一種智能防遺忘兒童汽車報警器設計

成都理工大學核技術與自動化工程學院 王 興 柳炳琦 余洪坤 李由之

引言

隨著社會的高速發展，弱勢群體的安全保障問題一直被政府所重視，尤其是關于兒童的安全保障問題。近年來，發生了多起兒童被鎖或被遺忘在車內導致兒童窒息死亡的事件，讓人們感覺到觸目驚心[1-2]。據大數據表明，在美國平均每10天就有一個兒童死于車內，若在車內安裝一個能夠實時監測車內有無兒童的探測裝置，便可以預防兒童被遺忘的事件。鑒于此，本文基于窄帶物聯網技術研制一種能夠預防兒童被遺忘的報警器，通過設置兩個級別的預防機制，并通過藍牙模塊聯合車載系統進行控制，可以有效的預防和幫助兒童脫離險情。

1.總體方案設計

兒童報警器以對人體信息的數據采集、數據傳輸、和報警為設計主線。主要由六個模塊主成，包括報警模塊、監測模塊、信號處理模塊、電源模塊、外殼和按鈕。通過核心處理器的控制發出指令與其他模塊協調工作。

圖1 -1 電池管理系統總體方案設計框圖

兒童報警器的總體方案設計如下圖1-1所示，報警模塊可以通過高亮LED燈進行指示或通過蜂鳴器進行報警，采用人體紅外傳感器對兒童體溫進行感應，以STM32作為控制器通過計數的方式實現數據處理，通過高效的電源電路結合充電電池可以對兒童報警器持續供電，整個系統外殼采用環保塑料材質，從而保證對人身體無毒無害，設計電源開關和監控按鈕實現對兒童報警器的精準控制。通過藍牙模塊與車載系統的配合來提高預防機制等功能，使兒童報警器更加智能化和網絡化。

2.兒童報警器工作原理

本文設計的兒童報警器主要利用人體熱紅外作為被檢測波[3-4]，紅外線作為不可見光波，具有特定的頻率區間，其波長范圍為760nm到1000nm之間，并隨著頻率的增加，其波長逐漸減小。而人體具有恒定的體溫，一般在37℃左右，所以會發出波長在10um左右的紅外線，本裝置所使用的人體紅外傳感器可以探測人體發射出的10um左右的紅外線進行工作。本文基于單片機為核心控制器的兒童報警器采用STM32單片機和專用傳感器模塊、藍牙模塊[5]配合工作，制定兩個級別的報警機制，可以通過報警的方式使得兒童被遺忘后得到快速提醒的作用，從而保證兒童的安全。

圖3 -1 兒童報警器整體外觀設計圖

圖3 -2 兒童報警器監測范圍示意圖

3.系統設計

3.1 外觀結構設計

在本系統中，兒童報警器的整體外觀設計如圖3-1所示，其采用弓形體設計，背面為平面，正面為球形曲面的一部分，球型曲面上面均布了7個紅外傳感器模塊，正中央一個，四周均勻分布六個，這樣的弓形體設計在一定程度上擴大了單個傳感器測定角度范圍有限的弊端，使整個報警器的檢測范圍得以擴大，如圖3-2所示，藍色線的區域為兒童報警器的監測范圍示意圖，從圖中可以看出，其監控范圍足夠滿足兒童報警器的設計要求。

3.2 硬件電路設計

兒童報警器硬件部分主要由核心處理器、傳感器模塊和通信模塊等組成。為能夠滿足兒童報警器可靠性好、資源豐富等要求，選取了TI公司推出的STM32F103CBT6作為核心控制器[6]。如圖3-3所示為兒童報警器核心電路原理圖，通過對人體紅外傳感器、藍牙模塊、報警模塊、電源模塊等電路的合理設計，使得電路簡單，其電路板尺寸小巧，滿足兒童報警器小型化的設計要求。

3.3 系統軟件設計

如圖3-4所示為兒童報警器軟件工作流程圖，當汽車行駛途中兒童報警器處于待機狀態，此時報警器的藍牙模塊自動與車載系統連接；當汽車熄火時，兒童報警器的藍牙模塊接收到信號隨即開始工作，計時器開始計時同時紅外檢測模塊進行探測；當汽車車門開啟信號發出時，語音提醒發出特定信號“下車前請檢查車后是否有嬰幼兒”的提示音，至此表示第一級保障機制產生。若監測有人還會進一步發出報警提示音，這樣可以有效預防遺忘問題的反生。此后還有后續的二級預防機制，避免車主因其他緊急事情或忘記提醒而導致的遺忘兒童的事情發生，二級預防機制也可以有效保證車內人員的安全。二級預防機制是在車主關閉車門并鎖車后產生，鎖車信號發出，報警器也會接收到信號，計時器開始重新計時工作，若監測到車內有人，并且車主沒有在設定的時間內回來，報警器會發出求救聲光信號，并且發出信號的頻率會隨著時間加長而增加，超過25分鐘時，報警器會主動獲取權限打開車窗透氣。從而有效地防止人被遺忘車內的事故發生，保證人身及車的安全。

圖3 -3 兒童報警器核心電路圖

圖3 -4 兒童報警器軟件工作流程圖

圖4 -1 兒童報警器車內部署示意圖

4.兒童報警器車內部署

如圖4-1所示，為兒童報警器車內部署示意圖。考慮到大多數遺忘兒童事件的發生，被遺忘兒童的位置大都發生在車的后方，因此在車內的兩個前座靠背的后面分別各自安裝一個兒童報警器，而在車的頂部中央靠近前方安裝一個主報警器，這樣可以全方位監測到車內人體的紅外信號。通過在車內安裝3個兒童報警器，可以更加有效的全方位覆蓋車內監控的范圍。

5.結論

本文選取極強處理能力的處理器完成了兒童報警器的設計，實現了數據采集、數據處理、藍牙通信和報警監測等功能。采用簡潔的弓形體結構和常用的嵌入式控制器件，使得該系統的性能更加優異，在軟件設計上突出了靈活性和可靠性的設計理念，能夠通過個二級提醒機制避免遺忘，并利用C語言簡潔的特點，大大簡化了編寫程序的工作量。對比市場上已有防遺忘兒童報警器，本文設計的兒童報警器具有結構緊湊、成本低、可靠性好、通信能力強等優點，能有效地避免汽車后座遺忘兒童事件的發生，具有一定的市場價值。