車內兒童防滯留系統的設計與實現

王星宇，李康偉，張 帆，孫海峰，楊 蟠，李春華

（合肥工業大學計算機與信息學院，安徽合肥 230601）

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，汽車已普及到千家萬戶。汽車的大眾化，也讓與其相關的問題不斷出現，例如：兒童滯留車內窒息而亡，多是由于父母或其他監護人的疏忽，在停車離開后無意將兒童鎖在車內，或為了方便暫時將兒童有意鎖在車內，進而引發兒童車內意外傷亡事故[1]。兒童被鎖車內帶來了大量的安全隱患，可能會脫水、中暑、體溫熱、窒息甚至死亡。兒童滯留車內的安全事故已經占到車內非交通死亡相當大的比例，兒童乘車安全成為汽車安全領域新的重要課題[2]。

經過前期研究調查，總結出當前國內外針對兒童滯留車內安全問題的研究主要有三大類：

（2）基于車門鎖的檢測：如通過檢測車門是否被鎖，同時結合座椅壓力傳感器判斷車內是否有兒童滯留車內[4]。

（3）基于多種傳感器的檢測：如通過二氧化碳、紅外傳感器等檢測兒童是否被滯留車內[5]，并通過報警模塊實現報警功能，將二氧化碳、壓力、溫度等傳感器等集成于一體，通過傳感器檢測兒童滯留，通風控制器實現自救功能[6]。同時利用GSM 模塊報警，用戶手機可以及時接收到報警短信[7]。

上述各種研究中基于多種傳感器的檢測，同時具備遠程防遺忘和自救功能是研究的熱點。因此開發基于溫度、二氧化碳等傳感器檢測兒童滯留車內，并通過通信、執行等模塊，實現預防兒童被鎖車內的功能。

1 系統分析

1.1 系統簡介

基于上述研究的啟發，利用STM32 單片機，通過二氧化碳傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等，實現對車內二氧化碳濃度、溫度以及車窗是否被拍打等方面的監測，通過發送信息的方式完成報警。希望通過這樣一套系統，能實現更精確的檢測，減少安全隱患。

1.2 工作原理

兒童是否已被鎖車內并存在危險，需要檢測以下4 個關鍵量：①車輛行駛狀態；②車內有無滯留人員；③車內環境情況（包括溫度、二氧化碳濃度）；④車窗振動情況。

整套系統工作流程如圖1 所示。本系統擬采用GPS 北斗模塊，通過判斷車速是否低于5 km/h 來判斷車輛是否停止。若車輛處于停止狀態，再利用人體紅外傳感器檢測車內是否有滯留人員，若存在滯留人員，則將OLED（Organic Electroluminescence Display，有機電致發光顯示器）屏開啟，并將各傳感器初始化，開始使用傳感器進行數據采集，采集到的車內二氧化碳濃度信息和車內溫度信息，通過OLED 屏實時顯示。若車內溫度低于30 ℃且二氧化碳濃度較低、振動傳感器采集到的振動頻率較低，則判斷此時為安全狀態，并重新檢測車輛運行狀態，開啟下一輪檢測；若車內溫度高于40 ℃或二氧化碳濃度過高，則判斷此時車內滯留兒童存在危險，系統向監護人發送危險短信，直至車門打開或溫度下降至30 ℃以下，則可認為車內滯留兒童獲救，系統結束工作，否則系統重新檢測車輛運行狀態，開啟下一輪檢測；若車內溫度30～40 ℃或者振動傳感器采集到的振動頻率過高，則判斷此時車內滯留兒童存在安全隱患，進入警告狀態，并開始計時，若警告計時超過5 min，則發送警告短信通知監護人，重新檢測車輛運行狀態，開啟下一輪檢測，否則直接重新檢測車輛運行狀態，開啟下一輪檢測。

圖1 系統工作流程

2 系統設計

2.1 總體設計

根據工作原理，繪制該系統的總體狀態轉移圖（圖2）。基于原理圖及狀態轉移圖設計出的實物如圖3 所示。

(4)保留um弧線，連接mn線段，ny線段，yx線段，保留xv弧線，再將除A 、B中心線及φe圓以外的線刪除，再在x處倒Rs=1.5的圓角，得圖6。

圖2 項目狀態轉移圖

圖3 系統實物

2.2 系統組成模塊說明及測試

2.2.1 人體紅外檢測模塊

人體紅外檢測模塊采用HC-SR602，HC-SR602 模塊具有靈敏度高、響應快、靜態功耗小、體積小、安裝方便等特點。鏡頭、引腳已焊接，電源無需調試即可使用。

對人體紅外檢測模塊進行測試。初始化時，人體紅外感應模塊輸出無人信號，LED 燈滅。當檢測到有人時，人體紅外感應模塊輸出有人信號，LED 電平翻轉（亮），如圖4 所示；當人體靜止不動或者未檢測到人時，人體紅外模塊輸出信號保持上一個狀態。

圖4 檢測到有人時，傳感器燈亮

2.2.2 溫度、二氧化碳濃度檢測模塊

溫度檢測采用HDC1080。HDC1080 是一款具有集成溫度傳感器的數字濕度傳感器，其能夠以超低功耗提供出色的測量精度。

二氧化碳濃度檢測采用MHZ19B。MHZ19B 二氧化碳氣體傳感器是一個通用、小型傳感器，利用NDIR（Non-Dispersive InfraRed，非分散紅外技術）原理對空氣中存在的二氧化碳進行探測，具有很好的選擇性，無氧氣依賴性，壽命長。

該模塊通過串口與單片機進行通信，能夠同時監測環境溫度和濕度及二氧化碳濃度。當前狀態溫度、濕度及二氧化碳濃度值如圖5 所示。

圖5 當前環境的溫度、濕度及二氧化碳濃度值

2.2.3 振動采集模塊

振動采集模塊采用SW-18010P。SW-18010P 為彈簧型、無方向性振動感應觸發開關，具有信號干凈、波形好、驅動能力強等特點。

當按壓振動傳感器，累積一定次數，蜂鳴器會發出響聲，同時LED 燈會閃爍，如圖6 所示。

圖6 按壓一定次數，LED 燈閃爍

2.2.4 GSM 模塊

GSM 模塊采用YH-SIM800A。YH-SIM800A 是高品質串口GSM/GPRS 模塊，可通過串口傳輸標準的AT 命令對模塊進行控制，可為產品提供簡單方便的GSM 語音、短信、GPRS 的數據通信。

插入SIM 卡后，可以對指定的手機號碼發送短信。如圖7所示，手機收到了來自車內反饋回的報警信息。

圖7 手機收到來自GSM 模塊發送的報警短信

2.2.5 GPS 北斗模塊

GPS 北斗模塊采用BH-ATGM332D。BH-ATGM332D 是高性能、低功耗GPS、北斗雙模定位模塊，可以通過串口向單片機系統和電腦輸出GPS 及北斗定位信息，使用簡單方便。

GPS 信號良好時，板載的液晶屏會顯示出實時的定位信息，顯示的信息依次為：當前日期、當前時間、緯度、經度、正在使用的GPS 衛星、可見的GPS 衛星、正在使用的北斗衛星、可見的北斗衛星、海拔高度、速度、航向等。當前位置信息如圖8所示。

圖8 GPS 模塊定位當前位置信息

3 創新點及應用前景

基于上述原理設計出的車內兒童防滯留系統，利用GPS 定位實現對車輛運行狀態的判斷；采用紅外探測器檢測車內是否有人員。擁有更加完善的檢測系統，充分考慮到各種不同的情況下兒童是否遇到危險，避免誤報情況的同時，也能盡可能減小安全隱患。

隨著車輛保有量的不斷增加，車內兒童防滯留系統潛在市場的規模不斷擴大。此外，車內兒童防滯留系統不限于運用在家用轎車上，還可以運用在校車和客車上，可在一定程度上減少了安全事故的發生，同時提高乘車的舒適性。如果車內兒童防滯留系統得到廣泛應用，可徹底解決車輛駐停后車內兒童人身安全沒有防護措施的問題。

兒童滯留車內的安全事故已經占到車內非交通死亡相當大的比例，解決兒童滯留車內的安全問題有重要的現實意義，因此該系統的應用價值和成果推廣前景較為可觀。

4 結束語

介紹基于STM32 單片機設計的車內兒童防滯留系統，通過二氧化碳傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、人體紅外傳感器等，從多個方面實現了對車內有無滯留兒童的監測和報警。擁有檢測車內溫度、二氧化碳濃度、GPS 定位、噪聲和振動檢測等功能。系統經過初步驗證已經達到設計的基本目的。本產品以人為主體，特別是嬰幼兒群體，可以與車內嬰兒座椅相結合，真正起到對滯留兒童生命健康的保護作用。