一種車內滯留兒童應急脫險裝置的設計

梁雨石 朱 冬 孫雪蓮 劉國凱 張 峰 梁欣欣

（東北林業大學交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

隨著汽車普及率的不斷提高，兒童被遺忘在車內的案例逐年增多。兒童在密閉轎廂內不停喊叫、掙扎，氧氣會很快就被耗盡[1]。高溫天氣時車廂內溫度可達65 ℃，30 min就足以使兒童死亡。

呂緒浩等[2]設計了1種兒童滯留車內防護系統，通過人臉檢測判斷車內是否有兒童，利用溫度傳感器觸發聲光報警，實現對被困兒童的救援。劉婧等[3]設計的兒童滯留車內安全系統通過微波人體感應器判斷車內是否有人。上述裝置須在汽車熄火后長時間待機，會消耗汽車蓄電池的電能，增大車輛使用成本；且上述裝置的人體檢測信號單一，不報警或者誤報警的可能性較大。

該文設計了1種有多種檢測信號的應急脫險裝置，能降低不報警或誤報警的可能性，提高裝置可靠性和準確性。

1 裝置的基本功能與組成

脫險裝置應該具備以下基本功能：1） 能夠通過檢測與兒童相關的參數，完成對車內是否有兒童存在的正確判斷。2） 可根據車內檢測結果自行采取不同的應對措施，同時保障車輛和兒童雙方的安全。3） 在有兒童滯留車內的情況下，可以及時向相關人員發出警示信息。4） 裝置在持續工作的同時不增加車輛蓄電池的負擔。

基于以上要求，應急脫險裝置由5個單元組成，分別為人員檢測單元、控制單元、報警單元、脫險執行單元和供電單元。

1.1 人員檢測單元

人員檢測單元由HC-SR501紅外人體感應模塊、信號調理板和AAY80-390R氧濃度傳感器組成。

正常情況下人體溫度一般維持在36.5 ℃左右，會發出特定波長10 μm左右的紅外線，HC-SR501紅外人體感應模塊上的被動式紅外探頭就是靠探測人體發射的10 μm左右的紅外線而進行工作的。人體發射的10 μm左右的紅外線通過菲泥爾濾光片增強后聚集到紅外感應源上。紅外感應源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續電路經檢測處理后就能產生報警信號[4]。人進入HCSR501人體紅外感應模塊的感應范圍后，其“OUT”引腳輸出高電平，人離開感應范圍，該模塊的“OUT”引腳將自動延時關閉高電平，輸出低電平。

當裝置中只有1個紅外人體檢測模塊時可能會出現誤報警的情況，為了避免這種情況的發生，該裝置相對于其他裝置增加了1個氧濃度傳感器，以提高裝置的檢測可靠性。

空氣中的正常氧含量為21%，當氧含量不足時，會導致人們窒息。當氧含量為12%至15%時，人會出現頭痛、頭暈和疲勞等癥狀。當氧含量低于13%時，將發生缺氧和窒息的危機，并且在嚴重的情況下將會導致死亡[5]。AAY80-390R氧濃度傳感器則可以實時監控車內氧氣濃度，將模擬信號輸出給控制單元，在濃度降低到對車內兒童產生威脅時驅動執行單元降下車窗，解救滯留兒童，進一步提高裝置的精度和安全性，AAY80-390R產品參數見表1。

表1 AAY80-390R氧濃度傳感器參數

1.2 控制單元

控制單元采用基于ATmega328P的Arduino開發板[6]，如圖1所示。它有14個數字輸入/輸出引腳（其中6個可用于PWM輸出）、6個模擬輸入引腳、1個16 MHz的晶體振蕩器、1個USB接口、1個DC接口、1個ICSP接口和1個復位按鈕，足可以滿足裝置使用要求。

紅外人體傳感模塊的輸出引腳接在開發板的任意一個數字輸入引腳上，GND引腳接在開發板的接地引腳，VCC引腳接在開發板的+5 V引腳。氧濃度傳感器的輸出引腳接在開發板的任意一個模擬輸入引腳上，完成人體檢測單元和控制單元的連接再由控制單元控制報警單元和脫險執行單元。

圖1 Arduino UNO開發板

1.3 報警單元

在裝置檢測到車內存在滯留兒童時，需要對外界報警，使兒童能夠及時得到救援。由于考慮到停車地點和時間的多變性以及救援人員的不確定性，因此設計了2個報警模塊：蜂鳴報警模塊和短信報警模塊。蜂鳴器報警模塊的執行由有源蜂鳴器模塊完成。蜂鳴器模塊有3個管腳，其中標注“-”的管腳接地（GND），中間的管腳接在開發板+5 V的引腳，標注“S”的管腳接任意數字輸入引腳。蜂鳴器報警模塊在收到中央控制單元的指令后可以發出蜂鳴信號提醒周邊行人車內有緊急情況，由行人提供快速救援。短信報警模塊的通信部分采用SIMCOM公司的SIM900A模塊實現[7]，如圖2所示，SIM900A模塊采用GPRS的通信方式，GPRS數據網絡和打電話可以同時進行，使移動網絡的功能得到進一步提升[8]。SIM900A模塊與Arduino UNO的引腳連接情況見表2。

表2 SIM900A模塊與Arduino UNO的引腳連接情況

Arduino UNO開發板可以通過串口控制SIM900A模塊向指定電話號碼發送短信或者撥打電話以達到向車主報警的目的。

1.4 脫險執行單元

為了能夠讓車內滯留兒童得到及時的救援，在該裝置中還設計了1個主動的脫險執行單元。脫險執行單元包括Arduino AFMotor 電機擴展板、外加12 V電源和12 V直流電機。Arduino AFMotor 電機擴展板可以最多驅動4個直流電機，分別控制汽車前后4個車窗的開啟和關閉[9]。由于Arduino UNO開發板所能提供的最大電壓為5 V，所以外加了1個12 V的電源來給直流電機供電。完成電路連接后，中央控制單元可以通過Arduino UNO開發板的PWM接口控制電機的轉動時間和轉動方向，從而控制車窗升降。

圖2 SIM900A模塊

1.5 供電單元

供電單元由車載小型風力發電裝置、穩壓模塊和蓄電池組成。車載小型風力發電裝置可以俘獲車輛行駛過程中產生的風能，通過風力發電機將之轉化為電能。通過軸承、支撐座及端蓋將發電機的定子、轉子連接組裝起來，使轉子能在定子中旋轉，車輛行駛時空氣相對流動產生的風能帶動風機葉片轉動帶動轉子旋轉；使轉子成為1個旋轉磁場，定子線圈在做切割磁力線的運動的同時產生了感應電勢，通過接線端子引出，接在回路中就產生了電流，供電單元工作流程如圖3所示。

圖3 供電單元工作流程圖

該文對風力發電機進行了設計。風力發電機按旋轉軸分類，可以分為水平軸風力發電機和垂直軸風力發電機。其中水平軸風力發電機最為常見，對風能的利用率也最高，但是占用的空間大，并不適合汽車上使用。垂直軸風力發電機具有占用空間小、可多角度受風、啟動風速小以及維修保養簡單等優勢，所以該裝置設計采用垂直軸風力發電機。扇葉的工況是在戶外，需要有一定的抗氧化性能和抗腐蝕性能。鋁合金材質的扇葉具有質量輕、強度高以及耐腐蝕等特點，既不會過多增加車輛的負擔，又能保證在強大的風力的影響下不會發生變形，因此選擇鋁合金材質的扇葉。

由于風力發電的電壓不夠穩定，因此要先通過穩壓模塊進行穩壓后輸入蓄電池中儲存，同時為了防止蓄電池過度充電損耗蓄電池壽命，設置防過充保護裝置。保護裝置采用STC89C52RC單片機作為控制芯片。STC89C52RC/RD+系列單片機是STC推出的新一代高速/低功耗/超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統8051單片機，能夠提高控制器的處理速度，減少工作狀態下的電量消耗，實現系統的自動控制。為了方便使用，單片機最小系統采用了12M晶振。電流首先經過變壓器降壓，然后通過整流濾波電路得到直流電，接著再通過7805穩壓器獲得5 V直流電，為蓄電池供電。電源模塊設計LED指示燈，綠色時為正常工作狀態，方便電路檢查。通過電流穩壓器進行穩壓后的電流流經霍爾電流傳感器，通過霍爾電流傳感器來實時檢測充電電流，反饋信息給單片機處理。當檢測到蓄電池充滿后，單片機驅動，繼電器斷電。

利用風能轉化得到的電能就儲存在蓄電池中，再由其為應急脫險裝置供電。

2 應急脫險裝置工作過程

2.1 工作流程

整個裝置的工作流程圖如圖4所示，在車輛熄火、門鎖上鎖后整個裝置開始工作。中央控制單元會首先采集紅外人體檢測模塊的輸出信號；與此同時，氧濃度傳感器時刻監控著車內的氧氣濃度，實時將檢測到的氧氣濃度數據發送給中央控制單元。當2個裝置同時檢測到兒童的存在時，就會輸出信號給Arduino UNO開發板，開發板通過串口給SIM900A模塊發送指令，由SIM900A模塊給預先設定的聯系人發送短信或是撥打電話。在SIM900A模塊工作的同時，蜂鳴器報警模塊開始工作，發出刺耳的蜂鳴聲，提醒周圍行人車內有滯留兒童。

控制單元控制脫險執行單元生效，由電機擴展版驅動電機轉動降下車窗，以達到對車內滯留兒童實施救援的目的。

2.2 執行程序

裝置的執行程序都是在Arduino IDE上編寫完成的，包括紅外人體感應模塊控制程序、氧濃度傳感器控制程序、無線通信控制程序、脫險執行單元控制程序和整體邏輯控制程序。由于篇幅有限，因此只介紹紅外人體感應模塊控制程序。

圖4 應急脫險裝置工作流程圖

紅外人體感應模塊控制程序如下。

通過該程序對引腳進行初始化設置，在模塊感應到人時輸出高電平，無人時保持低電平，從而實現對紅外人體感應模塊的控制，將有人或無人的信息作為輸入發送給控制單元。

3 結語

該裝置采用自帶供電單元供電及汽車蓄電池供電兩種方法保證裝置的運行穩定性，同時減少了運行成本。該裝置具有紅外人體檢測和氧濃度檢測2種檢測功能，可以大幅度提高車內滯留兒童檢測的準確性。當該裝置檢測到滯留兒童遇到危險時，首先通過報警模塊通知車主，與此同時，在車內的情況已經對兒童的生命安全產生威脅時進行主動救援，防止悲劇發生。