兒童誤鎖車內報警裝置的設計

李 鋒

兒童誤鎖車內報警裝置的設計

李 鋒

（山東華宇工學院，山東 德州 253034）

為避免兒童被誤鎖車內發生悲劇，文章設計了一種兒童誤鎖車內報警裝置。該裝置主要由信號檢測采集模塊、信號處理控制模塊和信號執行三個部分組成。通過各傳感器模塊的檢測，當車內兒童因家長遺忘而滯留車內時，向車主人發送報警信息，同時車窗打開，車內播放預存家長視頻安撫兒童情緒，從而使駕駛員及時發現被困兒童，減少兒童被誤鎖車內事件的發生，保障兒童的安全。

傳感器；DTU模塊；單片機

前言

隨著人們生活水平的不斷提高，每個家庭擁有一輛適合自己的汽車已不再是奢望。雖然現在大眾交通也已普及，但是汽車出行也更加方便自由，所以個人對汽車的需求量也逐年攀升。2021年4月6日，公安部交通管理局發布最新統計數據，一季度全國新注冊登記機動車966萬輛，同比增長67.31%，比2019年同期增長31.96%，創同期歷史新高。然而，人們在享受汽車帶來的方便的同時，汽車使用過程中的各種安全問題頻繁出現。其中，因家長疏忽導致兒童被遺忘在車內而悶死的悲劇時有發生。特別是在酷暑時節，當外界溫度達到35 ℃時，陽光照射15分鐘后，封閉車廂內的溫度將升至65 ℃左右。在這樣的高溫環境中，被困車內的兒童會急速引發“熱射病”，重則危及生命安全。因此，設計一款性能穩定、使用方便的報警系統非常迫切，而目前兒童誤鎖車內的相關研究非常少，我們研究的主要方向是系統檢測到滯留兒童，自動控制車窗降下和汽車空調系統開啟，從而達到通風降溫的目的，還需要給其車主及家長發送短信撥打電話來提醒[1]，車內播放預存視頻安撫兒童情緒。對兒童誤鎖車內的情況起到報警及應急處理，避免悲劇發生，對于有需求的駕駛人來說具有重要意義。

1 裝置整體設計

兒童誤鎖車內報警裝置主要由信號檢測采集、信號處理和信號執行3個部分組成[2]，利用熱釋紅外電傳感器、車門鎖傳感器、車速傳感器、車座背部壓力傳感器、CO2檢測模塊、溫濕度檢測模塊、語音播放模塊、車窗升降電路以及無線通信模塊設計出兒童誤鎖車內保護裝置，通過熱釋紅外電傳感器、車門鎖傳感器、車速傳感器、車座背部壓力傳感器、CO2檢測模塊、溫濕度檢測模塊檢測車輛行駛狀態以及車內人員情況，由STM32單片機控制系統判斷DTU模塊是否對信號作出反應，達到保護被誤鎖車內兒童的目的，利用音頻模塊播放家長預存視頻，安撫兒童情緒，防止因家長疏忽而對兒童造成傷害。裝置原理如圖1所示。

圖1 兒童誤鎖車內報警裝置原理圖

1.1 信息收集功能

通過車速傳感器檢測車輛是否處于行駛狀態，熱釋電紅外傳感器、車座背部壓力傳感器、CO2檢測模塊、溫濕度檢測模塊用于檢測車內中是否存在兒童，控制系統自帶計時器用于計算兒童被鎖時間，門鎖傳感器用于檢測車是否已被鎖死。將檢測的數據上傳到STM32單片機控制系統內處理。

1.2 數據分析功能

STM32單片機控制系統開始檢測，當檢測到車門鎖信號有效，而且其中熱釋電紅外傳感器、壓力傳感器以及CO2檢測模塊中有一種檢測到信號的時候，系統會自動認為有人被鎖在車內，向無線通信模塊與音頻播放模塊傳輸信息。

1.3 信息報警功能

系統裝有DTU模塊，當傳感器模塊檢測到數據異常，STM32單片機控制系統判斷發生危險時，DTU模塊發出指令向家長發出報警，產生短信和電話通知，提醒駕駛員及時返回處理。音頻播放模塊在車內播放預存視頻，安撫兒童情緒。

1.4 車窗升降功能

STM32單片機控制系統分析判斷兒童是否被鎖車內超過1分鐘以及家長是否對其做出反應，車窗控制開關用于接受STM32單片機控制系統的信號，開啟一定開度車窗。當車門鎖傳感器檢測到車門打開后，車窗上升關閉等待下一次指令。

2 裝置硬件設計

兒童誤鎖車內報警裝置由汽車電瓶供電，整個系統的電源通斷依靠汽車鑰匙開關擋來控制。開關擋位中的 ACC 擋作為系統啟動的觸發條件，一旦監測到這個觸發條件，STM32單片機會自動的控制整個系統的電源通電。對整個系統開始自檢工作，自檢狀態良好，控制執行機構中的系統語音模塊提示系統可以正常工作。當任何一個環節出現問題的時候，語音模塊提示錯誤，等待檢修[3]。

2.1 單片機控制系統

采用STM32-G474RE單片機作為控制系統，STM32使用高性能、實時性、數字信號處理、低功耗、低電壓于一身，同時保持高集成度和開發簡易的優點。其主要含兩個部分：各種型號的STM32板和編程軟件。硬件部分主要用于嵌入各個模塊（熱釋紅外電傳感器、車門鎖傳感器、車速傳感器、車座背部壓力傳感器、CO2檢測模塊、溫濕度檢測模塊、語音播放模塊、車窗升降電路以及無線通信模塊等）的電路板。軟件部分主要通過編寫程序依托到計算機的開發環境之中。

2.2 熱釋紅外傳感器

熱釋電紅外傳感器選用HC-SR501，為常用人體紅外感應模塊。檢測距離為1 m～5 m、感應角度小于100度錐角。滿足在車內人員檢測的距離和角度，鎖車后檢測到人體后觸發，控制板接收到高電平并作出判斷[4]。本設計為節省資源，熱釋電傳感器只有在車門鎖住時工作。后檢測到人體后觸發，STM32控制板接收到高電平并作出判斷。

2.3 車速傳感器

車速傳感器類型較多，本設計采用光電式車速傳感器，它是固態的光電半導體傳感器，由帶孔的轉盤兩個光導體纖維，一個發光二極管，一個作為光傳感器的光電三極管組成。一個以光電三極管為基礎的放大器為發動機控制電腦或點火模塊提供足夠功率的信號，光電三極管和放大器產生數字輸出信號（開關脈沖）。發光二極管透過轉盤上的孔照到光電二極管上實現光的傳遞與接收。轉盤上間斷的孔可以開閉照射到光電三極管上的光源，進而觸發光電三極管和放大器，使之像開關一樣地打開或關閉輸出信號。開關的速度越快，說明汽車的車速越快，而當檢測到一直開時，車速為零，單片機控制系統判定其為停車，與傳感器結合判斷車內是否有滯留兒童。

2.4 車門鎖傳感器

采用汽車車門自帶車門鎖傳感器，這樣既保證汽車內飾的美觀性又可以完成相對應的檢測功能，通過車門鎖傳感器能夠檢測車主是否鎖車門[5]，若車門已鎖，系統開始工作。本文車門鎖狀態檢測采用磁性感應開關模塊將其接入汽車中控板的信號線并聯接入到單片機數字引腳，實現監測開閉鎖狀態。

2.5 車座背部壓力傳感器

采用擴散硅壓力傳感器，其工作原理是基于壓阻效應，利用壓阻效應原理，被測介質的壓力直接作用于傳感器的膜片上（不銹鋼或陶瓷），使膜片產生與介質壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發生變化，利用電子線路檢測這一變化，并轉換輸出一個對應于這一壓力的標準測量信號。一根線連接電源正極，另一個線也就是信號線經過STM32單片機控制系統連接到電源負極。當人體坐在汽車內后，車座底部與背部受力，給單片機傳送信息，單片機結合其他幾個傳感器做出判斷家長離開后是否有兒童被遺忘在車里。

2.6 CO2檢測模塊

選用SKA/CO2-101二氧化碳氣體檢測模塊。專門針對空氣中存在的二氧化碳CO2氣體，進行24小時實時在線監測濃度含量檢測。采用原裝進口氣體傳感器，通過32位微處理器和24位數據采集器后，進行全量程的溫濕度補償。可直接輸出模擬電流4 mA～20 mA，模擬電壓0.4～2 V、0～5 V，數字信號。通過其檢測車內CO2濃度，配合熱釋電紅外傳感器、溫濕度傳感器、車門鎖傳感器以及車速傳感器。經控制系統判斷車內是否有兒童滯留。

2.7 音頻播放模塊

采用MP3模塊與7寸LCD屏顯示屏配合使用，MP3模塊接入汽車音響播放音頻，LCD屏接入單片機控制系統。LCD屏以電流刺激液晶分子產生點、線、面配合背部燈管構成畫面，有機身薄，節省空間、省電，不產生高溫、完全不發燙等優點。完全無輻射、畫面柔和不傷眼[6]，可以減少顯示器對眼睛的傷害。對兒童健康不會造成危害。而當報警指令發出后，家長預存的視頻將通過LCD屏循環播放，從而安撫兒童的情緒。

2.8 車窗升降電路

采用接入單片機嵌入汽車中控的方式，通過連桿來舉升車窗玻璃，同時保持其處于水平狀態。采用蝸桿帶動蝸輪的機械結構是為了形成自鎖，防止車窗下降5 cm后，被撬開，減少被盜風險，從而也能實現單片機控制車窗升降的功能，并且為保證鎖車后車內兒童安全，其指令優先級大于汽車中控指令。

2.9 DTU無線通信模塊

DTU硬件組成部分主要包括CPU控制模塊、無線通訊模塊以及電源模塊。有組網迅速靈活，建設周期短、成本低；網絡覆蓋范圍廣；安全保密性能好；鏈路支持永遠在線、按流量計費、用戶使用成本低等優點。

GPRS DTU上電后，首先讀出內部FLASH中保存的工作參數（包括GPRS撥號參數，串口波特率，數據中心IP地址等等，事先已經配置好）。

GPRS DTU主動發起與數據中心的通信連接，并保持通信連接一直存在。由于GPRS DTU處于移動內網，而且IP地址不固定。因此，只能由GPRS DTU主動連接數據中心，而不能由數據中心主動連接GPRS DTU。這就要求數據中心具備固定的公網IP地址或固定的域名。數據中心的公網IP地址或固定的域名作為參數存儲在GPRS DTU內，以便GPRS DTU一旦上電撥號成功，就可以主動連接到數據中心。與車主手機建立通訊，車主通過手機可以實時查看車內CO2、溫度、濕度等情況。當系統自主檢測到有兒童被鎖在車內時，STM32控制板通過DTU模塊向駕駛員發送短信，進行報警，提示駕駛員及時采取措施。

3 系統軟件設計

本裝置工作過程：系統初始化，然后檢測車輛是否處于行駛狀態，檢測車是否已被鎖死。當停車且車門被鎖時，熱釋電紅外傳感器、車座背部壓力傳感器、CO2檢測模塊啟動，檢測環境中是否存有人被困車內。若檢測到車內有人被誤鎖，則開啟一定開度車窗，向車主發送信息并開啟車內視頻安撫兒童情緒。

4 結論

綜上所述，兒童誤鎖車內報警裝置的設計，通過熱釋紅外電傳感器、車門鎖傳感器、車速傳感器、車座背部壓力傳感器、CO2檢測模塊能夠對車內情況進行準確的監測，并在兒童被困時，通過車窗升降電路下降車窗避免兒童窒息，并利用DTU無線通信模塊及時給家長發送報警信號，從而保證了兒童的人身安全。用音頻模塊播放家長預存視頻，安撫兒童情緒[7]，從根本上解決兒童被誤鎖車內的問題，具有廣泛的應用前景。

[1] 周潤景.傳感器與檢測技術[M].2版.北京:電子工業出版社, 2014.

[2] 黃晶晶,羅文華.車輛智能報警系統的研究[J].河北農機, 2016(05):38.

[3] 趙陽剛.基于Arduino與XBee的智能家居系統設計與實現[D].太原:中北大學,2017.

[4] 張永生,張夢杰,范金鑫,等.基于 STM32F103 的車載兒童防滯留報警系統[J].內燃機與配件,2017(12):132-133.

[5] 趙文松,趙曉軒.兒童被遺忘車內傷害事故的深層原因及對策研究[J].汽車與安全,2017(11):94-96.

[6] 文強,張銣鈁.基于人臉識別的預防兒童誤鎖車內報警系統設計研究[J].計算機產品與流通,2019(3):62.

[7] 王晶,文師華,劉星宇,等.防止兒童誤鎖車內報警系統的設計[J].工業儀表與自動化裝置,2018(4):34-36+41.

Design of Alarm Device for Children's Mislocking in Vehicle

LI Feng

( Shandong Huayu Institute of Technology, Shandong Dezhou 253034 )

In order to avoid the tragedy of children being locked in the car by mistake, an alarm device for children locking in the car by mistake is designed in this paper. The device is mainly composed of three parts: signal detection and acquisition module, signal processing control module and signal execution. Through the detection of each sensor module, when the children in the car are stranded in the car due to their parents' forgetting, it sends alarm information to the car owner, opens the window and broadcasts prestored parent video in the car to calm the children's emotions, so that the driver can find the trapped children in time.Reduce the occurrence of children being locked in the car by mistake and ensure the safety of children.

Sensor;DTU module;MCU

A

1671-7988(2022)01-98-04

TH122

A

1671-7988(2022)01-98-04

CLC NO.: TH122

李鋒，就職于山東華宇工學院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.001.023