基于STM32F103 型單片機的新型車載護童報警裝置設(shè)計

李芯怡，孫夢茹，郭思薔，姜雪松

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150040）

近些年，兒童被鎖車內(nèi)的意外事故頻發(fā)，兒童因家長疏忽被鎖車內(nèi)的安全防護問題不容忽視。為減少此類事故的發(fā)生，研制并開發(fā)一種車載兒童報警防護裝置十分必要。

公開發(fā)表的文獻中涉及的車內(nèi)兒童報警裝置主要將檢測車內(nèi)是否有人作為裝置啟動報警與否的唯一標準[1-2]，啟動條件單一，容易出現(xiàn)虛假報警；部分裝置對上述的設(shè)計進行了改進，在此基礎(chǔ)上增添了氣體與溫度檢測模塊[3-4]，車廂中心溫度的檢測可實現(xiàn)性強，但車廂內(nèi)氣體濃度的檢測實現(xiàn)較為復(fù)雜，因為氣體濃度檢測要求精準，對監(jiān)測器要求高，且氣體濃度變化較慢，檢測周期較長。

為達到報警準確性、及時性以及保護兒童定向性的目的，設(shè)計了一種既可檢測車內(nèi)溫度及是否有兒童存在，還可以識別檢測兒童因身體不適所發(fā)出聲音的新型報警裝置。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

新型車載護童報警裝置的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。該裝置系統(tǒng)由主控制器、太陽能蓄電系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)及反饋系統(tǒng)組成，其中主控制器為STM32F103 型單片機，可控制系統(tǒng)內(nèi)的各個模塊；太陽能蓄電系統(tǒng)為整個裝置供電，包括太陽能電板和磷酸鐵鋰電池；檢測系統(tǒng)為主控制器提供輸入信息，包括溫度監(jiān)測模塊、熱釋電紅外檢測模塊、語音識別檢測模塊；反饋系統(tǒng)接收主控制器處理后的輸出信息并進行報警，包括GSM（全球移動通信系統(tǒng)，Global System for Mobile Communications）用戶傳輸系統(tǒng)和聲報警器。

圖1 新型車載護童報警裝置系統(tǒng)

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 太陽能蓄電系統(tǒng)

太陽能蓄電系統(tǒng)由太陽能電板和磷酸鐵鋰電池組成。

太陽能蓄電系統(tǒng)分為太陽能充電蓄電和USB式接口充電，太陽能電板的主要材質(zhì)為非晶硅面板。非晶硅薄膜太陽能電池具有高透光性、弱光發(fā)電、價格低廉的優(yōu)點，所以陰天時該系統(tǒng)也可正常進行蓄電[5-6]。

所用鐵鋰電池為磷酸鐵鋰電池，該電池具有循環(huán)壽命長、耐高溫、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于儲能領(lǐng)域[7]。電池蓄電可通過非晶硅面板把光能轉(zhuǎn)化為電能進行儲能，也可通過USB接口進行蓄電。只要在有光照的地方，太陽能電板就可蓄電，避免用戶由于忘記充電而導(dǎo)致裝置停止工作。兩種充電方式的存在保證了裝置工作的持久性。

2.2 檢測系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)由溫度監(jiān)測模塊、熱釋電紅外檢測模塊和語音識別檢測模塊組成。

裝置檢測系統(tǒng)開始工作的前提是車門已關(guān)閉。部分裝置檢測車門關(guān)閉的方式是通過單片機來識別發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，通過轉(zhuǎn)速信息來判斷車輛是否處于熄火狀態(tài)[8]。考慮到此種檢測方法實現(xiàn)起來較為復(fù)雜且普遍性較弱，所以文中裝置采用3144E 開關(guān)型霍爾傳感器來檢測車門是否關(guān)閉。

當車門關(guān)閉時，觸發(fā)3144E 開關(guān)型霍爾傳感器，傳感器將檢測到的信號傳輸給主控制器。霍爾傳感器工作原理圖如圖2 所示[9]。

圖2 霍爾傳感器工作原理圖

2.2.1 溫度監(jiān)測模塊

溫度監(jiān)測模塊將設(shè)定兩個溫度上限值。研究人員通過實驗研究證實，在室外溫度處于33 °C 時，將汽車停在室外，汽車熄火停放35 分鐘后，車內(nèi)溫度可達到63 °C。此外，在汽車停放15 分鐘后，車內(nèi)溫度達到50 ℃時，乘車人開始有胸悶感；在汽車停放23 分鐘后，車內(nèi)溫度達到55 °C 時，乘車人開始頭暈?zāi)垦！⑷矸αΓ辉谄囃７?5 分鐘后，車內(nèi)溫度達到63 °C 時，乘車人呼吸困難心臟不適。由此可知，當車內(nèi)溫度達到65 °C 以上時，乘車人會有生命危險。參與該實驗的測試者為一名成年人，而高溫下，兒童體溫上升和體內(nèi)水分流失的速度遠比成人快，且報警器發(fā)出警報再到救援還需要一定的時間，所以溫度監(jiān)測模塊設(shè)定的溫度監(jiān)測值應(yīng)低于上述實驗中人體開始感到不適的溫度。

溫度監(jiān)測模塊將設(shè)定兩個溫度監(jiān)測值，該模塊在監(jiān)測到車內(nèi)溫度達到48°C 即第一上限溫度時，熱釋電紅外檢測模塊與語音識別模塊開始工作；當車內(nèi)溫度達到53°C 即第二上限溫度時，裝置直接發(fā)出警報聲進行報警。

溫度監(jiān)測模塊采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20。DS18B20 溫度傳感器具有微型化、集成化的特點，可以將采集到的環(huán)境溫度直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號輸出[10]。具體電路圖如圖3 所示[11]。

某一文獻的被引頻次一定程度上能反映其學(xué)術(shù)張力和學(xué)術(shù)價值,也能體現(xiàn)其在某一研究領(lǐng)域的重要性和影響力。譯界普遍認為,國內(nèi)首篇將女性主義批評范式應(yīng)用于翻譯研究的論文誕生于2002年,發(fā)表于四川外語學(xué)院學(xué)報,題名為《重寫神話:女性主義與翻譯研究》[1],女性主義與翻譯研究的結(jié)合使“傳統(tǒng)的翻譯認識論、翻譯實踐論和翻譯方法論之基礎(chǔ)發(fā)生了根本性動搖”[2],因而被認為是“翻譯觀念和翻譯思想上的一場革命”[1],《中國翻譯》2004年第4期推出的4篇女性主義翻譯研究論文加速了國內(nèi)此方面的研究,影響力巨大。直至今日,以上6篇論文的下載與被引頻次依然名列前茅,見表2。

圖3 溫度傳感器電路圖

2.2.2 熱釋電紅外檢測模塊

熱釋電紅外檢測模塊包括熱釋電紅外傳感器，該傳感器可以探測人體持續(xù)性發(fā)出的10 μm 波長左右的紅外線[12]。該模塊采用BISS0001 熱釋電紅外處理模塊，BISS0001 是一款高性能的傳感信號處理集成電路，具有放大信號、加強干擾能力以及比較的功能[13-14]。

當溫度監(jiān)測模塊檢測到車內(nèi)溫度達到48°C 時，該模塊開始工作，若傳感器未檢測出人體發(fā)出的紅外線，則模塊不會繼續(xù)向下傳輸電信號。

2.2.3 語音識別檢測模塊

該模塊采用LD3320 芯片，LD3320 內(nèi)含儲存器，使用前可將設(shè)定好的語音內(nèi)容存儲于此芯片[15]。

在該裝置中，語音對比檢測的內(nèi)容為兒童啼哭聲或兒童說出的如“救命”、“熱”、“出去”等敏感詞匯。語音識別模塊開始工作后，LD3320 可對比識別聲音內(nèi)容是否與存儲內(nèi)容一致，并將判斷結(jié)果傳輸至主控制器。

2.3 反饋系統(tǒng)

GSM 系統(tǒng)采用用戶識別模塊SIM（Subscriber Identity Module）將模塊做成信用卡的形式[16]。該裝置采用SIM900A 模塊，SIM900A 是一款緊湊型無線模塊產(chǎn)品，可低功耗實現(xiàn)語音、SMS（短信、彩信）、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸[17]。

聲報警器為市面上常用的蜂鳴器，配合擴音孔使用，擴音孔可對蜂鳴器的聲音再一次放大，以便于更好地吸引路人的注意。

2.4 主控制器

主控制器采用STM32F103 型單片機，STM32 系列單片機是一款基于Coretex-M3 內(nèi)核與ARMv7 的32 位微控制器芯片，且向外擴展了許多性能高的外圍設(shè)備[18]。STM32 單片機與51 單片機相比，其功能更為強大且其內(nèi)核擁有高性能、低成本、低功耗等優(yōu)點，而STM32F103 型單片機是STM 單片機器件中使用頻率最高的器件之一。

STM32F103 型單片機可識別、接收檢測系統(tǒng)的輸入信息，并將綜合處理后的指示信息輸出至GSM用戶傳輸系統(tǒng)，以發(fā)送遠程報警信息。若此報警信息未被用戶在時限內(nèi)接收或車內(nèi)溫度條件繼續(xù)惡化至第二上限，則主控制器直接指示聲報警器進行報警。

在主控制器對各系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)節(jié)控制下，該報警裝置可實現(xiàn)被鎖車內(nèi)兒童實情的精確報警及多重而全面的檢測，可有效保障車內(nèi)兒童安全。

3 系統(tǒng)運行過程

新型車載護童報警裝置的具體實施過程如圖4所示。新型車載護童報警裝置在車門落鎖后會觸發(fā)3144E 開關(guān)型霍爾傳感器，霍爾傳感器會將檢測到的信息反饋給主控制器。當車門落鎖后，主控制器控制太陽能蓄電系統(tǒng)與溫度監(jiān)測模塊開始工作。當車內(nèi)溫度達到第一上限值時，熱釋電紅外檢測模塊開始工作。若熱釋電紅外傳感器檢測到車內(nèi)有人，則語音識別檢測模塊開始檢測，若語音對比成功，則GSM 用戶傳輸系統(tǒng)向用戶手機發(fā)送信息。若聲報警器無直接報警或語音對比不成功，則直接進入第二上限溫度監(jiān)測。當車內(nèi)溫度達到第二上限溫度值時，聲報警器直接報警，以及時對被鎖兒童進行救援。

圖4 新型車載護童報警裝置系統(tǒng)運行圖

4 結(jié)束語

1）新型車載護童報警裝置在車門落鎖后即啟動車內(nèi)溫度監(jiān)測，在測溫達到第一上限時才繼續(xù)啟動下一環(huán)節(jié)熱釋電紅外檢測，實現(xiàn)電量上的節(jié)約。

2）太陽能蓄電系統(tǒng)中既可通過光能蓄電也可通過USB 式接口充電，雙重充電方式的存在保證了裝置能夠長時間續(xù)航。

3）溫度監(jiān)測模塊設(shè)置有兩個溫度上限，特有的雙重溫度上限在控制整體裝置啟動運行的同時又保證可及時報警。

4）語音識別檢測模塊可對比識別兒童因身體不適發(fā)出的特定聲音，突出該裝置對兒童定向保護的設(shè)計目的。

5）GSM 用戶傳輸系統(tǒng)與主控制器合作運行的模式，為用戶提供立即報警與否的選擇，在保證兒童安全的同時又避免不必要的報警，滿足用戶現(xiàn)實需求。

新型車載護童報警裝置中各檢測系統(tǒng)是分析實際情況后所設(shè)定的，力求做到全面而有效地檢測主要影響因素。各檢測系統(tǒng)在主控制器的控制下有序地工作，可最大限度地保障車內(nèi)被鎖兒童的生命安全。