一種車內(nèi)智能防窒息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田德恒

（萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山東濟(jì)南，250000）

0 引言

通過研究分析發(fā)現(xiàn)，在利用傳感器進(jìn)行監(jiān)測的基礎(chǔ)上，實(shí)施具備遠(yuǎn)程報(bào)警和車內(nèi)自救功能的系統(tǒng)才是研究的關(guān)鍵所在。因此，本文通過GPS系統(tǒng)以及多種傳感器的應(yīng)用來檢測車內(nèi)是否有人滯留，同時(shí)解決了先前同類系統(tǒng)研究中功能不全的缺陷，真正提高了車內(nèi)防窒息系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性，為解決兒童車內(nèi)安全問題提供了新方案。

1 車內(nèi)智能防窒息系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

此類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要通過對所處情景進(jìn)行仔細(xì)研判，以此發(fā)出預(yù)警減弱或消除危險(xiǎn)。針對因監(jiān)護(hù)人的錯(cuò)誤大意行為導(dǎo)致兒童被困在車內(nèi)的危險(xiǎn)情況，可根據(jù)如下條件來判斷：①車輛是否處于熄火或停止?fàn)顟B(tài)；②車輛內(nèi)部有無人員逗留；③車輛溫度是否明顯升高且超過人體耐受程度。根據(jù)上述條件，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要涵蓋監(jiān)測模塊、供電與控制模塊以及執(zhí)行與報(bào)警模塊。其中監(jiān)測模塊又可以包含車輛狀態(tài)監(jiān)測、人員監(jiān)測、車內(nèi)溫度監(jiān)測、二氧化碳濃度監(jiān)測四方面。對車輛狀態(tài)的測定方式采取GPS軟件監(jiān)測法；人員監(jiān)測則摒棄壓力傳感器法，采用了人體紅外傳感器方案；車內(nèi)溫度監(jiān)測系統(tǒng)采用DS18B20傳感器；二氧化碳傳感器采用MH-Z14A檢測法?？刂婆c執(zhí)行報(bào)警系統(tǒng)核心運(yùn)算器件分別采用STC89C52單片機(jī)與GSM處理器。通過各模塊的協(xié)調(diào)配合，完成對車內(nèi)防窒息的設(shè)計(jì)。其工作原理和具體模塊介紹如下：

1.1 工作原理簡介

本系統(tǒng)的基本工作原理為：通過GPS車輛狀態(tài)監(jiān)測、溫度、二氧化碳、人體紅外線傳感系統(tǒng)所收集到數(shù)據(jù)信息變化，來測定車內(nèi)是否存在滯留人員。當(dāng)溫度傳感器、二氧化碳傳感器測定車內(nèi)溫度異常、二氧化碳濃度異常時(shí)，反饋給單片機(jī)，在單片機(jī)經(jīng)過信息處理之后，執(zhí)行與報(bào)警模塊發(fā)揮作用，報(bào)警器引起路人注意，GSM模塊發(fā)送短信給監(jiān)護(hù)人手機(jī)通知其車內(nèi)異常狀態(tài)。在監(jiān)護(hù)人未及時(shí)回復(fù)或車內(nèi)情況極度危險(xiǎn)的情況下，單片機(jī)下達(dá)危險(xiǎn)指令，通過了I/O口輸出的脈沖信號(hào)傳送給步進(jìn)電機(jī)，開啟車窗并撥打報(bào)警電話。具體工作原理如下圖1所示。

圖1 車內(nèi)防窒息系統(tǒng)工作原理

1.2 供電與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)供電模塊采用汽車本身所使用的蓄電池，利用變壓器將汽車電源的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楸鞠到y(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)裝置所需的額定電壓，從而實(shí)現(xiàn)裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

此裝置控制系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心運(yùn)算器件。STC89C52單片機(jī)是一種COMOS8微處理器，這種微處理器本身具有8KB字節(jié)系統(tǒng)以及可編程的FLASH存儲(chǔ)器，其內(nèi)核為MCS-51，性能優(yōu)異、集成度強(qiáng)、且性價(jià)比較高。具體STC89C52單片機(jī)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 STC89C52單片機(jī)具體信息

1.3 監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)

（1）車輛狀態(tài)監(jiān)測裝置

基于上述關(guān)于影響系統(tǒng)的關(guān)鍵因素的描述，需要集合不同的監(jiān)測模塊進(jìn)行信息的收集和處理。首先，在測量車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)需要用到GPS模塊，可通過GPS模塊來大致判斷車輛的速度以及是否正在運(yùn)動(dòng)。但是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，GPS模塊測量存在兩大短板，一是適用條件限制性大，僅在開闊無遮擋地形適用；二是車輛靜止?fàn)顟B(tài)的判斷區(qū)間過于模糊、不精確，慢速行駛的車輛也會(huì)被誤識(shí)別為停止?fàn)顟B(tài)。因此，本模塊選擇采用GPS與三軸加速度計(jì)系統(tǒng)融合使用的方式，以GPS為主，三軸加速度計(jì)為輔，綜合判斷車輛行駛狀態(tài)。其中三軸加速度計(jì)的工作原理是在避免單一維度易受坡度影響，綜合計(jì)算X、Y、Z三個(gè)維度的加速度矢量和。在汽車處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)（不論是慢速運(yùn)動(dòng)還是快速運(yùn)動(dòng)），矢量和都會(huì)在車輛加速度的影響下產(chǎn)生一定波動(dòng)，但是靜止的車輛并不會(huì)導(dǎo)致波動(dòng)的產(chǎn)生，因此來判定車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還表明，一般當(dāng)加速度矢量和大小處于1到1.1個(gè)重力加速度之間時(shí)車輛是靜止?fàn)顟B(tài)。通過上述理論依據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過在車輛中安裝GPS模塊以及安裝三軸加速度計(jì)可以獲取更多信息，從而更準(zhǔn)確地判斷車輛行駛信息狀態(tài)。

（2）人員監(jiān)測裝置

本模塊人員監(jiān)測裝置核心軟件為HC-SR501人體紅外傳感器，其采用了超低電壓運(yùn)轉(zhuǎn)方式。其中，HC-SR501是一款以熱釋電效應(yīng)為核心的傳感器，能夠輕松捕獲人體或動(dòng)物體上發(fā)出的紅外線。熱釋電效應(yīng)與壓電效應(yīng)之間存在一些相同點(diǎn)，都能通過溫度變化而引起晶體表面的荷電現(xiàn)象。熱釋電傳感器由壓電晶體元件組合而成，對溫度變化極其敏感。其通過在兩個(gè)元件之間構(gòu)造電極的方式來測定監(jiān)測范圍內(nèi)是否有人存在。在監(jiān)測范圍內(nèi)，當(dāng)溫度變化ΔT時(shí)，兩個(gè)電極上會(huì)產(chǎn)生電荷ΔQ，同時(shí)電壓變化ΔV。這代表著當(dāng)人體處于監(jiān)測范圍內(nèi)時(shí)，在人體溫度與環(huán)境溫度無差別的情況下，此時(shí)ΔT為零，傳感器無輸出；當(dāng)人體溫度與環(huán)境溫度有差別時(shí)，產(chǎn)生溫差ΔT，傳感器則有輸出。一般說來，當(dāng)傳感器不加菲涅爾透鏡時(shí)，其監(jiān)測范圍較小，監(jiān)測半徑約為兩米左右；再與菲涅爾透鏡組合之后，其監(jiān)測范圍大幅增加，監(jiān)測半徑可達(dá)七米。HC-SR501人體紅外傳感器具體指標(biāo)表2所示。

表2 HC-SR501傳感器具體指標(biāo)

通過上述關(guān)于熱釋電傳感器的工作原理可知，人員監(jiān)測裝置模塊的設(shè)置即是通過對人體紅外線的感知，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。一般說來，人體體溫在37度上下浮動(dòng)，當(dāng)人體體溫為37度時(shí)，會(huì)散發(fā)出10UM左右的紅外線，熱釋電傳感器的被動(dòng)式探頭在發(fā)現(xiàn)人體所射出的10UM紅外線之后，通過菲涅爾光學(xué)透鏡將其聚集到感應(yīng)源上，紅外感應(yīng)源的熱釋電元件在人體溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，從而導(dǎo)致預(yù)警信息數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。

（3）溫度監(jiān)測裝置

易立輝等（2019）認(rèn)為關(guān)于汽車溫度監(jiān)測功能的設(shè)計(jì)與實(shí)施，主要采用溫度傳感器、顯示屏以及單片機(jī)等零件組成有顯示功能的溫度檢測儀。基于車輛內(nèi)溫度上下限變化幅度大、各類電路和傳感器產(chǎn)生的干擾繁多的特點(diǎn)以及測量車內(nèi)溫度的準(zhǔn)確性需求，本模塊選用DS18B20溫度傳感器，其優(yōu)點(diǎn)包括測量范圍廣、抗干擾性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高等。溫度傳感器實(shí)際就是傳感器監(jiān)測的溫度一旦超出預(yù)設(shè)的溫度參數(shù)上下限，溫度檢測儀就會(huì)自動(dòng)閃爍警告指示燈并發(fā)出報(bào)警鈴聲。其在車輛日常行駛中為駕駛員提供車內(nèi)實(shí)時(shí)溫度，能夠作為駕駛員調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度的參考數(shù)據(jù)。

在系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)方面，根據(jù)程序設(shè)計(jì)思路將溫度監(jiān)測系統(tǒng)拆分成為溫度測量收集、溫度數(shù)據(jù)比較、溫度數(shù)據(jù)顯示和警報(bào)程序幾個(gè)子程序的集合體。從豎向整體運(yùn)行流程來看，通過溫度測量程序收集到車內(nèi)實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，再經(jīng)由溫度比較程序進(jìn)行上下限比對，隨后再通過溫度顯示程序顯示在數(shù)顯屏幕上或通過警報(bào)程序完成一系列預(yù)警。將上述子程序通過主程序按流程依次調(diào)用即可實(shí)現(xiàn)車輛溫度檢測功能。

（4）二氧化碳監(jiān)測裝置

通過對比各類二氧化碳傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，本模塊的設(shè)計(jì)最終選擇了MH-Z14A二氧化碳傳感器。其是集紅外吸收氣體檢測技術(shù)與電路設(shè)計(jì)于一身的一種高級傳感器，能夠?qū)噧?nèi)的二氧化碳濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并提供UART、PWM等多種輸出方式，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、靈活程度高的特點(diǎn)。且這種傳感器的功率相對較小，能夠避免電瓶虧電現(xiàn)象的發(fā)生，延長電池的使用壽命。同時(shí)，為了進(jìn)一步削弱突發(fā)情況對傳感器的影響，對傳感器進(jìn)行了維修加固，比如，防止車內(nèi)水汽會(huì)對傳感器產(chǎn)生損害，對氣室進(jìn)行了鍍金處理；防止低溫情況下傳感器不能正常工作，設(shè)置了傳感器的溫度補(bǔ)償功能等。

本模塊通過串口通信技術(shù)，在采集車內(nèi)氣體數(shù)據(jù)之后，由MCS-51單片機(jī)進(jìn)行判斷、處理與控制。在此基礎(chǔ)上，監(jiān)護(hù)人可以獨(dú)立設(shè)置二氧化碳上限，當(dāng)車內(nèi)二氧化碳濃度超過上限時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生警示信息與數(shù)據(jù)。相比較來說，這種監(jiān)測系統(tǒng)的精確度更高、更迅速、成本更低廉、性價(jià)比更高。

（5）執(zhí)行與報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)主要受監(jiān)測模塊的影響，只有當(dāng)車內(nèi)溫度或者二氧化碳濃度超過特定閾值時(shí)，才會(huì)進(jìn)入警戒狀態(tài)。本模塊設(shè)計(jì)的核心零部件包含步進(jìn)電機(jī)、GSM以及聲音警示系統(tǒng)等。首先，步進(jìn)電機(jī)選用了DV-5V步進(jìn)減速電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)主要受控于MCS-51單片機(jī)，單片機(jī)通過調(diào)整電機(jī)狀態(tài)就可以達(dá)到控制車窗升落的目的。同時(shí)，為了滿足被控元件的電壓問題，本文采取以ULN2003晶體管陣列的功率電路與2.7KΩ基極電阻串聯(lián)的方式，并在此基礎(chǔ)上連接TTL和CMOS電路，以達(dá)到對信息數(shù)據(jù)直接、快速處理的目的。其次，在接受到單片機(jī)的控制指令之后，系統(tǒng)通過GSM完成對監(jiān)護(hù)人的通知與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。GSM模塊核心運(yùn)作零件為TC35，其設(shè)計(jì)主要涉及基帶處理器、閃存系統(tǒng)、連接器配置等幾大部分，其中，基帶處理器的SIM接口應(yīng)符合ISO標(biāo)準(zhǔn)。具體GSM模塊的工作原理如下：在正常供電狀態(tài)下，通過IGT腳本使TC35進(jìn)入工作狀態(tài)。同時(shí)，此時(shí)供電電壓應(yīng)不小于3.3V。ZIF連接器預(yù)留6個(gè)引腳給SIM卡，在完成SIM卡檢測后，一旦SIM卡插入，系統(tǒng)就開始運(yùn)轉(zhuǎn)。最后，關(guān)于聲音警示系統(tǒng)。閆鵬飛和馮乘龍（2018）[4]為了進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)用性以及出于對經(jīng)濟(jì)成本的考慮，在不變更車輛電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用聲音警示法，引起周圍人群的注意。