一種智能車載兒童求救裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

曲云鶴，于 源

（1.西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，四川 樂山 614202；2.北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，北京 100029）

1 引言

家用轎車帶給人們方便快捷的同時，也帶來了不同程度的社會問題，如交通堵塞、空氣污染、兒童被留車內(nèi)事故等[1-2]。據(jù)不完全統(tǒng)計，2015 年上半年我國至少發(fā)生12 起兒童被留車內(nèi)事件，其中造成5 名孩子意外死亡。不僅在我國，歷年來世界各地頻發(fā)這類事故。以統(tǒng)計數(shù)據(jù)相對完整的美國為例，每年總有幾十個孩子成為這類事故的犧牲品，平均每9 天發(fā)生一起。據(jù)調(diào)查，超過87%的孩子是被無意之中遺留在車內(nèi)的。杜絕這類意外事故的發(fā)生，可以采用提醒法或報警法[3]。設(shè)置提醒裝置可以利用車內(nèi)儀表盤或者使用手機應(yīng)用軟件，在家長離車時，提醒家長檢查后座是否留有兒童。美國田納西州12 歲的安德魯·佩拉姆設(shè)計了一種提醒彩帶，將其綁在車門把手和駕座椅上，不僅不妨礙開車，還能提醒家長們下車時帶上坐在后座的兒童。但是，如果提醒裝置沒有起到作用，家長如果已經(jīng)鎖門離車，就需要報警裝置及時通知家長車內(nèi)還遺留有兒童，這樣就會大大提高車內(nèi)兒童的生還幾率，降低其死亡率。人們對于兒童乘車安全比較重視，已有避免因兒童滯留車內(nèi)窒息死亡的相關(guān)裝置的專利以及研究報道[4-7]。旨在設(shè)計一種非汽車中控的模塊化控制方式，且具有低功耗、低成本、誤報警率低的智能車載兒童求救裝置，第一時間給設(shè)定手機號發(fā)送求救信息，為營救車內(nèi)被遺忘兒童爭取寶貴時間，最大可能地避免這類慘劇發(fā)生。

2 智能車載兒童求救裝置設(shè)計

該裝置首要解決的問題是檢測車中有無兒童。常用的生命探測儀器主要有三類[8]。第一種基于音頻聲波獲取呼吸聲、心跳聲等來發(fā)現(xiàn)被困者，這類探測儀存在的局限性主要在于容易受現(xiàn)場噪音的影響；第二種利用雷達信號發(fā)送器連續(xù)發(fā)射電磁信號，感應(yīng)人體所發(fā)出的超低頻電波所產(chǎn)生的電場（如心跳、呼吸、腸蠕動等）來發(fā)現(xiàn)生命體征。這類探測器的技術(shù)難點是當目標移動時，信號會有差異，則需要偵測桿鎖定目標，并通過計算機輔助手段與不斷訓(xùn)練，找到人體目標；第三類則是利用紅外感應(yīng)器探測被困者身體的熱量。當紅外感應(yīng)器的熱電元件檢測到人體的熱輻射能量，則把熱電元件的輸出信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，發(fā)現(xiàn)目標并進行施救。由于這種紅外傳感器本身不發(fā)任何類型輻射，器件功耗小，占用空間小、價格低廉，適用于家用轎車，所以本裝置選用紅外傳感器檢測車內(nèi)是否有被遺忘兒童。考慮到兒童主要在后排座位，因此在后排側(cè)門各安裝一個紅外探頭，并在后排車頂處安裝一個紅外探頭。

第二個需要解決的問題是觸發(fā)后排紅外探頭開始檢測。采用一種智能觸發(fā)方式，降低有駕駛員時產(chǎn)生的誤報警率。設(shè)定觸發(fā)方式為：車門關(guān)閉且駕駛室無人。本裝置采用門磁開關(guān)檢測車門是否關(guān)閉，門磁開關(guān)由兩部分組成：較小的部件為永磁體，內(nèi)部有一塊永久磁鐵，用來產(chǎn)生恒定的磁場，較大的是門磁主體，它內(nèi)部有一個常開型的干簧管，當永磁體和干簧管靠得很近時（小于5mm），可發(fā)送高電平。安裝在駕駛室旁側(cè)的紅外感應(yīng)器用來檢測駕駛室是否有人，當檢測到有人，發(fā)送高電平，檢測無人則發(fā)送低電平。觸發(fā)條件為車門關(guān)閉且駕駛室無人即為：門磁開關(guān)發(fā)送高電平，駕駛室區(qū)紅外感應(yīng)器發(fā)送低電平。這時觸發(fā)后排紅外探頭開始檢測。

第三個問題是向家長發(fā)送求救信息。向設(shè)定手機號碼發(fā)送短信或者致電是最直接有效的方法。GPRS 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊式比較成熟的技術(shù)，可插入SIMS 卡，支持短信息和語音通話等信息傳輸功能。本裝置選取該方式向設(shè)定手機號碼發(fā)送短信或者致電。

由上述分析，該車載求救裝置主要包含五個模塊：第一個模塊是后排座區(qū)域的紅外檢測模塊：家用轎車內(nèi)部空間有限，可在后排左右車門內(nèi)側(cè)上方各布置2 個紅外感應(yīng)探頭，在車頂中間部位布置1 個紅外感應(yīng)探頭用于檢測車內(nèi)后排是否有兒童。第二個模塊是觸發(fā)模塊：包括門磁開關(guān)與駕駛室區(qū)域紅外檢測。車門關(guān)閉時，發(fā)送高電平信號，車門打開時，發(fā)送低電平信號；駕駛室側(cè)門上方布置1 個紅外感應(yīng)探頭，用于檢測是否有駕駛員，如果檢測有人，發(fā)送高電平信號，如果無人，發(fā)送低電平信號。當車門關(guān)閉且駕駛室無人，則觸發(fā)后排座區(qū)域紅外檢測模塊。第三個模塊是供電模塊：采用2 節(jié)鋰電池對裝置進行供電；第四個模塊是微控制單元模塊：采集由紅外感應(yīng)傳感器信號，有人，則為高電平，無人則為低電平，同時接收門磁開關(guān)的關(guān)門觸發(fā)信號。第五個模塊是GPRS 無線傳輸模塊：將信息發(fā)送至設(shè)定手機號碼。裝置的設(shè)計構(gòu)架，如圖1 所示。

圖1 智能車載兒童搜救裝置設(shè)計構(gòu)架圖Fig.1 Architecture Map of Intelligent Vehicle-Based Child Help Device Design

3 智能車載兒童求救裝置實現(xiàn)及測試

3.1 智能車載兒童求救裝置實現(xiàn)

裝置所需主要硬件模塊包括：

（1）門磁開關(guān) CS-9D，4 個；

（2）HC-SR501 人體紅外感應(yīng)模塊和探頭，4 個；

（3）電源：18650 鋰電池，2 節(jié)；

（4）GPRS 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，1 塊；

（5）STM32F103 單片機，1 塊。

圖2 車載搜救裝置實物圖Fig.2 Physicle Map of Vehicle-Based Child Help Device

裝置中的一色燈是指示燈，接收到高電平信號則亮，接收到低電平信號則滅；另一色燈的是電源指示燈，通電后亮，未通電滅，如圖2（a）所示。駕駛室旁側(cè)安裝的紅外感應(yīng)器（1＃）用來監(jiān)測是否有駕駛員，當檢測到駕駛室有人，則發(fā)送高電平，紅燈亮，否則發(fā)送低電平，且紅燈滅。當4 個門磁開關(guān)分別檢測四個車門是否閉合，則分別發(fā)送高電平，對應(yīng)的紅燈亮。否則紅燈滅。4 個門磁開關(guān)均為高電平，同時紅外感應(yīng)檢測模塊1 為低電平，則觸發(fā)后排座位區(qū)域紅外檢測模塊，紅外感應(yīng)器（2＃、3＃、4＃）啟動。檢測到有人時發(fā)送高電平，相應(yīng)的紅燈亮，無人發(fā)送低電平，相應(yīng)的紅燈滅。只要紅外感應(yīng)器（2＃、3＃、4＃）向單片機發(fā)送一個高電平，則啟動GPRS 模塊，如圖2（b）所示。向設(shè)定手機號碼發(fā)送求救短信或者致電。預(yù)設(shè)每隔50s 檢測一次觸發(fā)條件（車門關(guān)閉且駕駛室無人）是否滿足，如滿足，則后排座位區(qū)域紅外感應(yīng)器（2＃、3＃、4＃）進入檢測狀態(tài)；如不滿足，則重新檢測車發(fā)條件，循環(huán)進行，直到裝置電源關(guān)閉。

3.2 智能車載兒童求救裝置測試

測試結(jié)果如下：

（1）紅外感應(yīng)器（1＃、2＃、3＃、4＃）測試：探頭距人體 0.01m 時可感應(yīng)，單片機上對應(yīng)紅燈亮，人體離開，紅燈滅；探頭距人體0.1m 時可感應(yīng)，單片機上對應(yīng)紅燈亮，人體離開，紅燈滅；探頭距人體1m 時可感應(yīng)，單片機上對應(yīng)紅燈亮，人體離開，紅燈滅；探頭距人體2m 時可感應(yīng)，單片機上對應(yīng)紅燈亮，人體離開，紅燈滅；探頭距人體3m 時可感應(yīng)，單片機上對應(yīng)紅燈亮，人體離開，紅燈滅，紅燈的響應(yīng)延時（1～2）s 不等。

（2）對門磁開關(guān)的測試：門關(guān)閉，單片機上對應(yīng)紅燈亮，門打開，紅燈滅。測試正常。

（3）發(fā)送短信及致電測試：滿足觸發(fā)條件即車門關(guān)閉且駕駛室無人時，紅外感應(yīng)器2＃紅燈亮或紅外感應(yīng)器3＃紅燈亮或紅外感應(yīng)器4＃紅燈亮，在程序中預(yù)設(shè)的手機號碼可以即時收到求救短信或者致電提示。

圖3 車載搜救裝置測試圖Fig.3 Test Chart of Vehicle-Based Child Help Device

該車載搜救裝置測試圖，如圖3 中，利用紙箱模擬轎車，對該車載搜救裝置進行測試。測試結(jié)果表明，單片機控制程序的邏輯合理，可以有效控制裝置的觸發(fā)并進行電信號的采集；紅外感應(yīng)模塊可以正常工作，通過探頭檢測到是否有人；無限數(shù)據(jù)傳輸GPRS 模塊可以向設(shè)定手機正常發(fā)送短信或者致電。

4 結(jié)論

該車載搜救裝置綜合運用了紅外檢測技術(shù)、自動控制以及遠程通信，為兒童這類弱勢群體的安全提供了保障。項目中單片機控制設(shè)計邏輯合理、可行，所選擇使用的紅外感應(yīng)器、門磁開關(guān)以及GPRS 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊等元器件均具有低功耗、低成本、可靠性好、安裝簡便且使用安全等特點。本裝置采用非中控的控制方式，不必與汽車中央控制器進行通信，即插即用，模塊化使其具有安裝簡便，普適性好的特點；本裝置采用智能觸發(fā)方式，在檢測到駕駛室無人，且車門閉合的狀態(tài)下，才觸發(fā)求救裝置，可大幅降低了誤報警率；此外，裝置對設(shè)定手機號碼同時進行短信且致電報警，確保了信息傳遞的及時性。項目具有很好市場前景。