車內(nèi)遺落幼童檢測報警安全系統(tǒng)設(shè)計

洪懿琳

（長安大學(xué)，陜西 西安710054）

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，我國小汽車保有量逐步升高，然而，在享受快速便捷出行條件的同時，由汽車與人的關(guān)系衍生出的潛在危險也致使不少悲劇的發(fā)生，其中最令人痛惜的莫過于幼童被困車內(nèi)致死事件。據(jù)美國兒童安全組織調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，1990年以來，美國至少有944 名兒童被困車內(nèi)致死，此類事故平均每9 天發(fā)生一起[1]。每個孩子都是父母的希望、社會的未來，因此，解決車內(nèi)遺落幼童的安全問題刻不容緩。

1 設(shè)計思路

1.1 國內(nèi)外類似研究存在的問題

縱觀當(dāng)下國內(nèi)外類似研究，大部分設(shè)計主要為依托兒童安全座椅設(shè)置的警報系統(tǒng)、基于單片機的小型報警裝置、運用信息傳輸技術(shù)的遠程報警系統(tǒng)等，然而，當(dāng)前解決車內(nèi)被困幼童安全問題的裝置普及度依舊不高，其存在的問題主要包括：

1.1.1 對致死原因的理解存在偏差。目前大部分研究將兒童被困車內(nèi)致死的原因歸咎于“窒息”，其技術(shù)主要集中于通過檢測車內(nèi)二氧化碳、一氧化碳、氧氣等濃度來實現(xiàn)報警。但事實上，密閉性再好的汽車也不可能完全隔斷與外界的空氣交換，這一點由“汽車落水后被水浸沒”的現(xiàn)象可以證實。而據(jù)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明，在環(huán)境溫度僅有26.7℃的情況下，受陽光直射的汽車車內(nèi)溫度在10 分鐘內(nèi)就可達37.2℃，又因幼童身體發(fā)育不完全，其體溫升高速度是成人的3～5 倍，在持續(xù)太陽暴曬下，幼童在5分鐘內(nèi)便會失去對體溫的調(diào)控，極易在短時間內(nèi)引起電解質(zhì)紊亂、多臟器衰竭甚至死亡等危害[2]。由此可見，車內(nèi)高溫的危害性遠大于氧氣不足。

1.1.2 傳感器選擇不當(dāng)。目前部分研究使用壓力傳感器、人體紅外傳感器等檢測車內(nèi)是否遺留幼童，但是，壓力傳感器容易受到車內(nèi)物體壓力等的干擾，人體紅外傳感器容易受到光源、熱源、遮擋物等的干擾，導(dǎo)致誤報現(xiàn)象頻發(fā)。多種傳感器并行工作看似準確，實則造成不必要的浪費。

1.1.3 報警不及時。目前部分研究設(shè)置的報警模塊主要為聲光報警或遠程信息報警，但一般情況下，當(dāng)檢測出車內(nèi)險情后再報警時車主很可能已經(jīng)走遠，而車內(nèi)溫度升高迅速，很難保證車主能夠在車內(nèi)溫度升至“致命溫度”前及時返回，導(dǎo)致錯過最佳搶救時間而造成悲劇發(fā)生。

1.2 本系統(tǒng)的設(shè)計思路

為改進現(xiàn)有技術(shù)方案以解決上述問題，本研究提出一種可以實現(xiàn)多級報警的設(shè)計思路，主要由單片機控制模塊、傳感器檢測模塊、聲光報警模塊、GSM 報警信息傳輸模塊四部分構(gòu)成，實施步驟為：當(dāng)單片機控制模塊檢測到汽車熄火且車門落鎖后，人體紅外傳感器開始工作。若檢測到車內(nèi)有人，此時無論溫度高低，立即啟動一級預(yù)警：LED 燈閃爍、蜂鳴器發(fā)出警報，以提醒車主關(guān)注車內(nèi)異常狀況，車主可以根據(jù)實際意圖選擇忽略或及時采取相應(yīng)措施，該過程持續(xù)20 秒后自動停止。一級預(yù)警結(jié)束后，溫度傳感器、聲音傳感器開始工作，當(dāng)車內(nèi)溫度到達報警閾值且聲音檢測模塊判斷車內(nèi)存在遺落幼童時，啟動二級報警：GSM 系統(tǒng)將警報信息發(fā)送至車主手機，同時LED 燈閃爍、蜂鳴器響，以提醒附近群眾車內(nèi)險情，便于過路熱心群眾協(xié)助施救。其中，LED 燈與蜂鳴器上設(shè)置有手動開關(guān)，為避免對大眾造成干擾，當(dāng)確認幼童解除危險后可手動關(guān)閉報警器。

圖1 總體思路圖

1.3 創(chuàng)新優(yōu)勢

1.3.1 規(guī)避“窒息致死”理論造成的檢測偏差，以溫度作為車內(nèi)危險程度的判定標準，提高系統(tǒng)準確性、安全性。

1.3.2 簡化傳感器的應(yīng)用，以聲音識別作為技術(shù)突破，通過區(qū)分幼童與成年人的聲音來判斷車內(nèi)是否遺留幼童，協(xié)同溫度檢測器一起作為危險判斷標準以啟動警報裝置，提高系統(tǒng)的高效性。

1.3.3 為避免搶救不及時、紅外傳感器易誤報的缺點，設(shè)置多級報警系統(tǒng)，通過一級預(yù)警、二級報警的模式提高報警裝置的可靠性，為幼童的安全保駕護航。

2 實驗研究

2.1 數(shù)據(jù)獲取

為探究“聲音識別”的可行性，我們在車內(nèi)對幼童（據(jù)美國學(xué)前教育協(xié)會的定義，本項研究中“幼童”的年齡為七歲及以下）與成人的音頻數(shù)據(jù)進行采集?？紤]到成人具有較強的自救能力以及幼童遭遇危險易哭鬧的特征，本次采集的音頻主要包括：幼童哭鬧聲、幼童說話聲、成人說話聲、成人唱歌聲、背景聲。

2.2 數(shù)據(jù)處理

由于音調(diào)高低與聲音頻率有關(guān)，為避免數(shù)據(jù)量過少造成的誤差，我們從聲音頻率入手，比較不同聲音的頻譜圖。又因成人清唱聲與成人說話聲區(qū)別不大，以下只列舉四組頻譜圖進行說明。由以上可見，這四組聲音數(shù)據(jù)的相同點為：聲音強度均在5HZ-100HZ 頻率范圍內(nèi)較突出；不同點為：背景聲在1000HZ-10000HZ 范圍內(nèi)無明顯波動，而其余三種聲音的聲強不僅在5HZ-100HZ 頻率范圍內(nèi)波動較大，在1000HZ-10000HZ 頻率范圍內(nèi)也有明顯的起伏。由此得出初步結(jié)論：5HZ-100HZ 頻率范圍內(nèi)的聲音主要來源于背景噪音，而1000HZ-10000HZ 的聲音主要源自哭鬧聲、說話聲等人體發(fā)出的聲音。因此，我們將研究范圍確定在1000HZ-10000HZ 頻率內(nèi)。接著，為進一步明確差距，運用MATLAB 計算各組聲音能量值，方法為：（1）對原始數(shù)據(jù)（時域圖中的數(shù)據(jù)）進行快速傅里葉變換;（2）將變換后的數(shù)據(jù)平方后求和[3]。結(jié)果表明，在1000HZ-10000HZ 范圍內(nèi)，除背景聲外，各組能量值均達0.0002Pa2以上，而背景聲能量值僅有0.0000028 Pa2左右。考慮到各組聲音在檢測時均包含背景聲，因此，我們以背景聲為比較基準，計算1000HZ-10000HZ 范圍內(nèi)的各組聲音能量值與背景聲能量值的比值。

由圖2 可見，幼童哭鬧聲（第1、4、5、6、7、8 組）的能量值平均高達背景聲能量值的1000 倍以上，而其余聲音數(shù)據(jù)（2、3 組為背景聲；9、10組為幼童說話聲；11、12、13、14 為成人說話聲；15、16、17、18、19 為成人清唱聲）與背景聲能量值的比值較幼童哭鬧聲要小得多。由此可以明確，通過在1000HZ-10000HZ 頻率范圍內(nèi)各聲音與背景聲能量值的比較，可以有效地區(qū)分幼童哭鬧聲與其他聲音。

圖2 1000HZ-10000HZ 內(nèi)各組聲音能量值與背景聲能量值的比值

3 結(jié)構(gòu)與安裝

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本裝置的連接方式分為有線與無線兩種，有線連接包括單片機控制模塊與傳感器檢測模塊、GSM 系統(tǒng)，稱為裝置本體；無線連接為單片機控制模塊與LED 燈、蜂鳴器報警模塊，稱為報警器。具體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 裝置結(jié)構(gòu)圖

3.2 安裝位置比較論證

運用德爾菲法與模糊綜合評價法對裝置本體的安裝位置進行比較，結(jié)果如表1 所示。

表1 裝置本體安裝位置比較矩陣

由上述結(jié)果得，將裝置本體安裝在車頂中央是最優(yōu)選擇。此外，為方便引起周圍群眾注意，由LED 燈與蜂鳴器構(gòu)成的報警器宜安裝在兩側(cè)車門底端。

4 結(jié)論

本文通過對國內(nèi)外類似系統(tǒng)的研究分析，總結(jié)出目前該類研究普遍存在致死原因理解偏差、傳感器選擇不當(dāng)、報警不及時等問題。針對上述缺陷，本文提出一種新的設(shè)計方案，以聲音識別為技術(shù)突破，以多級警報為安全保障，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上進行改進，進一步提高系統(tǒng)的準確性、安全性。