基于ZigBee的車載主動安全監控系統

李麗萍　王露

摘要：汽車密閉環境下，長時間駐留在車內的生命體極易因為疏忽而發生窒息、中暑等安全事故，針對這一問題，我們設計一種車載主動安全控制系統，其特征在于霍爾傳感器檢測車輛運動狀態，人體紅外感應模塊決定裝置是否開啟，溫濕度傳感器、氧氣濃度傳感器、二氧化碳濃度傳感器實時探測車內情況，蜂鳴器與閃爍的LED燈及其報警指示電路會在車內報警，天窗驅動控制可直接開啟車窗，新浪云端使用三重DEs與Ecc混合加密算法有效保護數據傳輸安全，安卓客戶端APP便于使用者隨時接收報警信息及查看具體參數情況：所述系統在確定車輛靜止且存在生命體后開啟，用于實時監測車內情況系數變化情況并進行車內及短信報警，數據同時發送至云端服務器進行分析，記錄在MysQL數據庫中，手機APP可查。多重有效保障車內人員安全。

關鍵詞：ZigBee；CC2530；GSM；車聯網；安全

1.引言

目前，家庭擁有私家車數量日益增加，然而車輛的普及給人們帶來便利的同時，也存在著很多安全隱患。

密閉條件下，車內的空氣得不到更新，汽車發動機和空調運行會導致車內的一氧化碳濃度升高，一氧化碳無色、無臭、不易被察覺，被吸入后對人體造成極大危害。中國《工業企業設計衛生標準》指出：車間連續接觸8h的最高容許濃度為300ppm。同時，車內人員呼出大量二氧化碳，導致車內氧氣急劇減少，幾小時就會使人惡心、昏迷，嚴重者甚至窒息而死亡。每年在車內密閉環境睡覺等原因導致人員缺氧窒息死亡的新聞屢見不鮮。

另外，人們對于封閉空間中暑事件的發生明顯的認知不足，大多數人認為戶外溫度不高時不會發生中暑危險。但據國家公路交通安全管理局表示，車內中暑是乘車人員尤其是兒童在汽車非撞擊事故中死亡的第一大因素。美國一項研究發現，當氣溫達到35攝氏度時，陽光照射15分鐘，封閉車廂里的溫度就能升至65攝氏度。

綜合以上兩種情況，我們提出設計一款監控車內人員安全的保障系統保障車內人員安全，減少車內人員窒息中暑死亡事件的發生。

2.車內人員安全監控系統設計方案

我們從汽車主動安全的角度出發，利用傳感器、ZigBee組網、新浪云服務器和MySQL數據庫和安卓等技術支持，設計了一款車載主動安全監控系統，實現對車內一氧化碳濃度和二氧化碳濃度以及溫度等生命值信息的檢測。車載主動安全監控系統結構如圖1所示。

本系統由溫濕度傳感器DHTll，一氧化碳傳感器MQ-7及其調理電路，霍爾傳感器、二氧化碳傳感器、人體紅外感應模塊HC.SR501、蜂鳴器及其報警指示電路、天窗驅動控制，新浪云端，安卓客戶端APP部分組成。基于ZigBee的自組網絡，在發動機長時間處于怠速狀態和空調開啟等情況下，該系統實時監測車內溫度、CO濃度的變化情況，并記錄、存儲相關數據。首先通過霍爾傳感器判斷汽車運行狀態，如果汽車處于怠速或者關閉狀態，繼而通過人體紅外感應判斷生命的存在，若有生命存在，則啟動系統。系統通過測定溫度或者CO濃度這兩個參數來判斷是否預警。超出設定在第一條安全防線進時行第一次蜂鳴器預警提醒車內人員注意通風保證空氣流通，并給車主發送短信提醒；當超過第二條安全防線時，系統第二次蜂鳴器報警和發生安全預警短信，并在1min后自動開啟天窗，保證車內人員安全。此外，傳感器將收集的數據上傳至新浪云端，用戶可通過APP隨時查看車內情況，給車內人員生命安全提供三重保障，具有其實用性。系統流程圖如圖2所示。

3.硬件設計

該系統的硬件模塊是由人體紅c應模塊HC-SR501、溫濕度傳感器模塊DHT11、電機模塊、Zigbee節點模塊、霍爾傳感器、蜂鳴器報警模塊、GSM模塊組成，各個模塊將采集到的信息通過ZigBee網絡發送給協調器。協調器通過“串口調試助手”顯示，并通過串口發送給電腦端，實現對于車內信息的實時監控和采集。硬件模塊設計分為五部分：組建ZigBee網絡、車內信息采集以及處理、汽車天窗的電機設計、車內蜂鳴器預警警、GSM信息預警。

3.1.1組建ZigBee網絡

首先完成協調器節點和各個終端節點的程序編譯、調試以及下載，每個節點設置獨立的條件編譯選項，代各部分完成后，組建ZigBee網絡，使其成為一個相對獨立的系統。給協調器上電，網絡組建成功后輸出協調器的物理地址以及網絡地址。隨后啟動各終端節點加入網絡，成功后通過串口看到接入的節點信息。

3.1.2車內信息采集以及處理

信息采集是實時將外界車內環境信息轉變為機器可識別的信息，本系統重點采集信息為人體存在特征、溫度等信息，使用的ZigBee模塊為CC2530模塊、溫度傳感器模塊DHTl 1、人體紅外感應器模塊HC-SR501。

人體紅外感應模塊利用周期性點播定時器，間隔定時1s。程序自動判斷是否開啟整個監控系統。無人時終端節點顯示“security”，串口顯示“0”；有人進入感應范圍終端節點“insecurity”，串口顯示“1”。

3.1.3汽車天窗的電機設計

電機（車窗）動作是指當車溫度、氧氣濃度等生命值不在合理范圍時觸發動作，執行車載系統車窗控制，將車窗打開一條縫，避免車內人員危險的發生。

驅動控制由12V直流電機、電磁開關和行程開關組成。通過電磁開關控制電機的通斷，行程開關作為車窗開關閉位置的反饋信號。

3.1.4車內蜂鳴器預警

采用有源蜂鳴器實現5HZ的急促鳴叫聲，提醒車內人員氧氣濃度不足的危險警示。

3.1.5 GSM信息預警

GSM模塊使用TEXT模式，利用“AT+CMGW”“AT+CMSS”等指令預先存儲好短信內容，一旦終端數據發送異常，系統自動發送事先編輯好的內容，進行遠距離傳輸警報。

4.系統軟件設計

軟件部分分別使用新浪云服務器和MySQL數據庫分析和儲存數據，云服務器接口一端連接手機客戶端，另一端連接底層硬件。云端服務器使用PHP語言編寫，易維護。

安卓客戶端一方面使用HttpClient提供的http網絡訪問接口，在登錄按鈕下開啟子線程向新浪云端服務器發送post請求，將返回的數據解析進行處理讓結果在界面顯示；另一方面在達到安全臨界值時后臺可進行消息的推送，向用戶發出安全預警信號，避免危險的發生。

5.系統測試

將編好的c語言程序燒錄進個傳感器模塊中，完成ZigBee組網，開機進行測試。

測試情況一：將該系統進行打火機灼燒加熱，系統設定在第一條溫度的安全防線進行第一次蜂鳴器預警提醒車內人員注意通風保證空氣流通，并發送短信提醒；當超過溫度的第二條安全防線時，系統第二次蜂鳴器報警和發生安全預警短信，并在1min后自動開啟天窗。

測試情況二：將該系統放入特定的CO環境中，系統設定在第一條CO濃度的安全防線200ppm時進行第一次蜂鳴器預警提醒車內人員注意通風保證空氣流通，并發送短信提醒；當超過CO的第二條安全防線300ppm時，系統第二次蜂鳴器報警和發生安全預警短信，并在1min后自動開啟天窗。

在兩種測試情況下，傳感器皆可將收集的數據上傳至新浪云端，用戶可通過APP隨時查看車內情況。以上測試結果表明系統功能測試成功。

6.結語

車聯網作為一個新興產業，帶來了一個巨大的機遇。隨著我國經濟的快速發展，在市場需求帶動下，車聯網終端設備有望迎來爆發式增長。本設計順應歷史潮流，擁有良好的發展前景和具有較高的應用價值。采用ZigBee的CC2530模塊及各種傳感器，設計并實現了對車內環境的實時測控，測控精度高、可靠性高、系統成本低，易于集成到汽車安全輔助設備系統中，使得汽車安全系統更加完善，保證車內人員安全。