基于物聯網的車載孩童智能警報安保系統

翟依琳 張天鳴 張珂 白雪 孟佯

摘 要：針對夏季高溫，嬰兒被困車輛中，家長解救不及時造成的事件，提出并設計了基于物聯網的車載孩童智能警報安保系統。系統主要包括感知數據感知模塊，數據傳輸模塊和處理控制模塊三大部分。硬件部分中，在感知層通過溫濕度傳感器和熱釋電紅外傳感器收集溫濕度數據和人體數據，實現安全監控；在傳輸層通過無線傳輸模塊，將處理后的數據發往應用層。軟件部分中，在應用層獲取感知到的數據，顯示給用戶；在控制層，用戶利用軟件可以對感知層的硬件進行反饋控制，調節對車輛內部溫度控制的警報閾值，構建一個基本的物聯網工作框架，實現對車輛內嬰兒的保護。

關鍵詞：物聯網，單片機開發，Android開發，無線短距離通信，安保監控

一、針對特殊應用背景的分析設計

在行車狀態下的設計中，為了解決駕駛員行車不規范的安全問題，對車內情況進行監控，一些車輛裝有乘客監測功能的系統。如Cadillac公司的SRX系列，這一系統通過乘客感知模塊檢測到座椅上的壓力，再通過低速網絡將數據傳遞給氣囊模塊，當氣囊模塊接收到座椅占用信號后，再發送指令給安全帶指示燈及車體控制模塊BCM，故障燈點亮并由BCM控制音頻警報，提醒駕駛員及時系好安全帶。

類似的，也有公司推出了駕駛員監控系統。中興公司推出的大數據司機監測系統功能，可以檢測駕駛員是否有疲勞駕駛的情況。2019年三星公司和以色列公司Eyesight合作推出一款更完善的檢測系統，此次合作把Eyesight的高級人工智能計算機視覺駕駛員監控軟件集成到三星的車載攝像頭中，打造全集成式駕駛員監控系統。

但將這些系統運用至非行車高溫狀態下檢測孩童被遺留車內的問題時，存在部分局限性，我們對此作出分析并提出思考設計。

（一）傳感器分析

在Cadillac的乘客監測系統中，核心原理就是通過壓力變化感知人體變化，但是可以引起座椅壓力改變的不僅只有駕駛員，因此使用壓力傳感器得到的檢測信號有很大的誤報可能性。而結合了計算機視覺的駕駛員監控系統，對算法和環境的依賴程度非常高。為了識別出人體的危險動作，系統需要進行大量的數據分析和行為訓練，才能夠以可觀的準確度識別出人體各個部位和行為動作特征。圖像傳感器在持續強光高溫的環境下也會出現元件受損，畫質不流暢的情況。

針對這些局限性，系統使用紅外模塊，結合溫濕度模塊共同感知檢測來進行判斷。與壓力傳感器和圖像傳感器不同，紅外模塊利用人體特有的輻射波長實現對人體的檢測，避免了圖像傳感器受光照、路燈等無法預測的外界因素影響的缺陷，也避免了壓力傳感器無法判斷壓力源是否為人體的缺陷，簡便高效。

（二）警報完善與閾值控制

針對行車狀態下的人員檢測，許多車聯網的系統設計并不考慮將警報信息發送給用戶的情況，而僅僅是在車內發出警報信息，并且在系統成型后，硬件的警報條件不會改變。

但是這些功能并不能完全滿足非行車狀態下的需求，因此目標系統中，不僅可以實現下位機的硬件報警，還可以將警報信號發送給用戶，并且添加了警報閾值控制功能，用戶可以通過改變閾值達到預報警的效果，提高系統友好性

二、總體結構設計

基于物聯網的系統設計架構如圖1所示，設計中重點包含傳感器基礎模塊、單片機最小系統、無線局域網、服務器和移動客戶端五大組成部分，包含感知采集，發送接收和應用控制三個核心操作。

傳感器模塊包含溫濕度模塊DHT11和紅外熱釋電模塊HC-SR501，微控制器選用簡單便捷的51單片機，對傳感器采集的數據進行簡單處理，是整個感知層的核心部件。無線傳輸模塊ESP8266對數據進行簡單處理，并存儲轉發給用戶。在服務器上，為用戶提供網絡登錄注冊的服務，搭建所需要的監測應用。移動客戶端從無線局域網中獲取數據，通過服務器嵌入應用中。當空間內有人且溫度超過警戒閾值的情況下，下位機報警且用戶得到警報提示。在移動端用戶可以修改警報閾值，以滿足不同用戶的需要。

（一）系統硬件設計

1.感知層硬件設計

感知層由終端設備組成，是物聯網體系結構的第三層，是最基礎、最接近物理世界的一層。在這一層，將感知識別，采集數據作為主要任務，為后續的操作提供數據支持。感知層就像是人們的各種感官的綜合體，可以通過多種不同的方式進行感知識別，獲取數據。常見的終端設備有二維碼標簽和識讀器、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS、傳感器、傳感器網關等。

本系統是利用51單片機開發板作為硬件開發基礎，集成了板載溫濕度傳感器模塊DHT11，WiFi模塊ESP8266，熱釋電傳感器模塊HC-SR501三大重要組成器件，主要完成現場對環境的感知和現場報警的功能，向傳輸層發送采集的數據，也從傳輸層獲取應用層傳來的數據，支持終端設備與上位機的短距離無線通信，實現下位機與上位機的雙向數據傳輸。

系統中最重要的部件是微控制器AT89C52單片機，它不僅要對傳感器采集到的數據進行簡單的處理，完成現場報警，還要依據應用層發來的數據及時修改警報條件，確保系統及時性。感知層硬件設計結構如圖2所示。

1.1 溫濕度信息采集

DHT11是一種常用的數字溫濕度復合傳感器，不能主動進行溫濕度采集。因此實際應用中，需要在用戶主機發送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉換到高速模式，待主機開始信號結束后發送響應信號，送出40bit的數據并觸發一次信息采集。單片機連接DHT11的DATA引腳的I/O口輸出低電平，且低電平保持時間不小于18ms，等待 DHT11應答信號。DHT11的DATA引腳檢測到外部信號有低電平時，等待外部信號低電平結束，延遲后DHT11的DATA引腳處于輸出狀態，輸出80us的低電平作為應答信號，再輸出80us的高電平通知外設準備接收數據。與單片機的連接如圖3所示。

1.2 人體信息采集

人體擁有恒定的體溫，一般為37℃左右，可以散發紅外熱，輻射的紅外線中心波長為9-10um。熱釋電紅外傳感器HC-SR501是一種高靈敏度探測原件，它的波長靈敏度約為0.2-20um。其中非常重要的原件是菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡一面為平坦的光面，另一面凸起刻有由小到大的同心圓面。它不僅可以聚焦，還可以將探測區域內分為若干個明區和暗區，使進入探測區域的移動物體能以溫度變化的形式產生熱釋紅外信號。菲涅爾透鏡將探測空間的紅外線有效地集中，再由熱釋電效應向外釋放電荷，經過后續電路的檢測處理，就能產生控制信號。

在現場應用中，當有人在傳感器前移動時，人體發出的紅外線不斷地在明區與暗區之間交替，使接收到的紅外信號以忽強忽弱的脈沖形式輸入，經過檢測信號處理電路，控制執行電路，最終轉換為電信號輸出。

這一模塊將人體輻射紅外信號轉換為電信號，將輸入信號輸入到前置放大器中，完成信號的一級放大。一級放大信號經過耦合輸入到運算放大器中，進行二級放大。完成放大后的信號經過雙向鑒幅器，檢測出有效觸發信號，啟動延時定時器，輸出信號進入單片機中進行處理。

熱釋電紅外傳感器主要有三個引腳。兩個接電源，一個接單片機I/O。當傳感器感應到人體時，電平發生翻轉，信號被檢測到。

1.3 蜂鳴器報警及執行模塊

各信號檢測模塊采集的數據經過放大濾波、A/D轉換等基本處理后，傳輸到微控制器中。微控制器將這些數據暫時存儲起來，做簡單處理后，成為可以被控制器直接判斷的數據。微控制器根據用戶設定的判斷條件，判斷車內環境是否具有危險，并將數據發送到傳輸層，提供給用戶。當單片機得到的溫濕度數據超出警報閾值，并且紅外模塊的警報標志位為高電平時，在控制現場執行蜂鳴器報警命令，提醒外界行人車內有情況發生。

在這一系統中，警報閾值可以在應用控制層進行更改，當用戶希望通過預警提前防止意外發生時，可以在移動客戶端降低警報閾值，以達到預警目的。

2.傳輸層硬件設計

傳輸層作為物聯網體系結構的第三層，主要進行有效安全的傳輸數據工作。傳輸層分為有線通信傳輸層和無線通信傳輸層。有線通信技術包括中長距離的廣域網絡和短距離的現場總線；無線通信層分為長距離的無線局域網、中短距離的無線局域網和超短距離的無線局域網。在這一設計中，采用的是無線短距離通信技術。

無線短距離通信包括三大主要技術，WiFi、藍牙和ZigBee。現實應用中，藍牙通信的通信距離一般為10米左右，且信號極易受到障礙物阻擾而削弱，通信距離變短。與通信距離可到達100米的WiFi通信相比，在抗干擾的性能上略有劣勢，因此在這一系統中選取WiFi模塊ESP8266，實現與應用層的數據收發。

ESP8266有STA/AP/STA+AP三種工作模式，可以使用AT指令集進行配置。

STA模式：ESP8266通過路由器連接互聯網，移動設備通過互聯網對設備做遠程控制。AP模式：ESP8266作為熱點，移動設備直接與模塊通信，實現局域網無線控制。STA+AP模式：兩種模式的共存模式，可以通過互聯網控制可實現無縫切換。

連接ESP8266模塊和單片機時，需要完成USB轉TTL。在配置ESP8266時，利用串口助手發送AT指令設定，完成ESP8266模式、名稱、密碼等基本操作。基本設定完成，模塊斷電重啟后，模式不會改變，WiFi信息不會改變，之后的指令可以通過單片機完成。

3.應用層硬件設計

應用層位于物聯網體系結構中的第一層，主要的功能是處理數據、分析數據和應用數據。常見的應用層經常通過云計算平臺進行信息處理與分析，為用戶提供信息服務。應用層與最低端的感知層一起，是物聯網系統的顯著特征和核心所在，它可以對感知層采集到的數據進行計算、處理和挖掘，從而實現對物理世界的實時控制、精確管理和科學決策。

系統中，應用層的硬件設備以移動終端設備為主，也就是用戶的手機。在手機中安裝系統設計的軟件，通過熱點用戶就可以獲取底層的數據，實時關注距離外的情況。當情況出現異常時，可以第一時間獲取求救信息。

（二）系統軟件設計

在許多警報系統中，經常采用在軟件中進行警報判定的形式。這種形式下，系統對經過A/D轉換的模擬信號進行分析判斷，并將數字信號轉入對應的子程序，在上位機判斷是否達到警報條件，再將判定結果發送給下位機。當達到警報條件時，上位機發出的控制命令，使下位機做出警報響應。

在本系統中，警報判定的過程是在下位機中實現，而軟件中只包括記錄用戶信息，查看現場數據及和報警提示的功能。這一設計，不僅可以加快系統報警速度，減少了軟件發送控制命令的時間，而且在用戶沒有打開軟件的情況下，下位機依然可以行使報警功能，向外求助。軟件運行的主流程圖如圖4所示。

1. 框架設計

軟件的設計從主體布局文件開始，外層設置三個LinearLayout。在第一個線性布局下設置一個FrameLayout放置一個ImageView和TextView，顯示界面上部的標題信息，通過調整相關的布局參數可以使界面布置清晰，對用戶更加友好。在第二個線性布局下設置一個FrameLayout，放置一個ImageView和兩個EditText，給用戶填寫用戶名及密碼。在第三個線性布局下，只包括一個登陸按鈕和一個注冊按鈕。

接著書寫java類文件，完善控件對應的邏輯，當用戶輸入用戶名和密碼在EditText中，系統獲取填入的信息。在用戶點擊按鈕后，觸發按鈕的綁定事件，將信息以Json格式打包上傳到服務器中，進行比對。在確定了登陸者身份之后，即顯示Toast登陸成功或注冊成功，實現用戶的登錄注冊功能。與此同時，按鈕綁定事件中所包含的啟動另一個Activity的語句生效，系統從MainActivity跳轉到HttpActivity，準備下一個頁面的工作。

2. 數據嵌入與閾值控制

用戶登陸成功后，跳轉到主功能頁面。這一頁面的設計是以LinearLayout和FrameLayout為主，利用EditText來顯示獲取的數據，并且用戶通過修改數據就可以改變控制閾值。

在嵌入數據的過程中，系統從平臺獲取傳上來的信息，通過Http協議的Get方式，獲取服務器中的數據，通過分析處理，將數據剝離后獲得可以提供給用戶的數據，并顯示在界面中。在修改閾值的過程中，用戶根據自身需求調整數據，在用戶重新修改閾值后，觸發Button按鈕的監聽事件，此時下位機的警報條件已經被修改，需要開始一輪新的警報判斷。

三、性能測試與系統試用

在完成硬件和軟件的基本聯通后，進行了性能測試。以一個小空間模擬車輛，用空調加溫模擬車輛內部溫度升高的情況，對系統做多次測試并記錄數據，利用MATLAB進行數據處理，繪制數據圖。測試情況下警報條件初始設置為溫度閾值27℃，濕度閾值49%。在五十次的測試中，隨機調整警報閾值。結果如圖5所示。

在多次的測試過程中，發現在當溫度與人體溫度相差3-5℃的情況下，可感應到的距離變短，警報會出現誤報，測試精準度略有降低。在這些測試中，當溫度達到34℃之前，測試準確度達到了100%，但是在34℃之后的測試中，只有40%的準確度。因此，可以使用精度更好的紅外模塊進行人體監控，警報信息可以制作成震動響鈴等更能引起用戶注意的方式，這些都是可以改進優化的地方。成品效果如圖6所示。

將設計應用到生活中，共進行兩組實驗，一組是真人，另一組是包裹盒子。選取一個較好的天氣，在11點至14點之間進行模擬。車輛外人員將警報閾值調整為29℃，濕度閾值為43%。實驗從13點開始，室外溫度達到了17℃，濕度為47%，為了縮短實踐的等待時間，車輛在實驗時的起始溫度為20℃。由于環境限制，實踐時不能達到夏季35℃的高溫，但其中的實踐原理是一致的，警報條件也可依據實際情況修改。

車主將車調整為面朝太陽的方向。為了安全起見，首先做人體測試，測試過程只維持半小時。我們選取的車輛為一款市值約為12萬的銀色豐田，使用不到兩年。如果車輛顏色更深，使用年限更長，隔熱膜質量不夠好的話，那么車輛的隔熱性能會更差一些。

測試人員在車主離開，車窗車門緊閉后開始計時測試。在16分鐘后，溫度達到29℃，濕度達到40%，滿足報警條件，車輛內發出了報警器的聲音，客戶端出現了警報提示。之后的14分鐘內，警報一直維持。到30分鐘實驗結束時，此時的溫度達到了33℃，濕度只有34 %，車內人員在不補充水分，不采取降溫措施的情況下，已經出現流汗口干，輕微胸悶等生理反應。在測試人員離開車輛后，放置一個包裹盒子在座位上，此時的溫度依然在不斷攀升，但是車內并沒有警報器的聲音，客戶端也沒有警報提示。

如果室外溫度達到35℃，車輛內被困住的是缺乏自救意識的嬰幼兒，那么在太陽直射的情況下，只需要15分鐘，就可能會失去一個生命。這一系統設計簡便，所占空間小，測試準確率可觀，但是只是依賴局域網傳遞數據，距離受到一定限制，如果將控制距離加大，擴大網絡范圍，經過合理的設計包裝，那么會有更好的實用價值。

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作者簡介：

翟依琳，女，生于1998年8月，漢族，江蘇常州人，江南大學，物聯網方向.

張天鳴，男，生于1998年1月，漢族，江蘇南通人，江南大學，自動化方向.

張珂，男，生于1998年2月，漢族，寧夏銀川人，江南大學，自動化方向.

白雪，女，生于1997年10月，回族，青海海東人，江南大學，計算機方向.

孟佯，女，生于1998年10月，漢族，江蘇揚州人，江南大學，計算機方向.

*【基金項目】本文系江南大學2018年度大學生創新創業訓練計劃項目，項目編號：1258088201190100