智能車載兒童守護系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

 引 言

近幾年，不論國內還是國外，在私家車與校車中，兒童因被遺忘而鎖在車內最終導致死亡的悲劇頻頻發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計， 從 2018 年 4 月到 2018 年 8 月，僅國內每個月至少有一個孩子因此死亡 ；在美國，近十年間至少有 231 名兒童被遺忘在車內因高溫或窒息而死亡。經(jīng)查閱資料分析發(fā)現(xiàn)，造成孩子被鎖車內死亡的原因主要有兩點。

（1）車內高溫使孩子嚴重脫水死亡

實驗證明，當室外溫度為 34.9 ℃時，短短一個半小時內車內溫度能夠達到 56.3 ℃ [1]，遠超人體所能承受的范圍，在這種環(huán)境下孩子會很快嚴重脫水，導致生命安全受到威脅。

（2）車內 CO2濃度過高使孩子窒息死亡

研究表明，高于 5 000 ppm 的 CO2 可直接致人死亡，而車內是一個相對密閉的環(huán)境，氧氣會被很快耗盡，CO2 濃度隨之升高，致使兒童窒息從而引發(fā)死亡 [2]。

物聯(lián)網(wǎng)技術的出現(xiàn)為解決此類問題提供了新的思路。目前出現(xiàn)的防止兒童因遺忘在封閉汽車內而死亡的裝置主要有 ：田瑜基 [3] 等提出的通過壓力、溫度傳感器檢測車內是否有滯留活體 ；藍芳芳 [4] 等通過 CO 傳感器、紅外傳感器等多種傳感器相結合檢測車內兒童。

以上方法為解決兒童被遺忘在車內導致傷害事件提供了具體方法，但都存在一定的缺陷 ：有些方案成本高或需要專門的設備 ；檢測手段單一，難以有效避免誤報和漏報 ；不能區(qū)分兒童是被遺忘在車內還是短時間逗留，不符合實際應用狀況 ；報警方式簡單，多數(shù)方案不具備遠程報警能力。

針對以上問題，本文提出一種基于單片機控制[5] 的智能車載兒童守護系統(tǒng)，該系統(tǒng)以 STM32 為核心，利用多種傳感器對車內環(huán)境與人體進行冗余檢測，以防漏報或誤報，當人體探測模塊檢測到車內有人且不利環(huán)境將對人身造成危害時，報警模塊提供近程及遠程報警，以便及時施救。

1 系統(tǒng)功能設計

根據(jù)上述分析，整個系統(tǒng)由車內環(huán)境檢測、人體探測、報警、電源等部分組成，系統(tǒng)組成如圖 1 所示。

1.1 環(huán)境監(jiān)測模塊

由于孩子死亡的主要原因是溫度和 CO2濃度過高，因此該系統(tǒng)需具備同時實時監(jiān)測車內溫度與 CO2濃度的功能，并將任一因素的非正常變化作為觸發(fā)人體探測及報警的條件。

對環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測分別采用 DHT11型溫濕度傳感器與YA-C21A型 CO2濃度傳感器實現(xiàn)。其中，DHT11型溫濕度傳感器的溫度測量范圍為 0～50℃，最大誤差不超過 2℃， 最大響應時間不超過 15s；YA-C21A型 CO2濃度傳感器的測量范圍為 0 ～2 000 ppm，精度為 +（50 ppm+3% 讀數(shù)值），最大響應時間不超過 3 min，兩種傳感器都能夠滿足系統(tǒng)需求。

1.2 人體探測模塊

人體探測模塊主要負責對車內人體進行探測，該模塊由HC-SR501型熱釋電紅外傳感器 [6]與壓力傳感器組成。由于 熱釋電紅外傳感器存在“無法探測到靜止人體”的缺陷，同 時考慮到車內人員可能坐在車座上處于靜止狀態(tài)（如孩子睡著等），因此在車座下加裝壓力傳感器作為補充檢測手段。采用多種傳感器冗余探測的方式最大限度地減小人體探測的 “死角”，提高人體探測模塊工作的有效性，防止漏報或誤報。

1.3 報警模塊

當車內有人存在且環(huán)境持續(xù)惡化對人體可能造成危害時，報警模塊開始工作。本文系統(tǒng)設計了多種報警方式，以避免單一方式失效或不能成功報警的情況 ：

向指定手機發(fā)送報警信息 [7]觸發(fā)手機端報警 APP， 使手機持續(xù)震動或響鈴，該警報不受手機本身設置的影響， 會不間斷報警直到用戶手動關閉，同時報警 APP 顯示報警時刻車內的溫度與 CO2濃度以及報警等級，如果能夠確認駕駛人員只是暫時離開而非遺忘，可遠程關閉警報 ；

注重群眾的力量，系統(tǒng)在向指定手機進行報警的同時以“蜂鳴器、液晶顯示”的方式進行聲光結合的報警，引起路人的注意，在司機無法及時趕到現(xiàn)場時尋求路人的幫助。

2 系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

2.1 APP 設計

系統(tǒng)軟件部分的編程采用 Java 與 Android，該軟件主要負責向指定手機報警。在 APP 運行過程中，一旦接收到固定號碼發(fā)來的短信，系統(tǒng)就會發(fā)送一個廣播 [8]，隨后立刻使手機振動、響鈴。與此同時，軟件提取并顯示短信內容中的溫度值和 CO2 濃度值，推算出危險等級，并用黃、橙、紅三種顏色的進度條顯示，用戶必須手動關閉報警提示框才能取消報警。軟件報警界面如圖 2 所示。

圖 2 軟件報警界面

2.2 報警等級算法設計

在報警等級 [9] 設計中，對危險度進行計算，并區(qū)分為三個等級 ：危險度在 [0，33] 時為初級，（33，66] 時為中級，（66，100] 時為高級。簡便起見（在保證系統(tǒng)安全的基礎上），將危險度設為與溫度值和 CO2 濃度值呈線性關系。實際運算中，分別對溫度與 CO2 濃度的危險度進行計算，并取兩者中較大的值作為最終危險度。溫度與危險度的關系如圖 3 所示， CO2 濃度與危險度的關系如圖 4 所示。

3 系統(tǒng)測試

為減少對車內空間的占用，系統(tǒng)各裝置布置如圖 5 所示。

測試環(huán)境設置 ：將溫度報警閾值設置為 20 ℃，CO2 濃度閾值設為 300 ppm，分別對活動人體、靜止人體、干擾物體進行測試。測試結果顯示，溫度、CO2 測量值與專業(yè)檢測設備誤差不超過 3%，APP、聲光報警成功率達到 98% 以上， 完全符合系統(tǒng)預期的設計目標。

4 結 語

本文設計的智能車載兒童守護系統(tǒng)可實現(xiàn)對車內環(huán)境的實時監(jiān)測及準確有效的人體探測，并在車內環(huán)境惡劣且有人時進行多種方式相結合的報警。該系統(tǒng)移植性強，可廣泛應用于私家車以及校車中，有效防止兒童因被遺忘在車內而導致死亡的悲劇發(fā)生，同時也為解決該類問題提供了一個新穎的解決思路。在未來的發(fā)展中，可根據(jù)實際使用情況繼續(xù)改進系統(tǒng)，致力于系統(tǒng)的小型化與輕量化，并最終實現(xiàn)系統(tǒng)與汽車的一體化生產(chǎn)，以減少系統(tǒng)對車內空間的影響，并在汽車生產(chǎn)過程中將其作為汽車的一種標準配置。