智能車載兒童守護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

 引 言

近幾年，不論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，在私家車與校車中，兒童因被遺忘而鎖在車內(nèi)最終導(dǎo)致死亡的悲劇頻頻發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 從 2018 年 4 月到 2018 年 8 月，僅國(guó)內(nèi)每個(gè)月至少有一個(gè)孩子因此死亡 ；在美國(guó)，近十年間至少有 231 名兒童被遺忘在車內(nèi)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(nèi)死亡的原因主要有兩點(diǎn)。

（1）車內(nèi)高溫使孩子嚴(yán)重脫水死亡

實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)室外溫度為 34.9 ℃時(shí)，短短一個(gè)半小時(shí)內(nèi)車內(nèi)溫度能夠達(dá)到 56.3 ℃ [1]，遠(yuǎn)超人體所能承受的范圍，在這種環(huán)境下孩子會(huì)很快嚴(yán)重脫水，導(dǎo)致生命安全受到威脅。

（2）車內(nèi) CO2濃度過(guò)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(nèi)是一個(gè)相對(duì)密閉的環(huán)境，氧氣會(huì)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(shù)的出現(xiàn)為解決此類問(wèn)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(nèi)而死亡的裝置主要有 ：田瑜基 [3] 等提出的通過(guò)壓力、溫度傳感器檢測(cè)車內(nèi)是否有滯留活體 ；藍(lán)芳芳 [4] 等通過(guò) CO 傳感器、紅外傳感器等多種傳感器相結(jié)合檢測(cè)車內(nèi)兒童。

以上方法為解決兒童被遺忘在車內(nèi)導(dǎo)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(mén)的設(shè)備 ；檢測(cè)手段單一，難以有效避免誤報(bào)和漏報(bào) ；不能區(qū)分兒童是被遺忘在車內(nèi)還是短時(shí)間逗留，不符合實(shí)際應(yīng)用狀況 ；報(bào)警方式簡(jiǎn)單，多數(shù)方案不具備遠(yuǎn)程報(bào)警能力。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種基于單片機(jī)控制[5] 的智能車載兒童守護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以 STM32 為核心，利用多種傳感器對(duì)車內(nèi)環(huán)境與人體進(jìn)行冗余檢測(cè)，以防漏報(bào)或誤報(bào)，當(dāng)人體探測(cè)模塊檢測(cè)到車內(nèi)有人且不利環(huán)境將對(duì)人身造成危害時(shí)，報(bào)警模塊提供近程及遠(yuǎn)程報(bào)警，以便及時(shí)施救。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析，整個(gè)系統(tǒng)由車內(nèi)環(huán)境檢測(cè)、人體探測(cè)、報(bào)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(cè)模塊

由于孩子死亡的主要原因是溫度和 CO2濃度過(guò)高，因此該系統(tǒng)需具備同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車內(nèi)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(cè)及報(bào)警的條件。

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

1.2 人體探測(cè)模塊

人體探測(cè)模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)車內(nèi)人體進(jìn)行探測(cè)，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(wú)法探測(cè)到靜止人體”的缺陷，同 時(shí)考慮到車內(nèi)人員可能坐在車座上處于靜止?fàn)顟B(tài)（如孩子睡著等），因此在車座下加裝壓力傳感器作為補(bǔ)充檢測(cè)手段。采用多種傳感器冗余探測(cè)的方式最大限度地減小人體探測(cè)的 “死角”，提高人體探測(cè)模塊工作的有效性，防止漏報(bào)或誤報(bào)。

1.3 報(bào)警模塊

當(dāng)車內(nèi)有人存在且環(huán)境持續(xù)惡化對(duì)人體可能造成危害時(shí)，報(bào)警模塊開(kāi)始工作。本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多種報(bào)警方式，以避免單一方式失效或不能成功報(bào)警的情況 ：

向指定手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息 [7]觸發(fā)手機(jī)端報(bào)警 APP， 使手機(jī)持續(xù)震動(dòng)或響鈴，該警報(bào)不受手機(jī)本身設(shè)置的影響， 會(huì)不間斷報(bào)警直到用戶手動(dòng)關(guān)閉，同時(shí)報(bào)警 APP 顯示報(bào)警時(shí)刻車內(nèi)的溫度與 CO2濃度以及報(bào)警等級(jí)，如果能夠確認(rèn)駕駛?cè)藛T只是暫時(shí)離開(kāi)而非遺忘，可遠(yuǎn)程關(guān)閉警報(bào) ；

注重群眾的力量，系統(tǒng)在向指定手機(jī)進(jìn)行報(bào)警的同時(shí)以“蜂鳴器、液晶顯示”的方式進(jìn)行聲光結(jié)合的報(bào)警，引起路人的注意，在司機(jī)無(wú)法及時(shí)趕到現(xiàn)場(chǎng)時(shí)尋求路人的幫助。

2 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 APP 設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分的編程采用 Java 與 Android，該軟件主要負(fù)責(zé)向指定手機(jī)報(bào)警。在 APP 運(yùn)行過(guò)程中，一旦接收到固定號(hào)碼發(fā)來(lái)的短信，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)送一個(gè)廣播 [8]，隨后立刻使手機(jī)振動(dòng)、響鈴。與此同時(shí)，軟件提取并顯示短信內(nèi)容中的溫度值和 CO2 濃度值，推算出危險(xiǎn)等級(jí)，并用黃、橙、紅三種顏色的進(jìn)度條顯示，用戶必須手動(dòng)關(guān)閉報(bào)警提示框才能取消報(bào)警。軟件報(bào)警界面如圖 2 所示。

圖 2 軟件報(bào)警界面

2.2 報(bào)警等級(jí)算法設(shè)計(jì)

在報(bào)警等級(jí) [9] 設(shè)計(jì)中，對(duì)危險(xiǎn)度進(jìn)行計(jì)算，并區(qū)分為三個(gè)等級(jí) ：危險(xiǎn)度在 [0，33] 時(shí)為初級(jí)，（33，66] 時(shí)為中級(jí)，（66，100] 時(shí)為高級(jí)。簡(jiǎn)便起見(jiàn)（在保證系統(tǒng)安全的基礎(chǔ)上），將危險(xiǎn)度設(shè)為與溫度值和 CO2 濃度值呈線性關(guān)系。實(shí)際運(yùn)算中，分別對(duì)溫度與 CO2 濃度的危險(xiǎn)度進(jìn)行計(jì)算，并取兩者中較大的值作為最終危險(xiǎn)度。溫度與危險(xiǎn)度的關(guān)系如圖 3 所示， CO2 濃度與危險(xiǎn)度的關(guān)系如圖 4 所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試

為減少對(duì)車內(nèi)空間的占用，系統(tǒng)各裝置布置如圖 5 所示。

測(cè)試環(huán)境設(shè)置 ：將溫度報(bào)警閾值設(shè)置為 20 ℃，CO2 濃度閾值設(shè)為 300 ppm，分別對(duì)活動(dòng)人體、靜止人體、干擾物體進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，溫度、CO2 測(cè)量值與專業(yè)檢測(cè)設(shè)備誤差不超過(guò) 3%，APP、聲光報(bào)警成功率達(dá)到 98% 以上， 完全符合系統(tǒng)預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的智能車載兒童守護(hù)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)車內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及準(zhǔn)確有效的人體探測(cè)，并在車內(nèi)環(huán)境惡劣且有人時(shí)進(jìn)行多種方式相結(jié)合的報(bào)警。該系統(tǒng)移植性強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于私家車以及校車中，有效防止兒童因被遺忘在車內(nèi)而導(dǎo)致死亡的悲劇發(fā)生，同時(shí)也為解決該類問(wèn)題提供了一個(gè)新穎的解決思路。在未來(lái)的發(fā)展中，可根據(jù)實(shí)際使用情況繼續(xù)改進(jìn)系統(tǒng)，致力于系統(tǒng)的小型化與輕量化，并最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與汽車的一體化生產(chǎn)，以減少系統(tǒng)對(duì)車內(nèi)空間的影響，并在汽車生產(chǎn)過(guò)程中將其作為汽車的一種標(biāo)準(zhǔn)配置。