基于單片機防兒童車內窒息系統的設計

董梅，陳武發，李國謙

（惠州經濟職業技術學院，廣東惠州，516007）

0 引言

近年來，兒童由于被遺忘于車內而造成受傷害、死亡的案例時有發生，非常令人心痛。自2017年以來，國內媒體共有35起相關事故報道，通過事故分析發現，事故多發生于5-7月等高溫月份，兒童遺忘于私家車內死亡率為41%，而兒童遺忘于校車內死亡率為100%[1]。v絕大多數兒童車內死亡主要原因為“熱射病”，除了“熱射病”之外，還有窒息和甲醛中毒等傷害。因此，設計一款能夠監測車內是否有兒童滯留，能發出兒童滯留車內警報，并且能聯動相關機構動作的系統，對保障兒童生命安全有著重要意義[2]。

目前，針對兒童滯留車內的安全問題研究方案主要有：彭育強[3]等設計了一款語音監測報警系統，該系統將監測信號與事先錄入的語音信息對比，通過GSM模塊發送報警信息。李芯怡[4]等設計了溫度監測、人體紅外監測與語音識別三級信號單向遞進識別，觸發GSM 報警的系統。黃晶晶【5】等設計了通過車門鎖傳感器、紅外線報警器和壓敏坐墊探測信號從而控制聲光報警器和車窗升降器的裝置。文強[6]等設計了一款基于人臉識別技術的防兒童被鎖系統。綜上所述，基于多種傳感器和遠程報警的研究是解決兒童車內窒息安全問題研究的熱點和重點。本文設計了一種基于溫度和人體紅外雙重信號監測兒童是否滯留車內，并通過移動通信模塊和聯動執行機構動作，實施自救和他救，從而實現防止兒童因滯留車內而窒息的功能。

1 系統總體架構

系統以單片機為主控制器，搭載溫度監測模塊與人體紅外監測模塊進行車內監測，當系統監測到人體特征且車內溫度達到設定閾值，觸發執行裝置，啟動車窗控制器降下車窗、接通喇叭電子開關鳴笛、亮起危險警示燈從而引起過往行人注意，同時通過移動終端控制模塊向系統關聯手機終端發送報警信息。車主接到報警信息后，可通過網絡視頻監控器查看車內狀況，通過聲音模塊與車內兒童對話，也可以發出指令控制車窗、車燈及喇叭動作，還能解除誤報警信息復位系統，或采取有效救治行為。系統總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構

2 系統硬件設計

2.1 主控制器電路設計

主控制器選擇STC89C52RC單片機，它是一款高速、低功耗、超強抗干擾的51內核的CMOS 8位單片機，指令系統兼容傳統8051,但速度快8～12倍，內部集成MAX810專用復位電路，具有在線編程功能，使用簡單且價格低廉，其控制方式對新手特別友好，主控模塊電路原理如圖2所示。

圖2 主控制器電路原理圖

2.2 信號采集模塊設計

2.2.1 人體紅外模塊

人體紅外模塊選用可應用于各種單片機控制器上的紅外熱釋電運動傳感器，該傳感器采用集成人體熱釋電紅外探頭AM412，該探頭將數字智能控制電路與人體探測敏感元都集成在電磁屏蔽罩內。該模塊尺寸僅有30mm×22mm；輸入電壓為3.3～5V，最大6V，工作電流為15μA；輸出電壓為高電平3V，低電平0V；輸出延遲時間（高電平）為2.3～3s左右；感應角度為100°；感應距離為7米。具有體積小、可靠性高、功耗低、與單片機連接簡單等特點。

在監測范圍內監測到運動的生命體時，在輸出引腳會輸出高電平（3V），同時輸出指示燈點亮，當監測到紅外熱釋電信號消失時，延遲2.3～3s后，輸出低電平（0V），輸出指示燈熄滅。但是，該類型傳感器在探測過程存在一些缺點，如易受各種熱源或光源干擾，被動紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，環境溫度和人體溫度接近時，探測和靈敏度明顯下降等。

2.2.2 溫度模塊

溫度模塊采用常見的數字溫度傳感器DS18B20，該傳感器可在各種單片機控制器上應用，供電電壓為3～5.5V，尺寸僅有10.6mm×27.5mm，具有體積小，抗干擾能力強，精度高、接線方便等優點。

2.3 聯動模塊設計

2.3.1 車窗門鎖控制模塊

車窗門鎖控制均需要借用車身自有的電子開關，車窗控制模塊選用HK4100F-DC5V-SHG繼電器，四個繼電器配合工作可實現電機正反轉，分別對前后左右四個車窗玻璃升降器電機進行控制，其電路工作原理如圖3所示。

圖3 車窗控制模塊工作原理

2.3.2 車燈及喇叭控制模塊

選用9012型PNP三極管作為自動控制開關，接收單片機發出的指令，控制車燈及喇叭的動作，工作原理圖如圖4所示。

圖4 車燈及喇叭控制模塊電路原理圖

2.3.3 移動終端控制模塊

移動終端選用移遠EC20或者中移動的4G模組，4G模組搭載SIM卡通過移動網絡與手機終端進行數據傳輸，只需要用單片機控制4G模組即可實現和手機的遠程通訊。單片機與4G模組通信接口為UART串口，使用AT指令來配置工作模式來實現數據的透傳。移動終端的組成架構如圖5所示。

圖5 移動終端架構圖

2.4 硬件電路制作

使用Altium Designer軟件進行PCB設計，采用單面走線方案。電源、溫度采集模塊、人體紅外模塊、聲音模塊、移動4G模組均采用外接電路，車窗控制模塊用直流電機模擬進行控制，車燈控制模塊采用發光二極管進行模擬控制，硬件效果如圖6所示。

圖6 硬件電路實物

3 系統軟件設計

系統軟件采用C語言進行結構化編程，流程圖詳見圖7。系統上電初始化，在駐車狀態下，沒有移動終端中斷信號請求時，執行車窗門鎖信號、人體信號及溫度信號的檢測與判斷，通過三重信號與邏輯判斷減少系統的誤報，提高系統動作的準確率。若車窗門鎖關閉、檢測到人體信號且車內溫度高于設定閾值，聯動車窗降下、門鎖打開、車燈亮閃、喇叭鳴笛動作，同時通過移動通信4G模塊向移動終端發送信息。移動終端安裝有網絡攝像機控制軟件，可以主動或被動發出指令控制車窗、門鎖、車燈、喇叭、攝像機等機構，還可以通過視頻信號以及攝像機內置的拾音器與車內人員進行會話，從而確認車內真實情況，進而根據真實情況采取最有效的營救措施或終止程序。

圖7 系統軟件流程圖

4 測試與結果

系統模擬測試環境為密閉的紙盒，測試情況如表1所示。測試結果說明該系統模擬運行正常，駐車狀態下，車內溫度過高且車內有人員滯留的情況下能準確報警，并能通過4G模組向手機終端發送信息，可有效避免由于兒童滯留車內而受到傷害或引發窒息的悲劇。

表1 測試結果統計表

5 結論

本文設計了一種防兒童車內窒息的系統，系統利用溫度監測模塊和人體紅外探測模塊共同進行車內是否有兒童滯留的情況監測，當該兩個信號并存時，直接聯動車窗下降、車燈亮閃、喇叭鳴笛，進行自救和引起他救，為搶救生命贏得了寶貴的時間。同時系統能夠通過移動通信4G模塊向手機發送報警信息，手機能通過網絡視頻監控器調取車內監控，并能與車內兒童進行語音通話，能實時掌握車內狀況。該系統的優點是系統采用模塊化結構，各監測模塊體積小、連線簡單、便于調試與更換，不需要對車身原有電子線路進行較大改裝；該系統的改進方向是移動通信采用移動流量方案，需要注意流量資費，可考慮使用物聯網解決方案。