太陽能車載乘客監測與報警系統開發

楊均悅,楊藝璇,袁喆

(1.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028；2.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)①

據公安部統計，2019年全國機動車保有量達3.48億輛，汽車保有量達2.6億輛，小型載客汽車保有量達2.2億輛，其中，私家車(私人小微型載客汽車)保有量達2.07億輛；機動車駕駛人達4.35億人，其中汽車駕駛人3.97億人.機動車及駕駛人數量迅速增長，給人們生活帶來便捷的同時，也帶來不容忽視的行車安全隱患.在各類行車事故的報道里，多起事故是因為車主將寵物或兒童遺忘在車內導致悲劇發生，其中不僅有私家車，校車也有發生過這樣的事故.很多人對夏天封閉車內的高溫危險并不清楚，尤其是兒童的身體狀況對這樣的高溫更是難以抵抗，在同樣的溫度情況下，兒童面臨的危險要遠遠高于成年人.研究發現，在外界溫度達到35℃時，封閉的汽車內溫度將迅速升高，十幾分鐘后車內的溫度就會達到65℃，而人在這樣的溫度下，30 min就會失去生命.

因此,本文提出一種太陽能車載乘客監測與報警系統，其能有效感應車內是否有生命體存在以及車內溫度，發出報警信號，并采取降溫措施，避免事故發生.同事太陽能的蓄電方式，更加清潔環保，為城市環境減少一份負擔，保障行車安全的同時，還有很好的市場推廣價值.

1 系統功能要求

設計的總體思路是系統可以在危險情況發生時做出報警提示功能，報警功能要求有兩個方面：一是要讓離開的駕駛員得到報警信號，二是讓行人得知報警信息.據此可設計出如圖1所示的系統功能要求.

圖1 系統總體框圖

如圖1所示，系統功能運行過程為，通過人體傳感器，分別檢測車內駕駛位與乘客位的人體信號：若駕駛位無人而乘客位有人時，進入一級報警狀態，向駕駛員手機發送報警信號，提醒駕駛員返回，同時檢測車內溫度；若車內溫度達到40℃以上，則進入二級報警狀態， 啟動聲光報警系統， 報警燈閃爍并發出蜂鳴聲，提醒路過行人，同時啟動應急風扇，進行暫時的物理降溫，給救援爭取時間.系統的功能流程圖如圖2所示.

圖2 系統的功能流程圖

2 系統硬件組成

系統的硬件組成主要由輸入模塊與輸出模塊兩大部分構成，其中輸入模塊包括：電源電路、晶振復位模塊、人體感應模塊、溫度感應模塊、按鍵模塊；輸出模塊包括指示燈模塊、數碼管顯示模塊、風扇電機模塊、報警模塊，以及無線接收模塊.系統硬件總體框圖如圖3所示.

圖3 系統總體框圖

(1)太陽能電壓源

系統的供電模塊采用DC12V太陽能電壓源，并為單片機、傳感器等其他元器件進行供電，不依賴與車內電源系統，搭配電池可以實現充電功能.

(2)單片機控制器

單片機的選擇，首先考慮要滿足系統功能控制需求，I/O口的數量要有足夠裕量；其次，溫控風扇電機部分的方式是通過PWM來控制電機轉速，由于PWM是通過調節占空比來改變電機兩端的電壓從而實現調速目的，所以選擇的單片機要有計數器和定時器的功能[1].考慮系統使用過程中可能出現的突發情況，單片機要具備中斷的功能.該系統是車載設備，在成本上要盡量控制，價格方面選擇滿足功能要求的低價產品.在使用操作上，如STM32單片機是32位的嵌入式單片機，本系統的功能要求比較簡單，不需要使用編程復雜的單片機，會增加編程難度.STC89C52單片機足夠滿足該系統的設計需求，且編程容易.綜合以上整體考慮因素，選擇了價格便宜、有定時中斷功能、編程簡單容易的89C52單片機作為系統的主控制器[2].

(3)人體感應模塊

本系統選用HC-SR501紅外技術自動控制模塊進行人體感應，感應模塊的探頭采用LHI778 的探頭設計，是德國設計技術，HC-SR501在探測時感應靈敏，在很低的電壓模式下依然可以進行探測，是可靠的人體探測傳感器，在很多自動化的電氣設備里被選擇使用[3-4].直流工作電壓范圍在4.5～20 V之間的直流電壓，輸出方式為高電平3.3 V或者低電平0 V，滿足整體電路的電壓需求.通過感應透鏡擴大感應范圍，感應角度小于100°錐角，覆蓋后座乘客范圍.采用兩個HC-SR501感應模塊，分別感應駕駛員和乘客，通過單片機判斷兩個輸入信號的情況，發出報警信號[5].

(4)溫度感應模塊

在太陽能車載乘客監測與報警系統中，溫度感應模塊選用了DS18B20，它是一款單線溫度傳感器，傳感器探測到環境溫度后，可以把探測到的信號轉化為數字信號送微處理器進行處理，在單片機到溫度傳感器的數據傳輸上，只通過一個接口就可以完成[6].該傳感器在測量范圍上是完全滿足太陽能車載乘客監測與報警系統的要求，范圍可以達到-55～+125℃，精度也足夠，DS18B20在-10～+85℃時精度可以達到±0.5℃.

(5)風扇電機模塊

風扇電機模塊的主要功能是實現無駕駛員，車內鎖有乘客的情況下，啟動直流風扇電機，給乘客一個保護的作用，為救援贏得時間.在風扇控制部分設計了兩個擋位，根據溫度傳感器測到的溫度值，自動調整風扇風力大小.直流電機風扇部分選擇使用PWM來控制電機驅動電路，單片機輸出信號后，經過三極管電路進行電機驅動，控制實現大小不同的轉速[7-8].

(6)報警模塊

報警模塊采用報警燈和報警器兩種報警器件，其作用為在人體感應傳感器檢測到駕駛位無人，乘客位有人，且溫度達到一定數值時的情況下，報警燈進行閃爍報警，報警蜂鳴器發出求救聲響.這樣的功能設計是為了防止駕駛員有特殊情況需要暫時離開駕駛座，報警系統如果發出警報聲光，會影響到周圍環境，此時只啟動一級報警，給駕駛員發送消息；只有當車內溫度達到設定值時，該溫度是人體不適溫度，確認危險發生，啟動第二級報警系統，報警燈蜂鳴器開始響應.

(7)無線通信模塊

本系統的無線通信模塊主要實現在檢測到駕駛員位無人、車內有乘客的情況下，給駕駛員手機發送報警信息，提醒駕駛員危險情況，及時避免事故發生.本系統選用了ESP8266無線串口模塊.ESP8266無線串口模塊有著低功耗、通訊距離遠、體積小巧、價格低廉等優勢，該模塊支持標準的 IEEE802.11b/g/n協議，完整的TCP/IP 協議.模塊的工作電壓是3.3V，在供電上單片機的電壓可以滿足該模塊供電需求.跨陣M4物聯模塊搭載ESP無線傳輸模塊，可以進行遠程系統開關控制，也可以實現手機短信報警發送的功能.

3 微型處理器軟件代碼設計

(1)主函數設計

在主函數里設定了溫度的上下限值，該值控制風扇兩個擋位.接著調用定時器初始化程序，打開總中斷，定時器0的工作方式為方式1，打開定時器0中斷，允許定時器0定時.然后調用延時函數，延時20 s.初始化單片機的I/O口為高電平，進入while(1)循環，循環體里調用紅外報警函數，運行后續代碼功能.主函數流程圖如圖4所示.

圖4 主函數流程圖

(2)人體感應報警函數設計

人體感應由兩個人體紅外傳感器HC-SR501進行檢測，分別連接單片機P1.1和P1.2的兩個I/O口，其中P1.1對應乘客位，P1.2對應駕駛員位.從主程序進入紅外報警函數后，對P1.1和P1.2兩個I/O口接收到的信號進行判斷，當P1.1口的信號為高電平，即有信號，P1.2口接收到的信號為低電平時，即無信號，啟動報警模式，無線通信模塊接口由低電平轉換為高電平，向駕駛員手機發送報警信息.人體感應報警函數圖如圖5所示.

圖5 人體感應報警函數圖

(3)APP控制端軟件代碼設計

上位機的控制端界面主要實現系統運行的提示、報警燈的提示、短信下發的任務設置.上位機的控制端使用物聯模塊“跨陣M4”平臺，在物聯平臺基礎上進行二次開發設計，優化界面.控制端使用JavaScript語言進行開發，選擇了WebStorm編輯器.

4 仿真與實驗分析

利用Keil軟件進行電路功能運行測試，系統的單片機最小系統、人體紅外傳感器、溫度傳感器、電機風扇、數碼管顯示電路、報警電路都在仿真軟件上設計出來，單片機代碼加載后測試.仿真電路圖如圖6所示.

圖6 仿真電路圖

通過系統仿真，檢測所設計線路的可行性，并以此為基礎設計硬件電路板. 電 路 板 設計尺寸為18 cm×10 cm.再根據前文所述,試驗裝置研制如圖7所示,將系統集成于該裝置內.

圖7 系統集成裝置

進行人體檢測功能，將試驗裝置放置于人體不同距離處，人體紅外傳感器X1是探測乘客的傳感器，探測位置調整到2 m范圍內，傳感器X2是探測駕駛員的傳感器，調整探測距離為0.5 m內.為驗證系統穩定性，對兩個傳感器有人狀態下分別測試其輸出電壓信號、延時時間，以及探測距離，并做數據記錄，由于測量條件等因素影響，電壓的測量精度可達到0.01 V，時間的精度達到1 s，感應距離的精度達到0.05 m.

利用人工熱源在系統溫度模塊附件加熱，檢測不同溫度下，人體處在人體紅外傳感器區內的不同檢測效果，如圖8所示.圖8 (a) 為 溫度 10℃左右，無人狀態的手機APP接收信號界面.圖8(b)為溫度40℃以上有人狀態.

圖8 手機報警接收界面

經測試，開始報警至手機app接收報警信號，延時時間為40～50 s之間，滿足救援時間.

5 結論

本文提出的太陽能車載乘客監測與報警系統以STC89C52單片機為主控核心，通過構建合理的控制系統與軟件編程，設計并實現了一種實用型簡易車載監測與報警裝置.其中HC-SR501紅外傳感器的選用大大減少了汽車空間的使用率，使系統的整體體積更小.溫度傳感器DS18B20集成度高，單總線編程，減少了系統電路的復雜程度.報警模式準確.有電機風扇防護措施的設計，為救援爭取時間.并經過目多次檢測，檢測結果表明，該裝置工作性能穩定、準確率高、報警時間短.