基于安全溫度控制的智能汽車(chē)報(bào)警裝置設(shè)計(jì)

翟秀軍，趙羽佳，劉曉明

（1.天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 汽車(chē)與軌道交通學(xué)院，天津300350；2.天津南開(kāi)大學(xué) 醫(yī)學(xué)院，天津300071）

媒體多次報(bào)道在炎炎夏日個(gè)別家長(zhǎng)因一時(shí)疏忽將兒童遺忘在密閉的車(chē)內(nèi)，從而造成孩子意外死亡的事件，本課題的任務(wù)旨在減少此類(lèi)情況發(fā)生。本系統(tǒng)能在汽車(chē)熄火后分析是否有兒童遺忘在車(chē)內(nèi)，一旦辨別可能存在危險(xiǎn)時(shí)，自動(dòng)聲控報(bào)警并向車(chē)主手機(jī)發(fā)送信息，并能根據(jù)車(chē)內(nèi)溫度情況，調(diào)整車(chē)窗的高度，避免因車(chē)內(nèi)溫度過(guò)高或缺氧給車(chē)內(nèi)兒童造成傷害。

目前防止將兒童遺忘車(chē)內(nèi)的產(chǎn)品很少，較成熟的有Starfish的智能傳感器和勿忘我SOS（汽車(chē)座安全提示器）。

Starfish 裝置是將一個(gè)智能傳感器放置在兒童汽車(chē)座椅墊下[1]，并通過(guò)藍(lán)牙與父母的智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)通訊。手機(jī)應(yīng)提前下載安裝好Starfish 應(yīng)用軟件并完成配對(duì)，當(dāng)嬰兒被放入座位，通過(guò)重力感應(yīng)，Starfish 將自動(dòng)激活，如果孩子被粗心的父母落在車(chē)?yán)铮改富蚱渌o急聯(lián)系人將會(huì)收到緊急信息。如果嬰兒被抱離座位，Starfish 將解除工作，進(jìn)入休眠省電狀態(tài)。Starfish 適用體重為3.2磅至60磅重的嬰幼兒，使用標(biāo)準(zhǔn)鈕扣電池，存電量不多時(shí)，會(huì)提醒更換[2]。

勿忘我SOS（汽車(chē)座安全提示器）這款報(bào)警提示器包含接收器和發(fā)射器兩部分。發(fā)射器直接安裝在兒童座椅的安全帶上，內(nèi)部鑲嵌藍(lán)牙信號(hào)發(fā)射裝置；接收器通過(guò)車(chē)載診斷系統(tǒng)與汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)相連，兩者互相配合發(fā)揮作用。當(dāng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)，提示器便會(huì)提醒駕車(chē)人給孩子扣好胸夾系好安全帶；如果小朋友不小心把安全帶打開(kāi)了，報(bào)警器就會(huì)響起，提醒駕駛?cè)私o孩子重新扣好胸夾系好安全帶；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后，如果這個(gè)安全帶沒(méi)有打開(kāi)，說(shuō)明小朋友還獨(dú)自在車(chē)?yán)?，?bào)警器就會(huì)立刻做出反應(yīng)，達(dá)到勿忘我SOS目的。

這兩款已經(jīng)上市的產(chǎn)品，考慮的比較完善，但是還存在一些不足。例如：Starfish 智能傳感器，如果小孩沒(méi)在車(chē)?yán)?，在安全座椅上放個(gè)等同兒童重量的物品可能也會(huì)激活；再如車(chē)內(nèi)安裝了勿忘我SOS 這款報(bào)警提示器，但是車(chē)?yán)餂](méi)有坐著小孩，也就是說(shuō)每次開(kāi)車(chē)，駕駛員都要去把安全座椅的安全帶扣系上，每次停車(chē)都要去把安全座椅的安全帶扣解開(kāi)，十分繁瑣。在這里需要特別指出的是這兩款產(chǎn)品均具有防止兒童遺忘車(chē)內(nèi)的預(yù)警功能，但是沒(méi)有考慮到萬(wàn)一預(yù)警沒(méi)有起到作用（產(chǎn)品一忘帶手機(jī)），孩子仍然被留到車(chē)內(nèi)造成危險(xiǎn)[3]。

1 總體設(shè)計(jì)概述

課題的目的在于克服上述技術(shù)的不足，提供一種新型汽車(chē)報(bào)警裝置，當(dāng)兒童被遺忘車(chē)內(nèi)時(shí)，能夠自動(dòng)報(bào)警引起周?chē)巳旱淖⒁獠⑾蜍?chē)主手機(jī)發(fā)送緊急提示信息，同時(shí)降車(chē)窗通風(fēng)、降溫。

新型汽車(chē)報(bào)警裝置的技術(shù)方案其特征在于：包括AT89S52 單片機(jī)[4]、DS18B20 環(huán)境溫度傳感器、NS-THI 稱(chēng)重傳感器、AD574 A/D 轉(zhuǎn)換器、報(bào)警控制器及TC35i GSM模塊。DS18B20 環(huán)境溫度傳感器與單片機(jī)輸入接口連接，NS-THI 稱(chēng)重傳感器通過(guò)AD574 A/D 轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)輸入接口連接，單片機(jī)的輸出接口分別連接汽車(chē)車(chē)窗控制端和報(bào)警控制器，單片機(jī)通過(guò)TC35i GSM模塊與車(chē)主手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[5]。圖1為新型汽車(chē)報(bào)警裝置的硬件結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 新型汽車(chē)報(bào)警裝置的硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Hardware structure block diagram of the new auto alarm device

課題的有益效果是：與上兩款產(chǎn)品相比不但有報(bào)警功能而且還能自動(dòng)降車(chē)窗通風(fēng)、降溫為兒童的營(yíng)救爭(zhēng)取時(shí)間。當(dāng)拔出車(chē)鑰匙，發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)后開(kāi)啟系統(tǒng)。由DS18B20（環(huán)境溫度傳感器）[6]采集車(chē)內(nèi)溫度信號(hào)，NS-THI（稱(chēng)重傳感器）采集座椅上的壓力信號(hào)，當(dāng)稱(chēng)重傳感器的壓力信號(hào)符合系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，判定可能有兒童遺忘在車(chē)座上，并且環(huán)境溫度傳感器采集車(chē)內(nèi)溫度值為37℃，后車(chē)窗自動(dòng)下降5 cm，同時(shí)向車(chē)主手機(jī)發(fā)送求救信號(hào)；如果車(chē)主未回來(lái)，車(chē)內(nèi)溫度繼續(xù)上升至40℃，后車(chē)窗再下降5 cm，繼續(xù)向車(chē)主手機(jī)發(fā)送求救信號(hào)；如果車(chē)主仍未回來(lái)，車(chē)內(nèi)溫度繼續(xù)上升至47℃，后車(chē)窗再下降5 cm，繼續(xù)向車(chē)主手機(jī)發(fā)送求救信號(hào)，并開(kāi)啟聲控報(bào)警器引起周?chē)巳旱淖⒁?，?dāng)兒童被解救后離開(kāi)座椅，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉。這種新型汽車(chē)報(bào)警裝置性能穩(wěn)定、能耗低，采用多種安全措施，極大地提高了兒童乘車(chē)的安全性。圖2為裝置的控制流程圖。

圖2 裝置的控制流程Fig.2 Control flow chart of the device

2 具體實(shí)施方式

2.1 DS18B20 環(huán)境溫度傳感器

DS18B20 環(huán)境溫度傳感器與AT89S52 單片機(jī)輸入接口連接。DS18B20是一種“一線(xiàn)器件”，是單線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器，與微處理器的連接只需要一條口線(xiàn)就可以實(shí)現(xiàn)雙向通訊，從而精度高、抗干擾能力強(qiáng)、使用便捷、經(jīng)濟(jì)性好。DS18B20 測(cè)溫范圍廣，通常為-55℃～+125℃；當(dāng)環(huán)境溫度在-10℃～+85℃時(shí)精度可達(dá)到±0.5℃。將多個(gè)DS18B20 并聯(lián)在唯一的單線(xiàn)上還可以進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫。DS18B20 工作電壓3.0～5.5 V，測(cè)量結(jié)果以數(shù)字量方式串行傳送，無(wú)需外圍元件。DS18B20是高速暫存存儲(chǔ)器，內(nèi)部由9個(gè)字節(jié)組成，第0 和第1個(gè)字節(jié)存放二字節(jié)補(bǔ)碼形式的溫度值。當(dāng)有溫度轉(zhuǎn)換命令時(shí)，溫度值被轉(zhuǎn)換成補(bǔ)碼并保存在第0 和第1 字節(jié)中。單片機(jī)可以通過(guò)與DS18B20的單線(xiàn)接口讀取數(shù)據(jù)，讀取順序?yàn)橄茸x取低位，后讀取高位。溫度計(jì)算方法依據(jù)符號(hào)位信息有所不同：當(dāng)符號(hào)位S＝0時(shí)，二進(jìn)制位被轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)S＝1時(shí)，補(bǔ)碼首先被轉(zhuǎn)換成原始碼，然后計(jì)算十進(jìn)制值。具體數(shù)據(jù)實(shí)例如表1所示。

表1 溫度值的二、十六進(jìn)制轉(zhuǎn)化Tab.1 Binary and hexadecimal conversion of temperature values

2.2 NS-THI 稱(chēng)重傳感器

NS-THI 稱(chēng)重傳感器通過(guò)AD574 A/D 轉(zhuǎn)換器與AT89S52 單片機(jī)輸入接口連接。選用額定載荷30 kg的NS-TH1 稱(chēng)重傳感器，傳感器材質(zhì)為合金鋼，防護(hù)等級(jí)IP65，配備標(biāo)準(zhǔn)變送器模塊，構(gòu)成通常包含組合式S型梁結(jié)構(gòu)及金屬箔式應(yīng)變計(jì)。要求傳感器具有過(guò)載保護(hù)裝置，工作性能穩(wěn)定。測(cè)量精度及輸出靈敏度2.0+0.002 mV/V，溫度特性符合課題要求，工作溫度范圍-25～70℃，工作電壓5～12 V。

2.3 AD574A/D 轉(zhuǎn)換器

AD574A/D 轉(zhuǎn)換器是一種并行12 位逐次比較型A/D 轉(zhuǎn)換器，可直接與各種微處理器連接，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換芯片，功耗低，無(wú)須附加邏輯接口電路，可與TTL 及CMOS 電平兼容。內(nèi)部設(shè)置高精度參考電壓源和時(shí)鐘電路，只需外接少量的阻容件就能實(shí)現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換功能，可以進(jìn)行自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換和自動(dòng)校零。AD574 A/D 轉(zhuǎn)換器電源電壓：±15 V 和15 V；轉(zhuǎn)換速率：25 μs；數(shù)據(jù)輸出格式：12 位/8 位；模擬電壓輸入范圍有4種：0～10 V，0～20 V，0～±5 V，0～±10 V。

2.4 TC35i GSM模塊

AT89S52 單片機(jī)的輸出接口分別連接汽車(chē)車(chē)窗控制端和報(bào)警控制器，單片機(jī)通過(guò)TC35i GSM模塊與車(chē)主手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[7-8]。TC35i GSM 目前應(yīng)用廣泛，在協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)下能提供語(yǔ)音、中、英文短信、傳真等數(shù)據(jù)的傳送，使用者可根據(jù)需要完成電路的設(shè)計(jì)；模塊在功能和使用方法上差異不大，通常采用雙頻段（GSM900 和GSM1800）工作[9]。模塊電源電壓：直流（DC）3.3～4.8 V，當(dāng)電壓低于3.3 V時(shí)自動(dòng)關(guān)機(jī)；最大電流2.5 A，休眠時(shí)電流3.5 mA，發(fā)射時(shí)平均電流300 mA，空閑狀態(tài)時(shí)電流為25 mA；頻段在EGSM900 （4類(lèi)） 功耗為2 W，頻段在GSM1800（1類(lèi)）功耗為1 W[10]；TC35i 預(yù)留外接天線(xiàn)接口，通過(guò)讀卡器與外置SIM 卡建立通訊，SIM 工作電壓為直流（DC）3 V/1.8 V。TC35i可以外接鋰電池，通過(guò)外接負(fù)溫度系數(shù)電阻NTC 對(duì)鋰電池充電進(jìn)行保護(hù)。TC35i通過(guò)AT 命令可以在數(shù)據(jù)接口上雙向發(fā)送指令和數(shù)據(jù)，可選波特率為300 b/s～115 kb/s。自動(dòng)波特率為1.2 kb/s～115 kb/s；重啟和故障恢復(fù)時(shí)可以采用關(guān)斷信號(hào)實(shí)現(xiàn)，也可采用AT 命令實(shí)現(xiàn)。TC35i模塊具體調(diào)試過(guò)程如圖3所示。

圖3 TC35i模塊通訊的調(diào)試過(guò)程Fig.3 Debugging process of TC35i module communication

2.5 AT89S52 單片機(jī)

AT89S52 單片機(jī)是CMOS 8 位單片機(jī)，功耗低、性能高，內(nèi)含8 位中央處理器在系統(tǒng)可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的Flash 存儲(chǔ)單元，多應(yīng)用于嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)[11]。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8 kB 在系統(tǒng)可編寫(xiě)Flash 存儲(chǔ)器，256 B RAM，三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器，32個(gè)可編程I/O 口線(xiàn)，3個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，8個(gè)中斷源，全雙工串行口，掉電后中斷可喚醒，掉電標(biāo)識(shí)符，雙數(shù)據(jù)指針，看門(mén)狗定時(shí)器，單片機(jī)內(nèi)有晶振和時(shí)鐘電路。AT89S52可進(jìn)行0 Hz～33 Hz 全靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式[12]。在低功耗空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作；在掉電保護(hù)模式下，保存RAM 內(nèi)容，凍結(jié)振蕩器，單片機(jī)停止所有工作，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。

圖4 裝置的I/O端口部分原理圖Fig.4 Schematic of the I/O port part of the device

圖5 裝置的單片機(jī)控制TC35i模塊部分原理圖Fig.5 Device SCM control TC35i module part of the circuit diagram

3 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)以AT89S52 單片機(jī)作為控制器，DS18B20環(huán)境溫度傳感器、NS-TH1 稱(chēng)重傳感器作為輸入信號(hào)，DS18B20 環(huán)境溫度傳感器實(shí)時(shí)采集車(chē)內(nèi)溫度信號(hào)，以此作為降車(chē)窗、報(bào)警條件之一，NS-TH1 稱(chēng)重傳感器采集的壓力信號(hào)要進(jìn)行運(yùn)算放大器放大，再進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，然后輸入單片機(jī)處理并以此作為是否有兒童遺留座椅上的判定條件。當(dāng)條件滿(mǎn)足控制過(guò)程流程圖所示的各種不同情況時(shí)，單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)控制執(zhí)行器電機(jī)下降，報(bào)警器報(bào)警并通過(guò)TC35i GSM模塊向指定手機(jī)發(fā)送緊急信息。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于媒體多次報(bào)道在炎炎夏日個(gè)別家長(zhǎng)因一時(shí)疏忽將兒童遺忘在密閉的車(chē)內(nèi)造成的慘劇，令人觸目驚心。針對(duì)汽車(chē)報(bào)警技術(shù)領(lǐng)域，基于AT89S52單片機(jī)的汽車(chē)報(bào)警裝置研究，利用DS18B20 環(huán)境溫度傳感器、NS-THI 稱(chēng)重傳感器、AD574 A/D 轉(zhuǎn)換器、報(bào)警控制器及TC35i GSM模塊組成的新型汽車(chē)報(bào)警電路，當(dāng)兒童被遺忘車(chē)內(nèi)時(shí)，不僅能夠自動(dòng)報(bào)警引起周?chē)巳旱淖⒁猓⑴c車(chē)主手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，同時(shí)調(diào)整車(chē)窗高度通風(fēng)，降溫，為兒童的營(yíng)救爭(zhēng)取時(shí)間。

以上僅是課題汽車(chē)報(bào)警裝置的優(yōu)選實(shí)施方式，已經(jīng)申請(qǐng)實(shí)用新型專(zhuān)利，專(zhuān)利號(hào)：201520764699.9。