車內滯留兒童監測與應急處理系統的設計與實現

摘要：設計了一款基于STM32的車內滯留兒童監測與應急處理系統，配合壓力傳感器、人體紅外傳感器、環境傳感器等模塊，實時監測車輛運行狀態、車內人員情況、CO2濃度、溫度等多項參數指標。利用STM32主控芯片實時分析監測數據，當判定車內存在滯留兒童時，控制全球移動通信系統（global system for mobile communications，GSM）通信模塊和全球定位系統（global positioning system，GPS）定位模塊主動向車主發送提醒信息，同時單片機控制車窗開啟、車內空調啟動，以降低車內CO2濃度及溫度，實現車內環境的自動調節，最大限度地保障滯留兒童生命安全。該系統具備本地應急處置及遠程告警功能，可實現對車內滯留兒童的實時監控。經多輪測試，驗證了該系統具有穩定性和有效性。

關鍵詞：車內滯留兒童；STM32；遠程通信；實時定位

中圖分類號：TP277；TP212.9；TP368.1 文獻標識碼：A

0 引言

隨著國民生活水平的提升，汽車普及率逐漸攀升，這帶來了一系列新的問題和挑戰[1]。近年來，車內滯留兒童事件屢有發生，已成為車內非交通死亡事故的主要誘因，兒童乘車安全是當前汽車安全領域的重要研究課題。

判定被滯留車內的兒童是否存在危險的主要參考指標：①車輛是否熄火；②車主是否離開車位；③是否有滯留在車內的人員；④車內溫度、CO2濃度等車內環境參數的檢測值是否超出閾值。本文設計了一款車內滯留兒童監測與應急處理系統，其采用STM32單片機作為主控制器，搭載多種傳感器模塊，以實現系統的構建和功能開發[2]。

1 整體方案設計

核心控制器作為整個系統的核心部分，是系統能否實現預定功能的關鍵。本設計選定32位微控制器STM32F103C8T6，它的37個通用輸入/輸出（general purpose input/output，GPIO）端口能較好地滿足本設計的需求。本設計選用型號為HX711的壓力傳感器來檢測車主是否在駕駛位；型號為SR505的人體紅外傳感器用于判定車內是否有滯留人員。本設計選用型號為SGP30的氣體傳感器和型號為DS18B20的溫度傳感器，分別實現精準采集CO2濃度和車內溫度的目的。有機發光二極管（organic light-emitting diode，OLED）顯示器可以確保系統環境數據的準確展示，同時便于系統調試，方便車主隨時監控、讀取相關信息。全球移動通信系統（global system for mobile communications，GSM）通信模塊的高速數據傳輸能力確保了車輛與車主之間的通信連接穩定可靠，提升了實時響應能力。選用型號為ATGM336H-5N的北斗多模全球定位系統（global positioning system，GPS）定位模塊，其可以將位置信息發送給車主[3]。

2 硬件電路設計

2.1 主控電路設計

（1）微控制器。STM32是最小系統的核心，集成了中央處理器（central processing unit，CPU）、內存、輸入/輸出（input/output，I/O）接口和豐富的外設功能，如GPIO、通用異步收發器（universal asynchronous receiver/transmitter，UART）、通用串行總線（universal serial bus，USB）、串行外設接口（serial peripheral interface，SPI）、集成電路總線（inter-integrated circuit，I2C）和控制器局域網絡（controller area network，CAN）等。通常采用

4個電容作為去耦電容，布置在芯片四周，目的是濾波，保證芯片可以更穩定地工作。

（2）時鐘電路。時鐘電路為微控制器提供時鐘信號，通常由晶體振蕩器和若干電容組成。在設計電路板時，晶體振蕩器盡可能靠近微控制器芯片，通過縮短時鐘信號的傳輸距離來減輕信號衰減和干擾的影響。

（3）電源電路。電源電路采用了AMS1117-3.3降壓穩壓芯片，該芯片是一款輸出電壓為3.3 V的正向低壓差穩壓模塊，直接滿足STM32微控制器的電源需求，提升了供電的穩定性和可靠性，有效降低電源波動和噪聲對系統的影響。

（4）復位電路。通過向NRST引腳輸入低電平信號實現復位，將一個按鍵并聯復位電容后連接到NRST引腳，并配合上拉電阻確保按鍵未按下時為高電平，當按鍵被按下時，產生低電平信號，使系統復位。

2.2 駕駛情況檢測模塊設計

（1）霍爾傳感器電路。霍爾傳感器用于判斷汽車是否熄火。當導體中的電流在垂直方向受到磁場作用時，會在導體的橫向產生一個電壓信號，它用于確定磁場的存在與強度，從而判斷汽車的點火狀態。

（2）壓力傳感器電路。壓力傳感器用于檢測車主是否離開駕駛位。本設計選用HX711芯片，它是具備24位精度的模擬數字（analog to digital，A/D）轉換器，擁有兩個可選擇的增益通道，專門用于放大和轉換來自橋式傳感器的信號，并且與STM32進行串行通信以實現壓力值的讀取[4]。

2.3 人體紅外感應模塊設計

本設計通過SR505人體紅外傳感器來檢測車內人員情況。SR505人體紅外傳感器能夠有效減少環境因素的干擾，確保感應數據的準確性和可靠性[5]。當車輛熄火后，該模塊立即啟動，如果車內有人員活動，電路輸出高電平，反之則輸出低電平。

2.4 車內環境監測模塊設計

（1）CO2濃度采集電路。本設計采用SGP30模塊來實現車內CO2濃度數據采集。CO2濃度模塊的SCL和SDA引腳分別連接到STM32的I2C總線的SCL和SDA引腳上，VCC引腳連接到微控制器的5 V電源引腳，GND引腳連接到微控制器的地線引腳。

（2）溫度采集電路。溫度采集模塊使用DS18B20傳感器，它只有3個管腳：VCC、DATA和GND，并采用單總線（one-wire）通信協議，信號符合晶體管—晶體管邏輯（transistor-transistor logic，TTL）電平，不需要其他的外圍器件，可直接與STM32的I/O引腳相連，其信號I/O引腳接上1 kΩ的上拉電阻。

2.5 聲光報警模塊設計

本設計采用內部帶有震蕩源的有源蜂鳴器。由于STM32的引腳輸出電流只有約8 mA，可以直接使用I/O接口來控制蜂鳴器時驅動電流，故采用S8050晶體管作為開關控制元件。通過控制S8050的基極電流，使三極管能夠在截止狀態與飽和導通狀態之間切換，從而控制蜂鳴器發聲與停止發聲，確保蜂鳴器能夠按要求告警[6]。

2.6 GPS定位模塊設計

本系統采用的定位模塊是ATGM336H-5N，該模塊在設計時充分考慮了電源管理的重要性，即使在主電源斷開的情況下，仍能通過模塊內建的后備電池維持大約半小時的GPS星歷數據保存。STM32接口的TX和RX引腳需要分別連接到GPS定位模塊的TX和RX引腳上，以建立雙向通信。此外，GPS定位模塊的VCC和GND引腳也應分別與STM32的VCC和GND引腳相連，確保模塊得到穩定的電力供應。

2.7 GSM通信模塊設計

本設計使用SIM800C（通信模塊）來發送文本信息，只需要連接VCC、GND、TXD、RXD 4根線即可實現系統與手機間的信息通信。為了保證模塊的穩定供電，在模塊的獨立供電部分直接并聯一個1 000 μF的鉭電容，它起到儲能和緩沖的作用，能夠保證通信的穩定性、可靠性和順暢性。

3 軟件設計

本系統的軟件設計包括系統主程序設計、數據采集程序設計、OLED顯示程序設計、GSM通信程序設計以及GPS定位程序設計[2]。明確的結構劃分提升了系統軟件的模塊化和可維護性，同時便于各單元的獨立開發和測試。

系統總體流程如下：通過霍爾傳感器判定車輛是否熄火。若車輛仍處于運行狀態，系統則返回初始化，繼續處于循環檢測的狀態；若車輛處于熄火狀態，系統則利用壓力傳感器、SR505人體紅外傳感器判定車主是否在駕駛位以及車內是否有滯留人員，同時利用溫度、CO2濃度傳感器收集車內環境數據。若判斷車內有兒童滯留，則將車內溫度、CO2濃度等數據與設定閾值進行比較[7]，如超出閾值系統將自動打開車窗保證空氣流通，打開空調降低車內溫度，啟動聲光報警器，同時通過GSM通信模塊向車主發送告警信息和車輛定位信息。與其他模塊不同的是，CO2濃度傳感器和溫度傳感器始終保持工作狀態，實時監測車內環境信息。

4 系統調試

本系統軟硬件設計完成后，進行實物的焊接及調試工作。為保證系統的有效性和穩定性，對整個系統的各功能模塊進行測試，并記錄測試結果，系統調試參數如表1所示。

5 結論

本文通過對車內滯留兒童監測與應急處理系統進行測試，全面評估了其在功能、安全性和兼容性等方面的表現。測試結果表明，本系統在不同環境下能夠準確、可靠地檢測車內滯留兒童，并及時啟動應急及報警機制。然而，在測試過程中也暴露出一些問題，如閾值設置不合理導致誤報率較高等。在后續研究中將進行針對性的優化，以期進一步提高系統的可靠性。

參考文獻

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[3] 田崇峰，徐楊，閔璽潤. 基于物聯網技術的兒童滯留車內高溫緊急報警求救裝置設計與實現[J]. 工業技術與職業教育，2022，20（4）：25-28.

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[5] 劉劍. 基于熱釋電紅外傳感器的靜態人體存在感應器設計[J]. 傳感器世界，2023，29（4）：28-33.

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[7] 劉瓊瓊， 游專， 張永生， 等. 基于STM32與GSM的車載兒童安全智能報警系統的設計[J]. 價值工程， 2017，36（33）：76-77.