基于Arduino的校車兒童安全監測報警系統

潘昊馳

針對近年來兒童在校車內和校車四周引發生命危險的事件頻繁發生，設計了一種校車兒童安全監測報警系統。系統采用Arduino開發板作為主控單元，在校車車廂內安裝溫度傳感器，在座位上安裝紅外避障傳感器，在校車四周安裝超聲波傳感器，通過主控單元檢測車輛啟動、熄火、關閉車門等狀態信息和各傳感器輸出信號，監測校車周圍及車廂內的兒童安全，及時通過聲光、手機APP報警及強制落窗通風。設計了系統的硬件與軟件，搭建實驗系統，驗證了方案的正確性，對校車車載安全伴侶的設計提供了一種新思路。

【關鍵詞】Arduino校車 兒童安全 監測 報警

1 引言

近年來兒童在校車內和校車四周引發生命危險的案例頻繁發生，一種狀況為：兒童被遺忘在校車內或被家長留在轎車內，因密閉空間溫度持續升高導致生命危險的事故發生。另一種狀況為：因校車車身又長又高，兒童身材矮小，當處于校車四周近距離時，常常處于司機視野的死角范圍，無法看到孩子而導致危險發生。而目前現有的校車安全相關設計主要聚焦于車體本身內外結構的加固防撞、氣囊設計、超載酒駕等校車安全監控及校車安全管理平臺設計等方面，對校車啟動后兒童在車體四周情況以及校車停止熄火車門閉鎖司機準備離開以及離開后校車內尚留有兒童情況的檢測、報警、和危險防護均沒有相應的監測防護系統配備。同時，隨著Arduino技術的廣泛應用，為校車車載兒童安全伴侶的設計與實現提供了新的主控方法。

2 組成及原理

如圖1所示，系統由Arduino主控板、傳感器擴展板、與擴展板連接的紅外傳感器、溫度傳感器、超聲波傳感器等模塊和器件組成，其監測功能分為車內和車外兩部分。

車內由溫度傳感器、紅外避障傳感器及車窗控制機構等組成，紅外避障傳感器安裝于每個座位的靠背上，或每個座位對應車廂頂部。車內的自動檢測報警工作原理如下：當司機啟動校車時，紅外避障傳感器及溫度傳感器失效，當司機關閉發動機并開啟校車車門后，紅外避障傳感器及溫度傳感器開啟，當司機關門并離開車后，若紅外避障傳感器檢測到車廂內有兒童，校車通過藍牙將警告提示音發送至司機手機APP上，提醒司機車內有滯留兒童，同時鳴笛及閃爍車燈吸引其注意。若司機已遠離校車且藍牙已斷開連接，當紅外避障傳感器檢測到車內有人時，溫度傳感器開始工作并動態監測密閉車廂內溫度的同時閃爍車燈吸引路人注意，當車廂內監測溫度達到危機兒童生命的臨界溫度時，校車將采用強制性保護措施，即強制落下一半車窗并開啟車內風扇通風降溫，同時鳴笛閃爍車燈吸引周圍人群解救。

車外沿車身四周安裝有多個超聲波傳感器。其工作原理如下：當車輛啟動時汽車周圍的超聲波傳感器對周圍環境進行檢測，由于超聲波傳感器檢測范圍可以覆蓋如圖所示幾乎校車周圍所有環境，因此當校車周圍有兒童且小于臨界安全范圍時，則會在駕駛面板上及聲光報警提示司機，從而達到保護兒童的目的。

3 基于Arduino UNO開發板的硬件電路設計

系統采用完全兼容Arduino UNO R3版本的DFRduino UNO R3開發板作為主控單元，它采用ATmega16U2作為微處理器，工作電壓為5V，可提供5V DC輸出和3.3V DC輸出電壓，時鐘頻率為16 MHz，有14個數字I/O端口，6個模擬輸入端口。DFRduino UNO R3開發板的功能模塊及引腳如圖2所示。

選擇DFRobotIO傳感器擴展板與DFRduino UNO R3開發板直插連接，可把Arduino的端口擴展成3P接口，直插3P傳感器模塊，同樣具有14個數字口（6個PWM口），6個模擬口；中部可直插Xbee封裝的藍牙、WIFI和Xbee通信模塊；旁邊設置了普通藍牙模塊、APC和SD卡的擴展接口。

校車兒童安全監測報警實驗系統硬件電路設計如圖4所示。擴展板與主控板之間插針直接連接，數字引腳2連接自鎖開關，模擬汽車的啟動或熄火狀態；數字引腳4連接LED燈，模擬報警燈；數字引腳6連接蜂鳴器，模擬揚聲器警報；數字引腳7連接直流電機，模擬車窗和電扇等設施。

數字引腳8連接SEN0019型集發射與接收于一體的紅外避障傳感器，其檢測距離范圍可以通過傳感器背面的電位器進行調節，可調范圍為3-80cm，系統根據有無兒童在座位上時探頭前方障礙物的距離設置最大檢測距離，當探頭前方有效距離范圍內無兒童時輸出高電平，有兒童時輸出低電平。

數字引腳9、10、11、12分別連接兩個超聲波測距傳感器JSN-SR0T4-2.0超聲波測距模塊，模塊包括收發一體的超聲波傳感器與控制電路，可提供20-600cm的非接觸式距離感測功能；檢測時，模塊自動發送8個40KHz 的方波，信號返回時，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續的時間T就是超聲波從發射到返回的時間。程序中將高電平持續時間T直接換算成為測試距離L=170T（m），并設置監控報警門檻距離，當校車啟動，監控報警門檻距離范圍內有兒童時，因其聲波傳感器探測到障礙物的距離比所設置的監控報警距離近，而進行報警。

模擬口引腳0連接LM35半導體溫度傳感器，LM35半導體溫度傳感器是美國國家半導體公司生產的線性溫度傳感器。其測溫范圍是-40℃到150℃，靈敏度為10mV/℃，輸出電壓與溫度成正比。

中間部分的“RXD、TXD、DTR、5V、GND”連接藍牙模塊，用來與司機手機通信報警提示；擴展板右上角“SCL、SDA、5V、GND”連接液晶顯示屏，用來顯示實驗系統的條件及結果。

4 基于Arduino UNO的軟件設計

控制Arduino UNO主控單元的軟件在Arduino IDE中編譯實現，主控控制流程如圖5所示，主要控制邏輯如下：

（1）系統采集車輛狀態檢測模塊的狀態信息；

（2）若司機啟動校車，則啟動超聲波傳感器檢測車輛四周是否有障礙物，若無則轉步驟（7）；endprint

（3）若車輛周圍有障礙物，則聲光報警提醒司機下車檢查，轉步驟（7）；

（4）若校車是熄火狀態并且車輛狀態檢測模塊檢測到車門閉鎖，則啟動紅外避障傳感器采集信息，若未采集到車座上有人，則轉步驟（7）；

（5）若車座上有人，則藍牙模塊通知司機手機，啟動APP發出報警（聲音或震動）；

（6）若司機已經遠離校車，當車內溫度傳感器檢測到溫度高于設定閾值，則發出聲光報警（用于提醒路人給予施救），并啟動落下車窗（通風）；

（7）液晶顯示屏顯示狀態信息，程序轉步驟（1）。

若校車處于熄火且車門閉鎖狀態時，啟動紅外避障傳感器采集信息，若檢測到車座上有兒童，則主控單元控制藍牙模塊通知司機（司機熄火下車鎖閉車門尚未遠離時）手機。通過藍牙模塊啟動司機手機APP進行聲音報警控制的軟件流程如圖6所示，手機APP在MIT APP INVENTER環境中在線生成。

5 實驗結果

實驗系統實物照片如圖7所示。因聲音與燈光等報警方式均難以在文中呈現，采用液晶屏來清晰顯示各種監測條件與報警結果。屏上“Power：ON”和“Power：OFF”分別顯示校車的啟動與關閉，“T：x”顯示車內溫度，由紅外避障傳感器感知有兒童顯示為“In：Someone”，反之則為“in：NoOne”，由超聲波傳感器感知車外有兒童時顯示為“Out：Something”，反之則為“Out：Nothing”，遭遇情況發出警報“Alarm：ON”及不發警報“Alarm：OFF”，實現開窗顯示“W：O”，閉窗顯示“W：C”。

實驗測試結果使用OLED-2864顯示器件，如圖8所示。其中，（a）圖說明當校車啟動，超聲波傳感器未探測到兒童，不報警；（b）圖說明當校車啟動，超聲波傳感器探測到兒童，報警；（c）圖說明當校車關閉（熄火并車門關閉），紅外避障傳感器未探測到兒童，不報警；（d）圖說明當校車關閉（熄火并車門關閉），紅外避障傳感器探測到兒童，報警并啟動司機手機APP；（e）圖說明當校車關閉（熄火并車門關閉），紅外避障傳感器探測到兒童，溫度升高到臨界值（如30℃），報警并打開窗戶。

6 結論

由實驗結果可以看出，當模擬校車熄火車門關閉后車內有兒童及溫度升高時，或校車啟動四周一定距離范圍內有兒童時，該系統能準確識別并采取有效措施，能夠可靠起到監測、警示和保護兒童的作用。

參考文獻

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[3]劉越洋等.基于Arduino的智能集成控制終端的實現[J].電子技術與軟件工程，2017.

[4]Scott Fitzgerald等/周雁冰（譯）.Arduino/Genuino項目書. Arduino SRL.

作者單位

太原市第五中學校 山西省太原市 030001endprint