智能車載兒童守護系統的設計與實現

趙春波 李超 王鑫 馬雪

摘 要：智能車載兒童守護系統以STM32單片機為核心，由溫度傳感器、CO2傳感器、壓力傳感器、紅外傳感器、蜂鳴器、液晶顯示、GSM、手機報警APP等模塊組成。該系統能夠實時監測車內環境，進行人體探測，當車內空氣與溫度達到危害人身安全的閾值時，向預定手機發送報警信息。整個系統移植性強，可廣泛應用于私家車與校車，能有效避免兒童遺忘在車內導致死亡的悲劇發生。

關鍵詞：STM32;車內環境監測;GSM;傳感器;人體探測;APP報警

中圖分類號：TP23文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）10-00-02

0 引 言

近幾年，不論國內還是國外，在私家車與校車中，兒童因被遺忘而鎖在車內最終導致死亡的悲劇頻頻發生。據統計，從2018年4月到2018年8月，僅國內每個月至少有一個孩子因此死亡;在美國，近十年間至少有231名兒童被遺忘在車內因高溫或窒息而死亡。經查閱資料分析發現，造成孩子被鎖車內死亡的原因主要有兩點。

（1）車內高溫使孩子嚴重脫水死亡

實驗證明，當室外溫度為34.9 ℃時，短短一個半小時內車內溫度能夠達到56.3 ℃[1]，遠超人體所能承受的范圍，在這種環境下孩子會很快嚴重脫水，導致生命安全受到威脅。

（2）車內CO2濃度過高使孩子窒息死亡

研究表明，高于5 000 ppm的CO2可直接致人死亡，而車內是一個相對密閉的環境，氧氣會被很快耗盡，CO2濃度隨之升高，致使兒童窒息從而引發死亡[2]。

物聯網技術的出現為解決此類問題提供了新的思路。目前出現的防止兒童因遺忘在封閉汽車內而死亡的裝置主要有：田瑜基[3]等提出的通過壓力、溫度傳感器檢測車內是否有滯留活體;藍芳芳[4]等通過CO2傳感器、紅外傳感器等多種傳感器相結合檢測車內兒童。

以上方法為解決兒童被遺忘在車內導致傷害事件提供了具體方法，但都存在一定的缺陷：有些方案成本高或需要專門的設備;檢測手段單一，難以有效避免誤報和漏報;不能區分兒童是被遺忘在車內還是短時間逗留，不符合實際應用狀況;報警方式簡單，多數方案不具備遠程報警能力。

針對以上問題，本文提出一種基于單片機控制[5]的智能車載兒童守護系統，該系統以STM32為核心，利用多種傳感器對車內環境與人體進行冗余檢測，以防漏報或誤報，當人體探測模塊檢測到車內有人且不利環境將對人身造成危害時，報警模塊提供近程及遠程報警，以便及時施救。

1 系統功能設計

根據上述分析，整個系統由車內環境檢測、人體探測、報警、電源等部分組成，系統組成如圖1所示。

1.1 環境監測模塊

由于孩子死亡的主要原因是溫度和CO2濃度過高，因此該系統需具備同時實時監測車內溫度與CO2濃度的功能，并將任一因素的非正常變化作為觸發人體探測及報警的條件。

對環境參數的監測分別采用DHT11型溫濕度傳感器與YA-C21A型CO2濃度傳感器實現。其中，DHT11型溫濕度傳感器的溫度測量范圍為0～50 ℃，最大誤差不超過2 ℃，最大響應時間不超過15 s;YA-C21A型CO2濃度傳感器的測量范圍為0～2 000 ppm，精度為+（50 ppm+3%讀數值），最大響應時間不超過3 min，兩種傳感器都能夠滿足系統需求。

1.2 人體探測模塊

人體探測模塊主要負責對車內人體進行探測，該模塊由HC-SR501型熱釋電紅外傳感器[6]與壓力傳感器組成。由于熱釋電紅外傳感器存在“無法探測到靜止人體”的缺陷，同時考慮到車內人員可能坐在車座上處于靜止狀態（如孩子睡著等），因此在車座下加裝壓力傳感器作為補充檢測手段。采用多種傳感器冗余探測的方式最大限度地減小人體探測的“死角”，提高人體探測模塊工作的有效性，防止漏報或誤報。

1.3 報警模塊

當車內有人存在且環境持續惡化對人體可能造成危害時，報警模塊開始工作。本文系統設計了多種報警方式，以避免單一方式失效或不能成功報警的情況：

（1）向指定手機發送報警信息[7]觸發手機端報警APP，使手機持續震動或響鈴，該警報不受手機本身設置的影響，會不間斷報警直到用戶手動關閉，同時報警APP顯示報警時刻車內的溫度與CO2濃度以及報警等級，如果能夠確認駕駛人員只是暫時離開而非遺忘，可遠程關閉警報;

（2）注重群眾的力量，系統在向指定手機進行報警的同時以“蜂鳴器、液晶顯示”的方式進行聲光結合的報警，引起路人的注意，在司機無法及時趕到現場時尋求路人的幫助。

2 系統的軟件實現

2.1 APP設計

系統軟件部分的編程采用Java與Android，該軟件主要負責向指定手機報警。在APP運行過程中，一旦接收到固定號碼發來的短信，系統就會發送一個廣播[8]，隨后立刻使手機振動、響鈴。與此同時，軟件提取并顯示短信內容中的溫度值和CO2濃度值，推算出危險等級，并用黃、橙、紅三種顏色的進度條顯示，用戶必須手動關閉報警提示框才能取消報警。軟件報警界面如圖2所示。

2.2 報警等級算法設計

在報警等級[9]設計中，對危險度進行計算，并區分為三個等級：危險度在[0，33]時為初級，（33，66]時為中級，（66，100]時為高級。簡便起見（在保證系統安全的基礎上），將危險度設為與溫度值和CO2濃度值呈線性關系。實際運算中，分別對溫度與CO2濃度的危險度進行計算，并取兩者中較大的值作為最終危險度。溫度與危險度的關系如圖3所示，CO2濃度與危險度的關系如圖4所示。

3 系統測試

為減少對車內空間的占用，系統各裝置布置如圖5所示。

測試環境設置：將溫度報警閾值設置為20 ℃，CO2濃度閾值設為300 ppm，分別對活動人體、靜止人體、干擾物體進行測試。測試結果顯示，溫度、CO2測量值與專業檢測設備誤差不超過3%，APP、聲光報警成功率達到98%以上，完全符合系統預期的設計目標。

4 結 語

本文設計的智能車載兒童守護系統可實現對車內環境的實時監測及準確有效的人體探測，并在車內環境惡劣且有人時進行多種方式相結合的報警。該系統移植性強，可廣泛應用于私家車以及校車中，有效防止兒童因被遺忘在車內而導致死亡的悲劇發生，同時也為解決該類問題提供了一個新穎的解決思路。在未來的發展中，可根據實際使用情況繼續改進系統，致力于系統的小型化與輕量化，并最終實現系統與汽車的一體化生產，以減少系統對車內空間的影響，并在汽車生產過程中將其作為汽車的一種標準配置。

參 考 文 獻

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