基于毫米波雷達的車內(nèi)兒童檢測系統(tǒng)的研究

方育凱，史燦宇，林瑾

（廣東東軟學(xué)院 計算機學(xué)院，廣東 佛山 528225）

0 引 言

汽車作為主要的運輸手段和交通工具，已成為當今社會生活中不可缺少的工具。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，公路交通運輸量日益增大，汽車保有量也不斷增加，據(jù)相關(guān)部門的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，截至2022年3月底，全國機動車保有量突破4億輛，其中有3.07億輛為汽車，占機動車總量的76.37%；而機動車駕駛?cè)藬?shù)量增加至4.87億人，其中有4.50億人為汽車駕駛?cè)耍捡{駛?cè)丝倲?shù)的92.33%。其速度呈高速增長態(tài)勢。

汽車在給人類社會提供了極大的便利，但同時也引發(fā)了一系列的問題。據(jù)不完全統(tǒng)計，每年夏天，全世界都會有數(shù)百個兒童因為各種原因被鎖在車里從而致死。這其中的原因不僅有家長的疏忽，更多的是兒童沒有求生的意識更沒有求救的能力，因此兒童被誤鎖在汽車致死事件引起了很大的關(guān)注。由公安部道路交通安全研究中心趙文松等人對2017年的35起兒童被遺忘車內(nèi)造成的事故的分析，我們可以知道被困兒童年齡大多數(shù)分布在3～5歲，在整個統(tǒng)計事故案例的占比為81%。在這35起案例中，有17起是由于家長的粗心而將兒童遺忘在么家車內(nèi)造成傷害，另外18起事故是由于兒童被遺忘校車內(nèi)引發(fā)。但在這17起么家車事故中，有7起是造成死亡的事故，占案例的41%；而校車事故中，出現(xiàn)的案例均為死亡事故，死亡率為100%。由此我們可以得知當兒童被困時，所面臨的情況是多么危險。目前市面上的汽車保護措施更多的是車輛碰撞等方面的保護措施，針對兒童被困車內(nèi)的情況，目前車內(nèi)的保護措施似乎并不能發(fā)揮太大的作用。

本文針對目前汽車保護措施存在的不足方面提出了一種基于毫米波雷達的車內(nèi)兒童檢測系統(tǒng)裝置，可以在一定程度上解決兒童滯留車內(nèi)的安全問題。同時配備一氧化碳檢測裝置。使得車內(nèi)保護措施更加完善。該系統(tǒng)由77 GHz毫米波雷達、一氧化碳傳感器、ESP8266聯(lián)網(wǎng)模塊、語音模塊、STM32芯片組成。能夠?qū)崿F(xiàn)當汽車熄火過后，及時對車內(nèi)是否存在滯留人員進行檢測。以及車內(nèi)一氧化碳濃度的檢測。并將采集到的數(shù)據(jù)上傳到云端。從而確保滯留車內(nèi)的人員能夠及時獲救，保障了人們的生命安全。

1 車內(nèi)人員檢測報警系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件組成

本裝置是多功能安全事故警報裝置，集成了車內(nèi)人員滯留檢測、一氧化碳超標警報等功能。該系統(tǒng)主要包括車輛行進等信息的收集裝置、檢測裝置、中央處理器、交互裝置、控制裝置五個部分。其中車輛信息的收集，是通過汽車OBD接口來獲取車輛的情況，OBD接口能夠檢測汽車運行過程中的發(fā)動機電控系統(tǒng)以及車輛的其他功能模塊的工作狀況。檢測裝置是由毫米波雷達和一氧化碳濃度傳感器組成的，毫米波雷達能夠檢測車內(nèi)人員的呼吸、體動（心跳）等細微的生命體征信號。一氧化碳濃度傳感器能夠?qū)噧?nèi)的一氧化碳濃度進行檢測。中央處理器使用的芯片是STM32，根據(jù)傳感器收集的信息，發(fā)送相關(guān)的指令，控制語音模塊和車內(nèi)的控制系統(tǒng)的運行，以及聯(lián)網(wǎng)模塊的數(shù)據(jù)傳輸。交互裝置是語音模塊和ESP8266聯(lián)網(wǎng)模塊組成，語音模塊能及時發(fā)出語音提醒，ESP8266聯(lián)網(wǎng)模塊能夠?qū)④噧?nèi)檢測的相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到云端與用戶APP中，同時接收用戶在云端發(fā)送的命令。控制裝置是通風(fēng)系統(tǒng)與燈光系統(tǒng)組成。當有人被困車內(nèi)時，STM32會根據(jù)人員被困的時間，控制汽車打開空調(diào)的外循環(huán)模式，并打開汽車的危險報警燈。其硬件之間聯(lián)系設(shè)計如圖1所示。

圖1 硬件款式圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

以下為系統(tǒng)工作原理：

（1）當汽車熄火且車門關(guān)閉時，毫米波雷達開始檢測，當檢測到車內(nèi)存在生命體征時，中央處理器STM32判斷車上存在人員滯留，則執(zhí)行兒童滯留解救指令，使車上的通風(fēng)系統(tǒng)進行工作。當雷達持續(xù)較長時間檢測到車內(nèi)存在生命體征或滯留人員心跳呼吸異常時，中央處理器STM32發(fā)送指令，打開車上危險報警燈并且通過ESP8266聯(lián)網(wǎng)發(fā)送求救信息給車主和設(shè)置的緊急聯(lián)系人。從而達到向附近行人求救、保障被困人員安全和及時通知車主的作用。

（2）當汽車熄火并且為外部解鎖時，雷達會在五分鐘后進行工作，此時可手動停止雷達計時，即關(guān)閉雷達檢測，防止車主因等人等情況導(dǎo)致的雷達錯誤啟動的情況出現(xiàn)；若未手動關(guān)閉雷達檢測，則五分鐘后，雷達開始檢測，若檢測到生命體，則觸發(fā)兒童解救系統(tǒng)，防止小孩子因偷偷爬進車內(nèi)玩耍而造成的事故發(fā)生。

（3）當車內(nèi)存在人員時一氧化碳模塊進行工作，一旦檢測到一氧化碳濃度超過國家規(guī)定的車間空氣中CO最高容許濃度為30 mg/m就觸發(fā)危險解救警報，此時汽車的通風(fēng)系統(tǒng)開始工作，汽車內(nèi)的空調(diào)執(zhí)行外循環(huán)模式。語言模塊發(fā)出“一氧化碳濃度存在超標的危險”等語句進行提醒，并且通過ESP8266聯(lián)網(wǎng)模塊將車內(nèi)的將測情況上傳至云端與用戶APP中，防止車內(nèi)人員因一氧化碳中毒。系統(tǒng)執(zhí)行框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)執(zhí)行框架

2 傳感器采集原理

以下為傳感器采集原理：

（1）毫米波雷達檢測呼吸、心跳原理：毫米波雷達具有遠距離檢測，對微小運動敏感和距離分辨率高等優(yōu)點。本系統(tǒng)根據(jù)利用呼吸和心跳等人體活動會引起胸腔的起伏，進而引起雷達與被測人體之間的徑向距離的變化。通過測量該徑向距離的變化，可檢測到人體呼吸心跳等信號。

振動位移：

其中，（）=x（）+x（），分別為呼吸和心跳引起胸腔振動。

（2）一氧化碳濃度檢測傳感器：由過濾器、電極、電解液、透氣膜、殼體、電極引出線等部分組成，并采用密閉結(jié)構(gòu)設(shè)計的一氧化碳氣體傳感器。

如果一氧化碳從透氣膜擴散到氣體傳感器的工作電極，工作電極的催化作用將導(dǎo)致氧化反應(yīng)，化學(xué)方程式為：

CO+HO→CO+2H+2e

電子和產(chǎn)生的氫離子通過電解液轉(zhuǎn)移到對電極，然后與水分子中的氧進行反應(yīng)，化學(xué)方程式為：

于是，根據(jù)氧化-還原可逆反應(yīng)可得化學(xué)方程式為：

2CO+O→2CO

該氧化—還原的反應(yīng)始終發(fā)生在工作電極和大電極之間，電極之間發(fā)生電位差。

當加大電壓后氣體的反應(yīng)速率不再增加時，此時對應(yīng)的電流為極限電流，被測體積分數(shù)與極限電流存在以下關(guān)系：

其中，為極限電流；為氣體擴散系數(shù)C為待測氣體濃度；是用來擴散氣體的孔位面積；為擴散氣體孔位面積的有效長度；為反應(yīng)物的離子或者分子反應(yīng)時所產(chǎn)生的電子；為法拉第常數(shù)。通過計算值便可得出一氧化碳體積分數(shù)。

3 ESP8266Wi-Fi模塊工作原理

3.1 ESP8266簡介

ESP8266的模塊芯片是基于無線通信協(xié)議的UART-Wi-Fi透傳模塊芯片，支持802.11b/0g/n的無線標準，并帶有三種可選擇的工作模式。ESP8266模塊的控制是通過AT指令的形式控制，例如選擇Wi-Fi的應(yīng)用模式，列出、加入、退出接入點，創(chuàng)建TCP/UDP連接、獲得狀態(tài)、發(fā)送數(shù)據(jù)等操作。

3.2 ESP8266工作模式介紹

ATK-ESP8266模塊支持STA、AP、STA+AP三種工作模式。

（1）STA模式：ESP8266模塊通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，手機或電腦通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對設(shè)備的遠程控制。

（2）AP模式：默認模式ATK_ESP8266模塊作為熱點，實現(xiàn)手機或電腦直接與模塊通信，實現(xiàn)局域網(wǎng)無線控制。

（3）STA+AP模式：兩種模式的共存模式，（STA模式）即可以通過路由器連接到互聯(lián)網(wǎng)，并通過互聯(lián)網(wǎng)控制設(shè)備；（AP模式）也可作為Wi-Fi熱點，其他Wi-Fi設(shè)備連接到模塊。這樣實現(xiàn)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的無縫切換，方便操作。

3.3 ESP8266聯(lián)網(wǎng)功能

首先將機智云研發(fā)的GAgent固件燒入到ESP8266模塊中，此時ESP8266具備聯(lián)網(wǎng)功能。GAgent主要的作用是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，是設(shè)備數(shù)據(jù)、機智云、應(yīng)用端（APP）的數(shù)據(jù)交互橋梁。通過在ESP8266燒入GAgent固件能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與機智云互聯(lián)互通。GAgent功能示意圖如圖3所示。

圖3 GAgent功能示意圖

當系統(tǒng)開始工作時，設(shè)備的ESP8266Wi-Fi模塊進行聯(lián)網(wǎng)，并與云端進行通信。用戶可使用手機連接同一網(wǎng)絡(luò)，登錄機智云APP進行查找設(shè)備，并查看設(shè)備顯示的車內(nèi)人員的檢測情況。當系統(tǒng)運行時，可以通過ESP8266Wi-Fi模塊接收用戶發(fā)送的控制命令，然后通過USART串口通信發(fā)送到STM32上，STM32更新數(shù)據(jù)庫和做出相應(yīng)的處理后，再發(fā)送控制指令到相對應(yīng)的模塊上。系統(tǒng)模塊根據(jù)STM32的指令進行相對應(yīng)的工作。在系統(tǒng)運行過程中STM32對數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的邏輯處理后再發(fā)送到云端或臨時保存起來。當用戶與設(shè)備不處于同一網(wǎng)絡(luò)下時，用戶可登錄機智云后臺查看設(shè)備交互數(shù)據(jù)，了解當前車內(nèi)的系統(tǒng)所收集到的數(shù)據(jù)。及時根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)，做出相對應(yīng)的措施。

4 毫米波雷達檢測的優(yōu)點

FMCW雷達根據(jù)回波信號與發(fā)射信號的差頻信號來求距離和速度的，由于差頻信號頻率較低，一般為kHz，因此硬件處理相對簡單、適合數(shù)據(jù)采集并進行數(shù)字信號處理。

FMCW雷達收發(fā)同時，理論上不存在脈沖雷達所存在的測距盲區(qū)，并且發(fā)射信號的平均功率等于峰值功率，因此只需要小功率的器件，從而降低了被截獲干擾的概率。

FMCW雷達具有容易實現(xiàn)、結(jié)構(gòu)相對簡單、體積小、重量輕以及成本低。

FMCW雷達能分辨來自不同范圍的反射信號，可以用于多目標生命信號檢測，與CW雷達相比，F(xiàn)MCW雷達的回波信號不會發(fā)生在多個放射器上，降低了由于多徑衰落產(chǎn)生的信號能量損耗。

5 結(jié) 論

我國汽車行業(yè)的車內(nèi)保護機制對兒童的保護措施較少。本文設(shè)計的系統(tǒng)利用了毫米波雷達可以在較遠距離上精準地探測到人體的呼吸、體動（心跳）等細微的生命體征信號，可以非接觸地檢測和測量人體的呼吸速率、心率等信息。可以在車輛熄火時，準確判斷是否存在滯留人員，進而保障滯留人員的安全。同時配備了一氧化碳檢測功能，能夠更加完善汽車的保護機制。該系統(tǒng)由于雷達在檢測時并不會存在盲區(qū)。系統(tǒng)硬件安裝占用的空間較小，不需要對現(xiàn)有車輛進行過多改造，能夠滿足在各種車型進行安裝。倘若汽車上都安裝該系統(tǒng)能夠在一定程度上減少兒童被困車內(nèi)的概率，避免兒童被困車內(nèi)而致死的事件的發(fā)生。