智能防止車內(nèi)窒息監(jiān)測系統(tǒng)

郭昕 朱嘉林 程進 王一飛 任寶凱 顧明凱 趙奕鈇 劉靖宇 王曉嵐 張?zhí)祛?李曉彤 鄒小平

北京信息科技大學,北京市傳感器重點實驗室，北京 100101

0 前言

近年來，車內(nèi)窒息的悲劇多次上演。夏季天氣炎熱，許多車主將車停在路邊等人或休息時，通常會緊閉車窗打開空調(diào)，從而引發(fā)車內(nèi)窒息[1]的安全事故。此外，還有多起兒童被鎖車內(nèi)導致窒息死亡的事件[2]。據(jù)統(tǒng)計，每年因被鎖在車內(nèi)[3]窒息死亡的案件將近300起。尤其是今年，國內(nèi)暴雨洪水頻發(fā)，因意外被困車內(nèi)身亡的人員多達數(shù)十人。對于被鎖車內(nèi)[4]或是已經(jīng)窒息昏迷的人員，最重要的就是第一時間開窗[5]通風并進行救助，所以制作出一款防止車內(nèi)窒息的智能監(jiān)測系統(tǒng)是非常必要的。車內(nèi)窒息的主要原因包括：車內(nèi)密閉導致氧氣濃度不夠；停放的密閉車輛開空調(diào)時，因為汽油燃燒不充分可能會產(chǎn)生大量一氧化碳導致人中毒，甚至死亡；夏季密閉時車內(nèi)溫度僅15分鐘就可高達65℃，及易致人缺氧死亡。早至2016年就曾發(fā)生兒童被鎖在車內(nèi)導致窒息身亡的悲劇，起初，針對于車內(nèi)窒息隱患的應對方案僅僅是呼吁車主提高安全意識，直至2019年才有團隊設計開發(fā)防止車內(nèi)窒息的安全系統(tǒng)。但是，目前關于防止車內(nèi)窒息的智能系統(tǒng)的研究多數(shù)處于設計層面，而且形式單一，幾乎市面上所能查到的防止車內(nèi)窒息的系統(tǒng)都是針對兒童所設計的，功能也僅僅包含檢測車內(nèi)的二氧化碳濃度以及人體紅外感應，而忽略了成年人也會因暴雨等自然災害導致被困車內(nèi)面臨窒息危險的情況。

本款產(chǎn)品致力于檢測車外水位深度、車內(nèi)溫度和各項氣體濃度[6]。當車內(nèi)有人且3項指標有任意一項不在正常范圍之內(nèi)時，系統(tǒng)可第一時間啟動自救措施，并同時發(fā)出警報：自動搖下車窗，語音求救提醒路人，向第一聯(lián)系人發(fā)送短信[7]求救。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)的總體框架

系統(tǒng)由檢測模塊、STM32單片機和功能報警模塊3部分構(gòu)成。檢測模塊由熱釋電傳感器、水位傳感器、一氧化碳傳感器、溫度傳感器、LED燈組成；功能報警模塊由直流電機、語音播報器、GSM通信模塊組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)硬件設計方案

1.2.1 檢測模塊

檢測模塊主要用于前端檢測。首先啟動熱釋電檢測模塊，熱釋電傳感器能夠通過紅外感應檢測到車內(nèi)是否有人，當判定車內(nèi)有人后向單片機發(fā)出信號，使LED燈亮起。則單片機控制剩下3個傳感器啟動，將一氧化碳傳感器、水位傳感器和溫度傳感器放置在車內(nèi)外需要檢測的地方，即使在人處于睡眠狀態(tài)下，也能敏銳捕捉信號。一氧化碳傳感器的接觸端設計為圓柱形，增加與一氧化碳等有害氣體的接觸面積，當有一氧化碳氣體與傳感器接觸時，會引起其表面電導率的變化，從而改變輸出電阻，并最終影響輸出電壓。水位傳感器的接觸端設計為扁平狀，增加與水的接觸面積，若有水接觸時便會觸發(fā)響應。溫度傳感器接觸端設計成塊狀，增大與空氣的接觸面積，實時檢測車內(nèi)溫度，并通過串口輸出數(shù)值。3個檢測傳感器工作后，只要捕捉到信號便向單片機返回信號，使單片機觸發(fā)報警模塊。檢測模塊所使用的3種傳感器見表1所示。

表1 3種傳感器的介紹

1.2.2 功能報警模塊

功能報警模塊由SIM900A、語音播報器、電機驅(qū)動板、直流電機和車窗玻璃組成。當單片機接收到檢測模塊返回的信號后，首先觸發(fā)電機工作，使車窗玻璃降下，第一時間開窗自救；同時，控制語音播報器提醒路人該車輛出現(xiàn)異常，從而發(fā)現(xiàn)車內(nèi)需要救助人員；系統(tǒng)的遠程信息交互由SIM900A芯片實現(xiàn)，SIM900A芯片上集成了GSM和GPRS模塊，芯片的RXD口與單片機的TXD口相連，芯片的TXD口與單片機的RXD口相連，構(gòu)成串口通訊，從而使單片機通過AT指令集控制SIM900A芯片向預設的緊急聯(lián)系人的手機發(fā)送報警短信。

1.2.3 整個系統(tǒng)電路設計

本系統(tǒng)檢測模塊的熱釋電、溫度、一氧化碳和水位傳感器分別連接在STM32單片機I/O口上。功能報警模塊的YS-M3語音播報器與STM32單片機的輸出端相連，SIM900A連接單片機TXD和RXD引腳，構(gòu)成串口通信，電機驅(qū)動板與STM32單片機的輸出端相連，從而控制電機轉(zhuǎn)動搖下車窗玻璃。系統(tǒng)電路原理圖如圖2所示。

1.3 系統(tǒng)軟件設計方案

本系統(tǒng)所用編程語言為 C 語言，系統(tǒng)的程序邏輯為：首先檢測車上是否有人，當車內(nèi)有人時，控制模塊使其他各項檢測傳感器開始工作；通過檢測車內(nèi)一氧化碳含量、溫度數(shù)值和車外水位深度，各檢測傳感器將數(shù)據(jù)傳輸給控制模塊，控制模塊根據(jù)邏輯進行判斷，若有1項超過設定閾值則啟動報警模塊；報警模塊實現(xiàn)車窗玻璃降下，語音播報器提醒路人車內(nèi)發(fā)生危險，GSM模塊發(fā)送短信求救。系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

2 系統(tǒng)功能驗證

將熱釋電傳感器、一氧化碳傳感器、溫度傳感器、水位傳感器放置在車內(nèi)外需要被檢測的地方，實物連接如圖4所示。系統(tǒng)驗證過程中，實驗者上車后分別開關空調(diào)各30次，其中58次均能自動搖下車窗，車外播放警示語音且發(fā)送短信給第一聯(lián)系人。此外，測試車內(nèi)是否有人，車外進氣管和排氣管是否進水時，熱釋電傳感器和水位傳感器均能夠穩(wěn)定響應，測試結(jié)果如表2所示。由此可見，本系統(tǒng)具有較高的可靠性。此外，測試結(jié)果顯示，判斷車內(nèi)氣體含量這一功能目前還存在誤報的可能，因此，計劃下一步改進系統(tǒng)時，將重點優(yōu)化車內(nèi)氣體檢測功能，進一步提高系統(tǒng)的可靠性。

表2 測試結(jié)果

3 結(jié)束語

在如今經(jīng)濟社會高速發(fā)展的情況下，中國有車一族數(shù)量非常龐大，車輛安全已經(jīng)成為了社會熱點問題。本產(chǎn)品針對夏季密閉車內(nèi)使用空調(diào)過程中以及夏季暴雨洪水等惡劣天氣下存在的安全隱患而設計，可應用于多種危險情況，擁有廣闊的市場前景。

相較于其他功能簡單的防止車內(nèi)窒息的智能系統(tǒng)，本系統(tǒng)可以實時檢測車內(nèi)一氧化碳含量、溫度和車外水位深淺等指標，在發(fā)生危險時能夠第一時間開窗自救，并且立刻發(fā)出求救短信和語音播報提示，讓車主盡快得到救援，從而大大降低事故發(fā)生的可能性。此外，也方便其他人員救助，減少人員和經(jīng)濟損失。同時，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，易安裝，適用范圍廣。