基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的車內(nèi)兒童滯留檢測系統(tǒng)的研究 ①

林 倩， 陳思維， 胡單輝

(青海民族大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，青海 西寧 810007)

0 引 言

近年來，高溫導(dǎo)致滯留于車內(nèi)兒童死亡的新聞時常出現(xiàn)，這種悲劇大多都是因為駕駛員的粗心大意導(dǎo)致的。在炎熱的夏季，室外氣溫很容易達到40℃，而我國的地下停車系統(tǒng)遠遠不能滿足現(xiàn)有汽車的停車需求，大多數(shù)車輛只得在室外停放，因此加劇了兒童滯留悲劇的發(fā)生。面對這個問題，目前市場中并沒有相應(yīng)的設(shè)備或系統(tǒng)來有效解決。

提出一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的車內(nèi)兒童滯留檢測系統(tǒng)，可以有效的解決這種迫切的需求。該系統(tǒng)利用霍爾傳感器、紅外CO2探測模塊、溫度檢測模塊、語音模塊、無線信息傳輸模塊和LCD模塊，實現(xiàn)當車主離車之后對車內(nèi)是否有滯留人員和溫度進行實時監(jiān)測，達到預(yù)警的作用，從而減少潛在悲劇的發(fā)生。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)構(gòu)架的設(shè)計思路

這里以STC89C52單片機作為數(shù)據(jù)處理與控制中心，以霍爾傳感器、紅外線CO2傳感器和溫度傳感器作為信號控制電路，外接顯示模塊和語音模塊及GSM模塊共同組成整個系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖1所示，其中單片機負責(zé)接收控制信令和處理預(yù)設(shè)程序，二氧化碳和溫度傳感器來采集數(shù)據(jù)。當車內(nèi)CO2濃度和溫度超過設(shè)定的數(shù)值，通過微處理器對溫度數(shù)據(jù)進行處理后發(fā)送給GSM模塊，同時當車主離車之后對車內(nèi)是否有滯留人員、CO2濃度和溫度超限時，該系統(tǒng)利用語音模塊實現(xiàn)車外語音播報求救同時系統(tǒng)通過GSM模塊向車主手機發(fā)送報警信息。

圖1 系統(tǒng)框架圖

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

通過功能要求分析，系統(tǒng)的設(shè)計方案如下：用四個按鍵控制二氧化碳和溫度閾值的設(shè)定，設(shè)備的運行和暫停；具體采用霍爾傳感器檢測車輛是否停止，采用紅外二氧化碳傳感器檢測二氧化碳的濃度判斷車內(nèi)是否有兒童滯留，采用數(shù)字型溫度傳感器DS18B20測量環(huán)境的溫度。以上數(shù)據(jù)經(jīng)單片機處理之后可通過LCD1602進行實時顯示，將采集到的溫度和二氧化碳濃度超過設(shè)定的閾值時該系統(tǒng)利用語音模塊實現(xiàn)車外語音播報求救以及通過GSM模塊以短消息的方式發(fā)送告警信息到用戶手機。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件電路組成包括單片機主控電路，霍爾傳感器、紅外CO2探測模塊、溫度檢測模塊和、語音模塊、車外報警模塊、GSM報警模塊和LCD模塊組成。系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理圖

2.2 單片機最小系統(tǒng)

該系統(tǒng)的單片機最小系統(tǒng)包括晶振、電源、復(fù)位等部分。最小系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 最小系統(tǒng)原理圖

2.3 霍爾傳感器電路

霍爾傳感器選用ES3144，因其具有兩種模式模塊無觸發(fā)和模塊有觸發(fā)，靈敏度可調(diào)可用于電機測速。首先將霍爾模塊的VCC引腳接5V電源，GND引腳接地，保證模塊正常工作。然后將霍爾模塊的OUTPUT引腳與單片機的P2.3口相接，把獲得的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機，實現(xiàn)單片機對后續(xù)CO2模塊的控制,電路圖見圖4。

2.4 二氧化碳檢測電路

CO2傳感器選用MH-Z19，它是一個通用型，小型傳感器，利用非色散紅外(NDIR)原理對空氣中存在的CO2進行探測，具有良好的選擇性，是一種高性能的傳感器。部分電路將模塊的VCC引腳接5V電源，GND引腳接地，保證模塊正常工作。然后將CO2模塊的RX引腳與單片機的P3.1口(RXD)相接，把獲得的CO2數(shù)據(jù)信息發(fā)送給單片機。將CO2模塊的TX引腳與單片機的P3.0口(TXD)相連實現(xiàn)單片機對模塊的控制。CO2模塊電路圖如圖5所示。

圖4 霍爾傳感器電路圖

圖5 二氧化碳模塊電路圖

2.5 溫度檢測電路

設(shè)備使用數(shù)字集成型DS18B20溫度傳感器作為溫度檢測器。溫度模塊電路如圖6所示，將溫度模塊的VCC引腳接5V電源，GND引腳接地，保證模塊正常工作。然后將溫度模塊DQ引腳與單片機的P3.7口(RD)相連接，實現(xiàn)單片機對模塊數(shù)據(jù)的讀取。

2.6 語音模塊

設(shè)備使用WT588D語音模塊，這是一款具有單片機內(nèi)核的語音芯片，模塊功能多音質(zhì)好應(yīng)用范圍廣性能穩(wěn)定，彌補了以往各類語音芯片應(yīng)用領(lǐng)域狹小的缺陷。語音模塊電路如圖7所示，將語音模塊的VCC引腳接5V電源，GND引腳接地，保證模塊正常工作。然后將溫度模塊通過 P01 拉低I/O 口的電平或相關(guān) I/O 口輸入脈沖，就可達到控制觸發(fā)語音播放的效果。實現(xiàn)單片機對語音模塊數(shù)據(jù)的控制，使語音模塊工作，向車外行人求助。

圖6 溫度模塊電路圖

圖7 語音模塊電路圖

圖8 SIM800C通信模塊電路

2.7 GSM無線傳感電路

設(shè)備采用的是SIM800C作為無線通信模塊。該模塊由SIMcom公司生產(chǎn)的新型的具有雙頻GSM/GPRS通信的模塊，通信模塊是建立在GSM移動網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的，可以實現(xiàn)遠距離通信。

SIM800C通信模塊電路如圖8所示，首先將模塊的VCC引腳接5.5V電源，GND引腳接地，保證模塊正常工作。其次將SIM800C模塊的RX引腳與單片機的P3.1口(RXD)相接，把遠程位置信息獲取指令傳輸給單片機。再將SIM800C模塊的TX引腳與單片機的P3.0口(TXD)相連實現(xiàn)單片機控制SIM800C發(fā)送位置信息。

2.8 LCD顯示電路

系統(tǒng)選用LCD1602進行溫度和信息的顯示。該LCD液晶顯示器具有體積小、低功耗等優(yōu)點。LCD1602最多能顯示出兩行字符，且每行只能顯示出16個字符。穩(wěn)定工作電壓為4.5V到5.5V之間，共有8個進行雙向數(shù)據(jù)交換的引腳D0-D7，一個數(shù)據(jù)使能引腳E，一個讀寫選擇引腳RW，以及其他接電源、接地和調(diào)光引腳。LCD1602顯示模塊電路如圖9所示。

圖9 LCD1602顯示模塊電路

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

系統(tǒng)主程序流程圖如圖10所示。首先進行整個系統(tǒng)初始化，具體包括LCD1602初始化、串口初始化、CO2模塊初始化、溫度模塊初始化、SIM800C初始化、中斷初始化。

系統(tǒng)初始化完成后霍爾傳感器負責(zé)觸發(fā)整個系統(tǒng)，當車內(nèi)CO2濃度超過設(shè)定的數(shù)值時溫度傳感器啟動反之則繼續(xù)檢測CO2濃度，同時當溫度超過設(shè)定的數(shù)值時通過微處理器控制語音模塊實現(xiàn)車外語音求助以及對溫度數(shù)據(jù)進行處理后發(fā)送給GSM模塊，這樣就可以借助GSM的短消息業(yè)務(wù)將測量到的溫度發(fā)給用戶手機。

圖10 主程序流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試與功能演示

根據(jù)圖2焊接好相應(yīng)的FCB電路，進行系統(tǒng)軟硬件測試。首先將設(shè)計所要求的C程序?qū)懭隟eil中進行編譯，最終編譯、仿真無誤后對實際電路進行調(diào)試。實物測試和短信接收如圖11和12所示，由圖11可以看出模擬車輛?？繒r實際電路工作正常， LCD實時顯示車內(nèi)二氧化碳濃度和溫度，當超過兩者的閾值時成功啟動車外語音報警功能同時觸發(fā)GSM模塊發(fā)送求救短信。如圖12所示，求救短信成功發(fā)送給車主并間隔一定時間重復(fù)發(fā)送。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能實現(xiàn)車內(nèi)兒童滯留預(yù)警、發(fā)送求救短信等功能，達到預(yù)期設(shè)計目標。

圖11 實物測試圖

圖12 短信接收圖

5 結(jié) 語

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計了一種基于單片機的車內(nèi)兒童滯留檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)可以監(jiān)測車內(nèi)是否有滯留人員，實現(xiàn)預(yù)警功能。進一步減少人員傷亡和財產(chǎn)的損失，從源頭杜絕車內(nèi)兒童事故的發(fā)生。系統(tǒng)操作方便，功能強大，填補了市場空缺的同時，也為人們提供了一種可靠的檢測手段，有很廣泛的應(yīng)用前景。