基于51單片機(jī)的車內(nèi)滯留兒童監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘? 要：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來越多的家庭擁有了私家車，由于車主一時的疏忽而導(dǎo)致兒童滯留在車內(nèi)的新聞屢有發(fā)生，不但威脅兒童的生命安全，而且會損害兒童的身心健康。文章研究了車內(nèi)滯留兒童監(jiān)測系統(tǒng)的相關(guān)解決方案，在發(fā)現(xiàn)有兒童被鎖在車內(nèi)時，通過控制器進(jìn)行報警，確保車主能夠接收到報警信息，及時解救出滯留兒童。在完成系統(tǒng)設(shè)計之后，經(jīng)調(diào)試與測試，表明其能夠有效地對車內(nèi)報警進(jìn)行傳遞，符合設(shè)定的工作目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：車內(nèi)滯留;兒童;監(jiān)測報警;傳感器;Android;51單片機(jī)

中圖分類號：TP368 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2022）02-0036-07

Abstract： With the rapid development of the economy， more and more families have private cars. It is often reported that children are stranded in cars due to the negligence of the owners， which not only threaten children’s life safety， but also damage children’s physical and mental health. This paper studies the relevant solutions of the monitoring system for detained children in the car. When it is found that children are locked in the car， it will alarm through the controller to ensure that the owner can receive the alarm information and rescue the detained children in time. After completing the design of the system， the debugging and testing show that it can effectively transmit the alarm in the vehicle， which is in line with the set work goal.

Keywords： retention in the car; children; monitoring alarm; sensor; Android; 51 single-chip microcomputer

0? 引? 言

20世紀(jì)末期，改革開放的進(jìn)一步發(fā)展有利推動了整個社會生產(chǎn)力的快速升級，提升了人民的生活質(zhì)量。汽車行業(yè)的快速發(fā)展，在提升人們生活便利性的同時也帶來一些嚴(yán)重的安全隱患，如酒駕、醉駕以及交通事故逃逸等違規(guī)駕駛行為。目前國家相關(guān)交通管理部門對這些行為有著嚴(yán)格的立法與處罰措施，但是其他汽車事故（如車內(nèi)滯留兒童導(dǎo)致的休克與死亡）沒有對應(yīng)的執(zhí)法措施。同時市場上滯留兒童監(jiān)測報警方面的產(chǎn)品也比較少，致使司機(jī)或乘客不小心將兒童鎖在車?yán)铮M(jìn)而對兒童造成致命傷害的事故時有發(fā)生。

市場上，應(yīng)用此類技術(shù)的產(chǎn)品比較少，汽車內(nèi)滯留兒童問題的主要研究方向是對汽車的空調(diào)系統(tǒng)與車窗進(jìn)行控制，如果系統(tǒng)監(jiān)測到車內(nèi)有滯留兒童，會立即開啟通風(fēng)系統(tǒng)使汽車保持通風(fēng)，提升滯留兒童的安全性。隨著汽車智能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，若要在汽車關(guān)閉之后實現(xiàn)車窗、空調(diào)的自動控制變得更加困難。

針對這一現(xiàn)象，本文研發(fā)一款車內(nèi)滯留兒童監(jiān)測系統(tǒng)。當(dāng)有兒童被滯留在車內(nèi)時，系統(tǒng)通過GSM模塊向司乘人員的手機(jī)報警;二氧化碳傳感器和溫度傳感器檢測車內(nèi)環(huán)境，通過藍(lán)牙模塊將相關(guān)檢測數(shù)據(jù)傳遞到司乘人員手機(jī)上進(jìn)行顯示，以此提醒離開汽車的司乘人員，防止意外的發(fā)生。根據(jù)需求進(jìn)行整體架構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)庫存儲設(shè)計等，整個業(yè)務(wù)功能的實現(xiàn)需要經(jīng)過系統(tǒng)測試來驗證，以此確定系統(tǒng)功能設(shè)計是否符合實際需求，最后對車內(nèi)滯留兒童監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)進(jìn)行總結(jié)，明確后續(xù)工作方向。

1? 相關(guān)技術(shù)研究

1.1? 傳感器選擇

在車輛滯留兒童監(jiān)測管理系統(tǒng)的設(shè)計上，本文綜合運(yùn)用多種傳感器，包括紅外傳感器、氧氣傳感器、溫濕度傳感器等。紅外傳感器用于探測車內(nèi)是否有滯留人員并進(jìn)行報警;氧氣傳感器與溫濕度傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測汽車內(nèi)部的參數(shù)信息。其中紅外傳感器實物圖如圖1所示。

目前紅外傳感器廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，包括電梯、燈光、自動門等控制領(lǐng)域，其本身價格低廉。紅外傳感器不產(chǎn)生任何輻射信息，工作穩(wěn)定性強(qiáng)，主要的問題在于容易受到光源及熱源的影響。

1.2? 51單片機(jī)

在整個車內(nèi)滯留兒童監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)之中，控制核心是單片機(jī)，經(jīng)過對市場上單片機(jī)的比較分析，本系統(tǒng)采用的單片機(jī)型號為STM32F405RGT6。自20世紀(jì)90年代以來，單片機(jī)在某一段時間內(nèi)得到了迅速的發(fā)展，助推其在各行各業(yè)的大量應(yīng)用，其總體技術(shù)愈發(fā)成熟，促使技術(shù)人員越來越重視單片機(jī)的研發(fā)工作，提升了智能儀表與自動測量領(lǐng)域應(yīng)用的信息化水平。在國家工業(yè)的快速發(fā)展之中，電子信息工程屬于新興產(chǎn)業(yè)，將單片機(jī)開發(fā)技術(shù)與電子工程的成功融合，推動了單片機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用成果。作為計算機(jī)行業(yè)發(fā)展的重要分支，單片機(jī)的應(yīng)用豐富了電子相關(guān)產(chǎn)品的功能，提升了電子設(shè)備的智能性與創(chuàng)新性，為行業(yè)提供了新的發(fā)展思路。

1.3? Android編程環(huán)境

車內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)主要采用安卓移動端進(jìn)行開發(fā)，此開發(fā)平臺是谷歌公司于2007年在Linux開源操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計而成，詳細(xì)層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2? 系統(tǒng)需求分析

2.1? 需求分析概述

2.1.1? 可行性分析

結(jié)合當(dāng)今技術(shù)進(jìn)行選型分析，可以對整個系統(tǒng)開發(fā)的可行性做出合理的分析，判斷該系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用是否值得投入較大的人力物力。下面將從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、操作方面進(jìn)行可行性分析：

（1）技術(shù)。目前51單片機(jī)及軟件信息化技術(shù)較為成熟，許多技術(shù)都是開源技術(shù)，由此可以推斷車內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)從技術(shù)開發(fā)角度來說完全可行。

（2）經(jīng)濟(jì)。任何系統(tǒng)的研發(fā)都需要考慮投入產(chǎn)出比，從經(jīng)濟(jì)角度分析主要是判斷系統(tǒng)的開發(fā)是否值得付出相應(yīng)的代價。整個系統(tǒng)的開發(fā)采用自己的設(shè)備，沒有額外的開發(fā)成本，從經(jīng)濟(jì)方面考量完全可行。

（3）操作。隨著移動終端與信息系統(tǒng)的普及，車內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)的操作可以達(dá)到預(yù)期的設(shè)計目的。綜上，從多種維度來看車內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)完全可行。

2.1.2? 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

本系統(tǒng)主要應(yīng)用于汽車內(nèi)部場景，前端負(fù)責(zé)對所處環(huán)境的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)杰浖脚_，流程圖如圖3所示。

從圖3中可以看出，車內(nèi)滯留兒童監(jiān)測系統(tǒng)中，用戶可通過軟件平臺查詢到前端物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)信息，并對所采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲。

2.2? 系統(tǒng)功能需求分析

對車內(nèi)滯留兒童監(jiān)測系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)來源主要是前端傳感器采集的數(shù)據(jù)信息，通過相關(guān)協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)信息，最后在軟件平臺中予以顯示。

系統(tǒng)總體業(yè)務(wù)功能模塊的詳細(xì)操作用例如圖4所示。

從圖4中可以看出，系統(tǒng)的主要功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸與平臺顯示：

（1）數(shù)據(jù)采集。通過傳感器采集汽車內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息，對所采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析并傳輸?shù)杰浖脚_。

（2）數(shù)據(jù)傳輸。通過藍(lán)牙和GSM完成數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)慕M建與溫度數(shù)據(jù)信息的物聯(lián)網(wǎng)傳輸。

（3）平臺顯示。平臺顯示接收到的數(shù)據(jù)信息，有異常之后進(jìn)行報警，方便用戶及時了解前端的數(shù)據(jù)信息。

2.3? 系統(tǒng)非功能需求分析

在本章的敘述中，首先對系統(tǒng)功能需求做了論述，后面則根據(jù)這些需求進(jìn)行相關(guān)功能的開發(fā)，從而明確整個系統(tǒng)的性能指標(biāo)。主要包括系統(tǒng)響應(yīng)時間、系統(tǒng)可靠性及并發(fā)性等：

（1）系統(tǒng)響應(yīng)時間。用戶登錄系統(tǒng)后，根據(jù)自身需要選擇對應(yīng)的功能菜單，系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯程序響應(yīng)之后將處理結(jié)果反饋給功能。如果系統(tǒng)的響應(yīng)時間較長，必然會降低系統(tǒng)的時效性，因此系統(tǒng)的響應(yīng)時間不應(yīng)超過4 s，否則會影響整個系統(tǒng)使用的友好性。

（2）系統(tǒng)可靠性。在非功能需求的指標(biāo)之中，系統(tǒng)可靠性是關(guān)鍵的內(nèi)容，反映整個系統(tǒng)能否達(dá)到安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求，車內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的要求是不出現(xiàn)故障的時間達(dá)到一星期以上。

3? 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1? 系統(tǒng)總體設(shè)計

隨著技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)作為全新的信息獲取與處理途徑，被引入車內(nèi)滯留兒童監(jiān)測系統(tǒng)的研究之中，方便傳感器的部署，主要包括傳感節(jié)點與普通節(jié)點兩個部分，這些節(jié)點通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連接起來。

在車內(nèi)滯留兒童監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計中，物聯(lián)網(wǎng)采集的紅外數(shù)據(jù)、溫濕度數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)狡脚_。系統(tǒng)平臺的具體設(shè)計過程需要遵循信息化的開發(fā)規(guī)律，采用三層架構(gòu)的方式完成數(shù)據(jù)采集、傳輸及平臺顯示等功能，具體的架構(gòu)設(shè)計如圖5所示。

從圖5中可以看出，平臺顯示層的設(shè)計主要面向用戶，這一層的設(shè)計原則是保證用戶操作時的方便適用，可以查看接收到的溫濕度數(shù)據(jù)及報警數(shù)據(jù)信息;傳輸層的主要任務(wù)是將所采集的溫濕度物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)絡(luò)或者藍(lán)牙進(jìn)行傳輸，系統(tǒng)應(yīng)確保數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)目煽啃?采集層將傳感器STM32F405RGT6作為主控芯片，以溫濕度傳感器DHT11作為輸入信號，對數(shù)據(jù)處理結(jié)果通過LCD1602予以顯示，以此完成溫濕度數(shù)據(jù)信息的采集。詳細(xì)的功能設(shè)計如圖6所示，系統(tǒng)的整體設(shè)計，主要包括物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息的采集與傳輸以及平臺顯示兩個部分：

（1）物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息的采集與傳輸。每一個物聯(lián)網(wǎng)終端及時采集溫濕度數(shù)據(jù)，之后根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議對各類傳感器采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸（通過各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，即通過GSM網(wǎng)絡(luò)或藍(lán)牙實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸）。

（2）平臺顯示。用戶可在頁面中瀏覽溫濕度數(shù)據(jù)信息及報警數(shù)據(jù)信息。

3.2? 各個模塊設(shè)計與實現(xiàn)

3.2.1? 傳感器模塊

車內(nèi)滯留兒童監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計為采用多種傳感器，其中紅外傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測車座前后排是否有人。紅外傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)連接圖如圖7、圖8所示。

紅外線傳感器采集的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過信號放大、電壓比較、延時電路等處理之后進(jìn)行音響報警操作。整個紅外報警器的組成框圖如圖9所示。

對于車內(nèi)滯留兒童監(jiān)測系統(tǒng)，除了紅外傳感器之外，溫濕度傳感器也是常用的傳感器，主要用于對車內(nèi)的溫濕度進(jìn)行監(jiān)測。溫濕度傳感器工作框圖如圖10所示。

在滯留兒童監(jiān)測系統(tǒng)的整個設(shè)計中，所采用的51單片機(jī)是STC系列的單片機(jī)，由美國的STC公司生產(chǎn)。該系列單片機(jī)包括A＼D處理、存儲器、PVM、URAT等模塊，能夠完全兼容于普通的51單片機(jī)，具體參數(shù)及功能為：

（1）中斷源數(shù)量為8，工作電壓范圍為3.8～5.5 V。

（2）封裝采用44腳的PQFP、40腳的PDIP等方式。

（3）計數(shù)器與定時器16位數(shù)量為3，URAT數(shù)量為1，其通用的IO口數(shù)量為32或36。

（4）RAM為512 B，工作頻率范圍為0～40 MHZ，不需要專用的仿真器與編程器，STC89C5xRC對應(yīng)Flash的空間為4 KB＼8 KB＼15 KB。

（5）機(jī)器周期普通型時鐘數(shù)量為12，增強(qiáng)型時鐘數(shù)量為6，其內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)的51內(nèi)核。89c51單片機(jī)引腳如圖11所示。

有源蜂鳴器的驅(qū)動電路如圖12所示。

3.2.2? 控制器模塊

3.2.2.1? 單片機(jī)最小運(yùn)行系統(tǒng)

通過STM32F405RGT6單片機(jī)能組成整個單片機(jī)的運(yùn)行環(huán)境，包括復(fù)位電路與時鐘，從而可滿足單片機(jī)的正常工作，控制電路如圖13所示。

3.2.2.2? 復(fù)位電路

復(fù)位電路如圖14所示，其主要工作模式有開關(guān)復(fù)位及通電自動復(fù)位兩種。在電路充電瞬間，電容負(fù)極與復(fù)位鍵進(jìn)行連接，此時電容電壓不會突變，若電阻上被施加電壓，則芯片會進(jìn)行復(fù)位操作，電容器逐步充電，使電阻器上的電壓逐步降為0。

3.2.2.3? 時鐘電路

時鐘電路如圖15所示，通過內(nèi)部時鐘產(chǎn)生相關(guān)時鐘信號。XTAL1引腳與XTAL2引腳作為89c51內(nèi)部放大器的輸入引腳與輸出引腳，能夠共同構(gòu)成自激振蕩器，分別與電容器和晶體振蕩器相連接。

3.2.2.4? LCD1602液晶顯示電路

系統(tǒng)采用直接連接方式進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)與命令信息寫入LCD1602，此時r/w、3根控制線、RS以及8根數(shù)據(jù)線能夠正常工作。如果將r/w讀寫通過控制終端進(jìn)行接地操作，則可以將數(shù)據(jù)線降為7根。液晶對比度的功能主要通過Vo引腳實現(xiàn)，對比度通過10 k電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可以通過適當(dāng)?shù)碾娮柽M(jìn)行調(diào)節(jié)，但是電阻的大小應(yīng)通過調(diào)試來確定。LCD1602與單片機(jī)的連接電路如圖16所示。

3.2.3? 藍(lán)牙模塊

在物聯(lián)網(wǎng)采集與傳輸中，前端設(shè)備是其重要組成部分，主要完成溫濕度、紅外等不同數(shù)據(jù)信息的實時采集。這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過GSM與藍(lán)牙模塊實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息的傳輸通信。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備組成如圖17所示。

從圖17中可以看出，整個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的硬件構(gòu)建包括多個模塊，核心數(shù)據(jù)信息的采集是通過各類傳感器（如紅外傳感器、溫濕度傳感器等）實現(xiàn)的。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及時感知各類實時數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)傳輸通過GSM或藍(lán)牙模塊進(jìn)行。

主要通過紅外傳感器來監(jiān)測是否有兒童滯留在車內(nèi)并進(jìn)行相應(yīng)的報警操作，在汽車內(nèi)部部署兩個紅外傳感器，分別部署在汽車的前部與后部，對前后排是否有人進(jìn)行監(jiān)測。如果監(jiān)測到后排有信號而前排沒有監(jiān)測到信號，判斷出車內(nèi)有滯留兒童存在，此時系統(tǒng)的邏輯程序會觸發(fā)GSM進(jìn)行短信的發(fā)送與報警操作。此外，系統(tǒng)還能夠通過氧氣傳感器、溫濕度傳感器對車內(nèi)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。

3.2.4? GSM模塊

GSM模塊采用目前流行的西門子TC35i模塊，保證功能的穩(wěn)定性。整個系統(tǒng)中單片機(jī)判斷檢測部分發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的操作，比如讓揚(yáng)聲器發(fā)聲，讓GSM模塊發(fā)送短信等，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的預(yù)設(shè)功能。

單片機(jī)通過串行異步通信接口實現(xiàn)與GSM模塊的通信，以此確保整個系統(tǒng)的通信正常，具體如圖18所示。

3.2.5? 平臺顯示功能實現(xiàn)

程序主要實現(xiàn)的功能：啟動ADC0809進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的氧氣濃度值顯示在液晶顯示器上，濃度超過設(shè)定值時開始報警，其流程圖如圖19所示。

可以通過藍(lán)牙或GSM模塊將所采集的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)揭苿佣耍帉懙腁ndroid程序負(fù)責(zé)對此部分?jǐn)?shù)據(jù)信息的接收，具體實現(xiàn)流程如圖20所示。

物聯(lián)網(wǎng)平臺中，平臺主要提供溫度數(shù)據(jù)信息瀏覽、平臺報警以及報警數(shù)據(jù)信息查看等功能，具體流程如圖21所示。

日常對連入系統(tǒng)的溫度傳感器與紅外傳感器設(shè)備進(jìn)行管理，系統(tǒng)控制器對傳感器采集的信號進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測時如發(fā)生異常，控制器會產(chǎn)生報警信號并觸發(fā)GSM模塊，將此報警信息發(fā)送給司乘人員。

4? 系統(tǒng)調(diào)試

4.1? 硬件調(diào)試

硬件調(diào)試的第一步是檢查電路，首先檢查整個電路圖是否正確，其次是對所有接線的準(zhǔn)確性進(jìn)行詳細(xì)檢查。第二步是對電路進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試，對電流與電壓進(jìn)行測量（此時不需要任何信號的輸入）。相較于電流測量，電壓測量非常簡便。第三步是對電路進(jìn)行動態(tài)調(diào)試，主要目標(biāo)是對輸出信號進(jìn)行觀察，以此判斷是否滿足整個硬件需要。此時需要對電感器與電容器等相關(guān)交流元件的幅值、波形與頻率進(jìn)行觀測分析，所有輸入信號都應(yīng)進(jìn)行輸出。

4.2? 軟件調(diào)試

需要借助于專門的計算機(jī)軟件來進(jìn)行單片機(jī)程序的軟件測試，需要對單片機(jī)的資源進(jìn)行虛擬，通過向模擬的單片機(jī)發(fā)送指令來完成操作。整個測試過程并不是很順利，主要原因是此單片機(jī)的指令不能有效執(zhí)行。測試軟件可以對小型、源代碼數(shù)量不多的工程進(jìn)行較好的調(diào)試，如果程序代碼達(dá)到幾十萬行，測試軟件的調(diào)試效果則需要進(jìn)行評估。

5? 結(jié)? 論

綜上所述，對于車內(nèi)滯留兒童監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，核心工作是確定系統(tǒng)需求，后續(xù)的設(shè)計、實現(xiàn)與測試工作都是圍繞著此需求展開的。若要在此系統(tǒng)的實現(xiàn)中對確定的功能進(jìn)行變更，則需要技術(shù)人員對此變更的功能進(jìn)行分析與評審，順利完成整個系統(tǒng)的開發(fā)工作。此外，還要對系統(tǒng)的運(yùn)行安全進(jìn)行監(jiān)測，判斷整個運(yùn)行期間系統(tǒng)是否穩(wěn)定運(yùn)行，及時處理出現(xiàn)的安全問題，并結(jié)合實際使用情況加強(qiáng)相關(guān)的安全保護(hù)措施，最大限度地保障車內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)程序與數(shù)據(jù)信息的安全性。

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作者簡介：張嵐（1987—），女，漢族，陜西岐山人，講師，碩士 ，研究方向：電子工程、電子技術(shù)。