外傳感器和GPS+BD雙模定位模塊、車窗驅動模塊、逆變電源模塊。系統能通過多種傳感器及多個模塊對車內環境實時監測并傳輸到服務端，協助完成防兒童被困緊急救援功能。

人體紅外傳感器采用加裝菲涅爾透鏡的熱釋電人體紅外傳感器HC-SR501，感應模塊采用雙元探頭，加圓形透鏡，人體檢測可重復觸發，自帶RT溫度補償電阻。本系統加裝四個HC-SR501模塊，分別布點在車里四個對角位置，同時對人體紅外進行重復性檢測，提高檢測準確性。

圖1 CO2隨時間變化曲線圖

二氧化碳傳感器采用MH-Z14傳感器，利用非色0散紅外（NDIR）原理對車內的CO2進行檢測。通過成人多次在晴朗天氣（室外溫度32℃左右）、靜止汽車內采集的數據進行分析，得出如下結論：當一人被困在密封車內時，車內CO2濃度每分鐘持續上升78(±0.2)PPM時可以初步判定出有人被“困”在車內。CO2濃度隨時間變化情況如圖1所示。從圖中可以看出，當車身周圍環境固定，有人在停止的封閉的車內，隨著時間的增加，CO2濃度近似呈直線上升，如圖1所示。

車窗驅動模塊，系統實測時通過同時控制汽車后駕駛兩扇車窗完成測試。測試發現，同時控制兩扇車窗，瞬間啟動電流需要18A左右，故采用硬限流、軟啟動結合的方式控制車窗。驅動模塊電源輸入端串入0.25R水泥電阻和330uh磁環電感對輸入端進行“硬限流”；在控制車窗啟動程序中采用控制80KHz的PWM占空比從0逐漸上升的方式對車窗電機實現“軟啟動”，實現對普通車窗升降的控制。對于車窗升降總成具備霍爾器件及防夾算法功能的車倆，需要同時控制防夾模塊的繼電器，以實現對車窗升降的控制。

3 軟件設計

3.1 GPRS通信

整套硬件裝置上電后進行初始化系統，車載端SIM-800C模塊向服務器發送連接請求，連接成功后系統進行正常工作。如果發送 5 次連接請求均沒有收到應答信號，提示網絡連接失敗并重新發送連接請求。服務端開啟廣播監聽狀態，以便隨時發現新的終端連接請求信號。

GPRS數據傳輸中應用TCP/IP協議，利用STM32通過USART2發送“AT+CLPORT="TCP","8086"”指令控制SIM-800C與服務器8086端口建立TCP連接，連接過程中TCP提供一種面向連接的可靠的字節流服務，TCP將用戶數據打包構成報文段，通過“AT+CIPSEND”指令發送到服務器8086端口。TCP連接成功后具有心跳檢測功能，確保長連接、超時重傳功能。因此，TCP在傳輸中提供了可靠的通訊保障，同時對于這種小數據傳輸，成本極低。

采用GPRS技術對車內環境進行監控，其最大的優點就是GPRS支持Internet上應用最廣泛的IP協議和X.25協議，GSM網絡覆蓋面極廣，手機有信號的地方，用戶都能通過手機APP實現對車內環境監測和調控。

3.2 C/S架構

基于GPRS技術的防兒童被困車內救援系統采用C/S架構，主要由服務端(Server)和客戶端(Client)組成。

遠程服務器的主要配置為Windows10＋Apache＋MySQL，主要作用如下。

(1)接收采集端的數據，完成采集端數據的收集、保存、整理、繪制圖表等；

(2)通過HTTP協議實時發送數據到手機客戶端，并接收來自手機客戶端對車內終端執行控制請求，并下發控制指令到車載終端。

客戶端是基于Linux內核的操作系統開發的Android手機APP，采用 XML 文件布局和Java語言控制功能的混合方式完成APP設計，XML文件主要進行APP的UI界面設計，是整個軟件的軀殼。Java代碼完成網絡數據接收，存儲和處理等一系列數據處理任務，是整個軟件的大腦。本系統客戶端開發采用Android Studio軟件,使用Socket套接字鏈接網絡服務器和獲取服務器數據。

4 結語

通過多次實驗測試，該系統能夠通過四路人體紅外探頭結合MH-Z14二氧化碳傳感器對車內環境參數進行精準快速的分析，判定出有無兒童被困車內；系統功能穩定、準確性高，對車內環境溫濕度的測量較為精準，對污染氣體有較高的精準度，且系統造價低廉，結構緊湊，適合推廣應用。同時利用GPRS無線傳輸技術，還能通過遠程手機APP實時讀取并遠程控制車內環境，不僅保護了兒童，也改善了車內環境的舒適度。