智能防止車內窒息監測系統

郭昕 朱嘉林 程進 王一飛 任寶凱 顧明凱 趙奕鈇 劉靖宇 王曉嵐 張天睿 李曉彤 鄒小平

北京信息科技大學,北京市傳感器重點實驗室，北京 100101

0 前言

近年來，車內窒息的悲劇多次上演。夏季天氣炎熱，許多車主將車停在路邊等人或休息時，通常會緊閉車窗打開空調，從而引發車內窒息[1]的安全事故。此外，還有多起兒童被鎖車內導致窒息死亡的事件[2]。據統計，每年因被鎖在車內[3]窒息死亡的案件將近300起。尤其是今年，國內暴雨洪水頻發，因意外被困車內身亡的人員多達數十人。對于被鎖車內[4]或是已經窒息昏迷的人員，最重要的就是第一時間開窗[5]通風并進行救助，所以制作出一款防止車內窒息的智能監測系統是非常必要的。車內窒息的主要原因包括：車內密閉導致氧氣濃度不夠；停放的密閉車輛開空調時，因為汽油燃燒不充分可能會產生大量一氧化碳導致人中毒，甚至死亡；夏季密閉時車內溫度僅15分鐘就可高達65℃，及易致人缺氧死亡。早至2016年就曾發生兒童被鎖在車內導致窒息身亡的悲劇，起初，針對于車內窒息隱患的應對方案僅僅是呼吁車主提高安全意識，直至2019年才有團隊設計開發防止車內窒息的安全系統。但是，目前關于防止車內窒息的智能系統的研究多數處于設計層面，而且形式單一，幾乎市面上所能查到的防止車內窒息的系統都是針對兒童所設計的，功能也僅僅包含檢測車內的二氧化碳濃度以及人體紅外感應，而忽略了成年人也會因暴雨等自然災害導致被困車內面臨窒息危險的情況。

本款產品致力于檢測車外水位深度、車內溫度和各項氣體濃度[6]。當車內有人且3項指標有任意一項不在正常范圍之內時，系統可第一時間啟動自救措施，并同時發出警報：自動搖下車窗，語音求救提醒路人，向第一聯系人發送短信[7]求救。

1 系統設計

1.1 系統的總體框架

系統由檢測模塊、STM32單片機和功能報警模塊3部分構成。檢測模塊由熱釋電傳感器、水位傳感器、一氧化碳傳感器、溫度傳感器、LED燈組成；功能報警模塊由直流電機、語音播報器、GSM通信模塊組成。系統結構框圖如圖1所示。

1.2 系統硬件設計方案

1.2.1 檢測模塊

檢測模塊主要用于前端檢測。首先啟動熱釋電檢測模塊，熱釋電傳感器能夠通過紅外感應檢測到車內是否有人，當判定車內有人后向單片機發出信號，使LED燈亮起。則單片機控制剩下3個傳感器啟動，將一氧化碳傳感器、水位傳感器和溫度傳感器放置在車內外需要檢測的地方，即使在人處于睡眠狀態下，也能敏銳捕捉信號。一氧化碳傳感器的接觸端設計為圓柱形，增加與一氧化碳等有害氣體的接觸面積，當有一氧化碳氣體與傳感器接觸時，會引起其表面電導率的變化，從而改變輸出電阻，并最終影響輸出電壓。水位傳感器的接觸端設計為扁平狀，增加與水的接觸面積，若有水接觸時便會觸發響應。溫度傳感器接觸端設計成塊狀，增大與空氣的接觸面積，實時檢測車內溫度，并通過串口輸出數值。3個檢測傳感器工作后，只要捕捉到信號便向單片機返回信號，使單片機觸發報警模塊。檢測模塊所使用的3種傳感器見表1所示。

表1 3種傳感器的介紹

1.2.2 功能報警模塊

功能報警模塊由SIM900A、語音播報器、電機驅動板、直流電機和車窗玻璃組成。當單片機接收到檢測模塊返回的信號后，首先觸發電機工作，使車窗玻璃降下，第一時間開窗自救；同時，控制語音播報器提醒路人該車輛出現異常，從而發現車內需要救助人員；系統的遠程信息交互由SIM900A芯片實現，SIM900A芯片上集成了GSM和GPRS模塊，芯片的RXD口與單片機的TXD口相連，芯片的TXD口與單片機的RXD口相連，構成串口通訊，從而使單片機通過AT指令集控制SIM900A芯片向預設的緊急聯系人的手機發送報警短信。

1.2.3 整個系統電路設計

本系統檢測模塊的熱釋電、溫度、一氧化碳和水位傳感器分別連接在STM32單片機I/O口上。功能報警模塊的YS-M3語音播報器與STM32單片機的輸出端相連，SIM900A連接單片機TXD和RXD引腳，構成串口通信，電機驅動板與STM32單片機的輸出端相連，從而控制電機轉動搖下車窗玻璃。系統電路原理圖如圖2所示。

1.3 系統軟件設計方案

本系統所用編程語言為 C 語言，系統的程序邏輯為：首先檢測車上是否有人，當車內有人時，控制模塊使其他各項檢測傳感器開始工作；通過檢測車內一氧化碳含量、溫度數值和車外水位深度，各檢測傳感器將數據傳輸給控制模塊，控制模塊根據邏輯進行判斷，若有1項超過設定閾值則啟動報警模塊；報警模塊實現車窗玻璃降下，語音播報器提醒路人車內發生危險，GSM模塊發送短信求救。系統流程圖如圖3所示。

2 系統功能驗證

將熱釋電傳感器、一氧化碳傳感器、溫度傳感器、水位傳感器放置在車內外需要被檢測的地方，實物連接如圖4所示。系統驗證過程中，實驗者上車后分別開關空調各30次，其中58次均能自動搖下車窗，車外播放警示語音且發送短信給第一聯系人。此外，測試車內是否有人，車外進氣管和排氣管是否進水時，熱釋電傳感器和水位傳感器均能夠穩定響應，測試結果如表2所示。由此可見，本系統具有較高的可靠性。此外，測試結果顯示，判斷車內氣體含量這一功能目前還存在誤報的可能，因此，計劃下一步改進系統時，將重點優化車內氣體檢測功能，進一步提高系統的可靠性。

表2 測試結果

3 結束語

在如今經濟社會高速發展的情況下，中國有車一族數量非常龐大，車輛安全已經成為了社會熱點問題。本產品針對夏季密閉車內使用空調過程中以及夏季暴雨洪水等惡劣天氣下存在的安全隱患而設計，可應用于多種危險情況，擁有廣闊的市場前景。

相較于其他功能簡單的防止車內窒息的智能系統，本系統可以實時檢測車內一氧化碳含量、溫度和車外水位深淺等指標，在發生危險時能夠第一時間開窗自救，并且立刻發出求救短信和語音播報提示，讓車主盡快得到救援，從而大大降低事故發生的可能性。此外，也方便其他人員救助，減少人員和經濟損失。同時，該裝置結構簡單，價格低廉，易安裝，適用范圍廣。