基于ESP32 的智能兒童安全座椅設(shè)計(jì)

邵 浦，徐 豪，王 朗

（1.寧波寶貝第一母嬰用品有限公司，浙江寧波 315100；2.浙大寧波理工學(xué)院，浙江寧波 315100）

隨著家庭汽車在我國(guó)的普及，人民出行安全問(wèn)題，特別是兒童出行安全問(wèn)題日益成為了大眾百姓的關(guān)注焦點(diǎn)[1]。普通的兒童安全座椅具備的功能有限[2]，已無(wú)法滿足當(dāng)前社會(huì)兒童出行的安裝需求、安全性要求以及舒適性等，功能更加豐富、系統(tǒng)更加智能和自動(dòng)化的智能兒童安全座椅越來(lái)越受到消費(fèi)者的喜愛(ài)和選擇。

該文基于ESP32 低功耗WiFi 和藍(lán)牙芯片，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)帶有壓力傳感器、溫度傳感器、風(fēng)扇散熱系統(tǒng)、座椅加熱系統(tǒng)以及手機(jī)移動(dòng)端的智能兒童安全座椅系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了更好地指導(dǎo)用戶正確地安裝和使用兒童座椅，提高兒童座椅的安全性、舒適性和便捷性，使兒童座椅朝著人工智能方向發(fā)展[3]。該智能兒童座椅系統(tǒng)通過(guò)WiFi 和BLE 藍(lán)牙用手機(jī)進(jìn)行通信交互，將座椅上的壓力傳感器狀態(tài)、溫度傳感器、ISOFIX[4]、上拉帶狀態(tài)值、電池電量等信息在手機(jī)App 上顯示，也可以通過(guò)App 反向控制座椅的風(fēng)扇和加熱，然后App 再通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳給云平臺(tái)服務(wù)器，保證數(shù)據(jù)的完整性和安全性。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

1.1 主控制器

智能兒童安全座椅控制系統(tǒng)的大腦是主控制器，該系統(tǒng)的主控制器主要有以下功能：采集座椅上的壓力傳感器狀態(tài)、溫度傳感器、ISOFIX 狀態(tài)值、上拉帶狀態(tài)值、電池電量，將數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi 和BLE 藍(lán)牙發(fā)送到手機(jī)上，可以接收手機(jī)端發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，與手機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，控制風(fēng)扇和加熱模塊執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。控制系統(tǒng)集成在兒童汽車座椅上，座椅環(huán)境空間對(duì)電池有較高的要求，所以主控制器對(duì)系統(tǒng)運(yùn)算、硬件資源的實(shí)時(shí)交互能力以及通信能耗有較高要求[5]。目前嵌入式開(kāi)發(fā)逐漸成為潮流，在WiFi和藍(lán)牙低功耗領(lǐng)域的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，使用嵌入式的WiFi 和藍(lán)牙低功耗集成芯片逐漸替代了單獨(dú)模塊組合的開(kāi)發(fā)模式。

ESP32集成Wi-Fi和Bluetooth 4.2(BR/EDR+LE)，搭載Xtensa? 32 位LX6 單/雙核處理器，主頻高達(dá)240 MHz，內(nèi)置520 kB SRAM 和448 kB ROM。它具有34 個(gè)可編程GPIO，支持UART、SPI、SDIO、I2C、I2S、PWM、ADC、DAC、Ethernet、Touch Sensor 等，具有行業(yè)領(lǐng)先的射頻和低功耗性能[6]。該文使用樂(lè)鑫公司的ESP32 芯片作為智能兒童安全座椅控制系統(tǒng)的主控器。

1.2 壓力傳感器

智能兒童安全座椅系統(tǒng)通過(guò)壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控兒童是否離開(kāi)座位。在電池供電狀態(tài)下，需要壓力傳感器來(lái)開(kāi)啟供電，讓系統(tǒng)進(jìn)入智能工作狀態(tài)，連接手機(jī)App 后，App 界面能實(shí)時(shí)看到入離座的圖標(biāo)閃爍和告警聲。

傳統(tǒng)的壓力傳感器多為大體積的機(jī)械結(jié)構(gòu)樣式，通過(guò)彈性器件的彈性變化來(lái)表示壓力大小，這種壓力傳感器普遍較為笨重，且輸出信號(hào)為模擬信號(hào)，不利于單片機(jī)電路對(duì)信號(hào)的采集[7]。兒童安全座椅的空間有限，不適用這種傳統(tǒng)壓力傳感器。

該設(shè)計(jì)采用薄膜型座椅壓力傳感器，如圖2 所示，該壓力傳感器采用環(huán)保PET 軟材質(zhì)超薄設(shè)計(jì)，只要給它一個(gè)合適的壓力，它就會(huì)自動(dòng)發(fā)出一個(gè)電阻信號(hào)，系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單的外接電路，即可獲得它的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

圖2 壓力傳感器

1.3 溫度傳感器

智能兒童安全座椅系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)采集座椅臀部的溫度值[8]。三種主流的溫度傳感器種類及其優(yōu)缺點(diǎn)如表1 所示。

表1 溫度傳感器對(duì)比

由表1 可知，熱偶簡(jiǎn)單但穩(wěn)定性和靈敏度較差；RTD 穩(wěn)定、精度好，但測(cè)量較慢且測(cè)量電路復(fù)雜；NTC 熱敏電阻速度快，測(cè)量電路簡(jiǎn)單[9]，雖然溫度范圍有限，但能滿足智能兒童汽車座椅控制系統(tǒng)的測(cè)溫需求[10]。

1.4 風(fēng)扇和加熱

由于兒童在幼兒時(shí)期身體結(jié)構(gòu)發(fā)育不完整，各種器官較為脆弱，對(duì)環(huán)境的溫度反應(yīng)敏感。夏天，兒童在座椅上久坐，會(huì)導(dǎo)致接觸座椅的部位容易出汗，可能引起痱子等常見(jiàn)的皮膚?。怀跚铮瑫?huì)出現(xiàn)打開(kāi)汽車空調(diào)十分燥熱但不開(kāi)空調(diào)又有些冷的尬尷情況[11]。可見(jiàn)兒童安全座椅的舒適度問(wèn)題非常重要，亟待發(fā)展進(jìn)步。

基于以上功能分析，該文智能兒童汽車安全座椅通過(guò)吸風(fēng)式的風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)散熱[12]，智能加熱溫控。在工作模式下，實(shí)時(shí)采集周圍的溫度，控制座椅溫度到合適的狀態(tài)，跟手機(jī)App 互聯(lián)后，可通過(guò)App實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇和加熱的開(kāi)關(guān)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)框架

整個(gè)智能兒童座椅系統(tǒng)的硬件由座椅ISOFIX模塊、上拉帶模塊、壓力傳感器、溫度模塊、兩個(gè)風(fēng)扇模塊、加熱模塊等組成，系統(tǒng)采用兩種供電方式：干電池和汽車點(diǎn)煙器電源，ESP32 作為主控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和處理，并通過(guò)自帶的WiFi 和BLE 跟手機(jī)通信交互。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖

2.2 各模塊硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1 最小系統(tǒng)電路

ESP32 能嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并且功耗低、性能強(qiáng)大、處理信息快、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單方便，將天線開(kāi)關(guān)、RF balun、功率放大器、接收低噪聲放大器、濾波器、電源管理模塊等功能集于一體。ESP32 只需極少的外圍器件，即可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的處理性能、可靠的安全性能以及WiFi &藍(lán)牙功能[13]。所以使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)，并滿足開(kāi)發(fā)功能要求。

該最小系統(tǒng)主要包括主控芯片ESP32、編程下載口、各個(gè)電源接口的濾波電容、板載2.4 G 天線等。最小系統(tǒng)電路如圖4 所示。

圖4 最小系統(tǒng)電路圖

2.2.2 電源管理電路

智能兒童安全座椅控制系統(tǒng)采用12 V 車載點(diǎn)煙器和三節(jié)5 號(hào)干電池組作為組合供電電源，由于ESP32和部分接口電路需要3.3 V 供電，所以用DCDC降壓電路將12 V 和4.5 V 降壓到3.3 V。

2.2.3 風(fēng)扇和加熱控制電路

風(fēng)扇和加熱控制電路分別都通過(guò)一個(gè)NPN 三極管驅(qū)動(dòng)PMOS 對(duì)12 V 電壓進(jìn)行開(kāi)關(guān)從而驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇和加熱模塊[14]。在風(fēng)扇電路中，在風(fēng)扇兩端加入續(xù)流二極管防止在開(kāi)關(guān)風(fēng)扇過(guò)程中產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)損害PMOS 管。風(fēng)扇和加熱控制電路圖如圖5 所示。

圖5 風(fēng)扇和加熱控制電路圖

2.2.4 接口檢測(cè)電路

在接口檢測(cè)電路中，主控芯片ESP32 使用ADC口檢測(cè)NTC 的值，通過(guò)公式將其轉(zhuǎn)換為溫度值；使用另外的ADC 口檢測(cè)干電池的值，通過(guò)公式將其轉(zhuǎn)換為電壓值；使用四個(gè)IO 口來(lái)檢測(cè)兩個(gè)ISOFIX、上拉帶、12 V電壓輸入的狀態(tài)。接口檢測(cè)電路如圖6所示。

圖6 接口檢測(cè)電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能兒童安全座椅系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括座椅端對(duì)供電、安全和溫度狀態(tài)的讀取和通過(guò)WiFi 和藍(lán)牙BLE[15]與手機(jī)端App 通信交互，App 可顯示座椅各類狀態(tài)并控制座椅的風(fēng)扇和加熱。

智能兒童安全座椅系統(tǒng)上電后，首先初始化藍(lán)牙BLE 協(xié)議棧和WiFi、開(kāi)啟廣播；讀取供電狀態(tài)，判斷是干電池供電還是汽車點(diǎn)煙器電源供電，當(dāng)干電池供電時(shí)，需要讀取電池電量，安全狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)包括對(duì)壓力傳感器、ISOFIX、上拉帶的開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)，分別判斷兒童是否入座，ISOFIX 和上拉帶是否安裝正確，保證行車安全；當(dāng)手機(jī)App 連接時(shí)，各個(gè)傳感器采集到的信息均可發(fā)送至手機(jī)端被用戶查看，App界面上實(shí)時(shí)顯示兒童入離座、ISOFIX、上拉帶、電池電量、溫度值，當(dāng)檢測(cè)到各個(gè)狀態(tài)與預(yù)設(shè)不相符時(shí)，App 會(huì)發(fā)出聲音，相應(yīng)圖標(biāo)會(huì)閃爍；當(dāng)使用汽車點(diǎn)煙器供電時(shí)，用戶可通過(guò)App 界面對(duì)座椅的風(fēng)扇和加熱進(jìn)行反向控制，保證兒童乘坐的舒適性。系統(tǒng)軟件流程如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

4.1 工作電壓測(cè)試

使用可編程DC 穩(wěn)壓電源為主板供電，調(diào)整穩(wěn)壓電源的供電電壓，驗(yàn)證模塊在過(guò)壓和欠壓情況下，是否正常工作。

測(cè)試過(guò)程中，選用兩臺(tái)座椅，使用可編程DC 穩(wěn)壓電源分別以4.5 V 和12 V 給主板供電，調(diào)整至標(biāo)稱電壓的±10%，觀察主板能否正常工作，操控手機(jī)App 監(jiān)控主板工作狀態(tài)。工作電壓測(cè)試范圍結(jié)果如表2 所示。

表2 工作電壓測(cè)試范圍結(jié)果

4.2 功耗測(cè)試

將可編程DC 穩(wěn)壓電源調(diào)至4.5 V 為主板供電，中間串聯(lián)萬(wàn)用表監(jiān)控實(shí)時(shí)電流，記錄不同狀態(tài)下的主板供電電流。

測(cè)試過(guò)程中，選用兩臺(tái)座椅，將可編程DC 穩(wěn)壓電源調(diào)至4.5 V 給主板供電，分別記錄上電電流、最大電流、最小電流、平均電流。功耗測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 功耗測(cè)試結(jié)果

4.3 主板功能測(cè)試

使用自制的主板產(chǎn)測(cè)工裝給主板進(jìn)行功能測(cè)試，并通過(guò)產(chǎn)測(cè)App 軟件，驗(yàn)證主板軟件上各個(gè)功能的完整性。

測(cè)試過(guò)程中，使用12 V 適配器給工裝供電，工裝常亮供電指示燈為藍(lán)燈，工裝壓合主板，使用產(chǎn)測(cè)App，該軟件自動(dòng)搜索設(shè)備，搜索到設(shè)備后，進(jìn)行連接，成功后自動(dòng)進(jìn)入產(chǎn)測(cè)界面，在界面上會(huì)顯示座椅的MAC、信號(hào)強(qiáng)度信息、當(dāng)前溫度值、電量，并同步進(jìn)行風(fēng)扇加熱和檢測(cè)各個(gè)安全狀態(tài)，測(cè)試各個(gè)功能完成后，產(chǎn)測(cè)App 會(huì)輸出產(chǎn)測(cè)結(jié)果。

5 結(jié)論

該研究設(shè)計(jì)的智能兒童安全座椅系統(tǒng)能夠?yàn)橛脩粼诎惭bISOFIX 和TT 帶時(shí)，提供正確指導(dǎo)，避免錯(cuò)誤的安裝導(dǎo)致座椅形同虛設(shè)；在行車過(guò)程中，智能檢測(cè)孩子的入座狀態(tài)和一舉一動(dòng)；座椅溫度和電量實(shí)時(shí)預(yù)警，保障兒童舒適使用座椅；配置雙驅(qū)動(dòng)的吸風(fēng)式散熱功能，及時(shí)有效地將兒童背部的悶汗由里向外抽離，營(yíng)造舒適的坐感；智能的座椅加熱功能結(jié)合溫度變化，保持座椅的溫度處于合適范圍。智能型兒童汽車座椅目前還處于發(fā)展起步階段，還有很大的改進(jìn)空間。未來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，必將會(huì)有更多更加安全、舒適、可靠的智能型兒童汽車座椅涌入大眾的視野，給孩子提供更加優(yōu)質(zhì)的出行體驗(yàn)[16]。