家用超聲波兒童防墜樓監護系統

錢 坤馬淑文

（1.楊浦高級中學，上海 200092；2.同濟大學，上海 200092）

家用超聲波兒童防墜樓監護系統

錢 坤1馬淑文2

（1.楊浦高級中學，上海 200092；2.同濟大學，上海 200092）

高層建筑是城市發展的必然產物,隨之而來的是兒童意外墜樓安全事故頻頻發生，主要原因是兒童獨自在家且缺少家長的監護，其中窗臺是最易釀成墜樓事故的高危地帶。對此，文章設計出一套家用兒童防墜樓監護系統。該系統運用超聲波的渡越時間檢測法和三球定位算法來實時檢測兒童與窗臺的位置，并設立兩級預警機制。當二次警報觸發時，即兒童離窗臺太近時，激發執行機構及時封閉窗臺。此外，從空氣溫度、濕度以及兩者距離三個角度來分析超聲波系統工作的誤差并將之解決。

超聲波；渡越時間；三球定位；兩級預警

隨著城市的發展，人們居住的條件得到日益改善，高樓、復式樓或別墅成為常見的居住場所。近年來，兒童在這樣的居住場所意外墜樓事故頻頻發生，多是因為兒童獨自在家，且家中沒有安裝防護欄而導致兒童從窗臺意外墜下造成。兒童在每個家庭都被視作掌上明珠，孩子的意外墜樓對整個家庭是沉重的打擊。為了避免悲劇重演，家長須提高兒童安全監管意識，同時應做好防護設施。但家長監管再緊，不可能隨時隨地、每分每秒讓孩子呆在自己的眼皮底下。因此，為了盡可能消除窗臺邊存在的隱患，自動預防兒童墜樓監護系統勢在必行。

目前，市面上沒有專門針對于監護兒童防墜樓的智能系統，而且國內也很少有這方面的文獻研究。作為家用兒童防墜樓監護系統，關鍵是室內移動目標定位技術。劉等提出一種分布式智能防兒童墜樓安全窗預警系統，通過紅外線技術檢測出兒童和窗臺的距離。相對于紅外線技術，超聲波技術定位精度高，定位速度快，產品成本較低，設備易于安裝，受環境影響小、抗干擾能力強，能夠很好地滿足室內定位的需要。

鑒于上述考慮，本文提出一種基于超聲波定位技術的家用兒童防墜樓監護系統，通過超聲波的渡越時間檢測法和三球定位算法來實時檢測兒童相對窗臺的位置，并當兒童與窗臺太近時激發執行機構自動關閉窗臺來保護兒童人身安全。

1 系統設計

1.1 系統構成

本系統由兩大部分組成：第一部分是由三個超聲波模塊構成，第二部分是由一個上位機和一個執行機構構成。

超聲波模塊發射超聲波并接受反射信息，提供計時功能。上位機作為總控裝置，除了控制超聲波模塊外，還包括溫度傳感器和執行機構。執行機構由一個有菱形支架的攔截網構成，并在上下的窗框上打洞。執行機構平時是收起的，只有當系統確認兒童即將到達窗臺時才被激發打開，如圖1所示。

圖1 執行機構激發前后對比

1.2 工作原理

在電源接通后，上位機發布復位命令后發出射頻信號，通知超聲波模塊發射超聲波并接受反射信號，然后將超聲波來回所需時間傳給上位機。由上位機處理超聲波模塊的數據和溫度傳感器的數據后獲得兒童的位置，記作(x,y,z)。設上位機的坐標為(x0,y0,z0)，則根據兩點距離公式計算出兒童和上位機的距離d：

該距離 d也就是兒童到窗臺的距離，并將此距離不斷與事先設定的預警距離比對。若小于初次預警距離，就發出聲光報警，及時通知家長。若兒童繼續向上位機靠近，并小于二次預警距離，就發出聲光報警，并由上位機驅動電動機打開執行機構。

1.3 兒童位置的計算

該系統的關鍵即上位機計算出兒童的位置坐標。超聲波渡越時間檢測法是根據超聲波發射與接收的時間差來計算被測物體的距離。系統中的三個超聲波模塊發出超聲波并開始計時接受到反射信號后就停止計時。設三個超聲波模塊的位置坐標分別為(x1,y1,z1),(x2,y2,z2)，(x3,y3,z3)，以及計時時間差分別為t1，t2，t3，超聲波在空氣中的傳播速度為c。則根據三球定位算法，計算出(x,y,z)，即兒童的位置坐標。

1.4 系統控制流程圖

系統的控制流程圖如圖2所示。

圖2 系統控制流程框圖

2 誤差分析

2.1 溫度的影響

由于電磁波的傳播速度為3×108m/s，而超聲波在常溫常壓下的傳播速度344 m/s，其速度相對電磁波是非常慢的。所以各超聲波模塊接收到由上位機發出的指令信號的時間并不一樣，但其誤差可被略去。由于空氣溫度每變化1℃，超聲波傳播速度相應變化約0.607m/s ，波速與溫度的關系詳見表1。

表1 波速與溫度關系

當環境溫度在 0～40℃之間變化時，聲速誤差從-5.5～12.2%。所以要增加溫度補償。對表1的數據進行線性擬合，可得圖 3所示的結論。在上位機上加溫度傳感器，實時監測環境溫度T，并通過圖3中的擬合方程得出實時聲波數據，則三球定位算法中的超聲波傳播速度c=0.5615×T +331.2316，從而減少誤差。

圖3 超聲波傳播速度擬合方程

2.2 濕度的影響

如果濕度是在10%到90%相對濕度內隨機分布，對20℃時的超聲波影響是0.15%，即在0.3m時有0.3mm的誤差。因而此誤差對本系統無太大的影響。故可忽略不計。

2.3 距離的影響

隨著距離的增加，超聲波的信號幅度減小，導致接受信號超過門限電路時間延后，增加計時時間，導致時間誤差。通過自動增益控制電路，可以很好地彌補這一問題。

3 結論與展望

本文首次采用超聲波定位技術設計出家用兒童防墜樓監護系統。該系統利用超聲波渡越時間檢測法和三球定位算法計算兒童位置坐標，進而得到兒童相對窗臺的距離。將該距離與兩級預警距離比對，若發現存在危險則執行聲光報警，甚至觸發執行機構自動關閉窗臺，從而有效防止兒童墜樓事故的發生。

將來可以在初次報警和二次報警時增加短信提示功能，以便更好更快地通知家長。同時可以設立一些危險區，一旦兒童靠近這些區域就會報警。

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Home ultrasonic children fall prevention monitoring system

High-rise buildings mushroom as cities grow, followed by the frequent children fall accidents. Children stay home lonely and lack of parental care, and they probably fall down from the windowsill. In order to prevent children from falling, we design a home monitoring system which utilizes the ultrasonic time-of-flight method and three-ball intersection positioning algorithm. Our system can detect the position of children in real time and set up two-level early warning mechanism. If the second-level warning is triggered, the system can make an automatic response and close the windowsill. In addition, we analysis and solve some issues of the system from three perspectives, i.e., air temperature, air humidity, and the distance.

Ultrasonic; time-of-flight; three-ball intersection positioning; two-level early warning

TP37

A

1008-1151(2016)07-0026-03

2016-06-12

錢坤（1999－），男，楊浦高級中學學生，研究方向為工程和物理；馬淑文，同濟大學信息化辦公室高級工程師。