關于車載安全裝置的構思與設計
——防車輛滯留人員窒息的安全裝置

鐘唯威，金昱，梁文熙，吳開榮，李俊斌

（北京師范大學 珠海分校，廣東珠海， 519000）

0 引言

汽車的普及給絕大多數人的生活都帶來了便利，但也不時會在新聞報道中看到車內滯留人員窒息的悲劇，其中受害群體大部分是兒童。而對大眾的調查中，有26.63%[1]的家長曾有過把孩子單獨留在車內的經歷。兒童相對于成年人，自救能力有限，最終釀成悲劇。本文針對該現象提供一種解決思路及設備。主要是利用微波雷達及OBD端口等技術進行設計。下文將就裝置本身的作用和使用場景進行簡要分析，后提供相應的設計思路，結合軟、硬件部分作一個介紹，探討本思路和裝置的可行性和準確性。

1 裝置概述

裝置的外形呈長方體，體積偏小，避免給駕駛員的視線帶來干擾。此產品主要由頂部的太陽能板供電，遇到陰雨天也可以直接連接車內USB接口充電。產品底座采用橡膠材料，防止產品因為剎車而掉落。使用者可將它放在車內前窗中間位置，該產品大部分的模塊都安裝在一個主機上，使用者操作方便，僅需自己安裝OBD分機，操作簡明易上手。檢驗車內是否有人利用的是微波雷達感應模塊，此模塊受環境影響小，且測量角度大，可以實現無死角的檢測。在車門關閉后，若五分鐘之內車門沒有再被打開，且微波感應模塊檢測到有人后，開始實時記錄車內二氧化碳的含量及溫濕度的變化情況，并顯示到顯示屏上。當檢測到二氧化碳濃度過高或車內溫度過高時，產品通過GSM通信給緊急聯系人發短信提示，同時利用OBD技術控制車窗下降，蜂鳴器開始報警，引起周圍人的關注，也可以使車內的人及時向外人呼救。達到自救及被救的效果，讓整個救人過程的效率提高，減少不必要的悲劇的發生。擁有三重保障，在檢測到二氧化碳濃度臨近危險值或車內溫度過高時，有三種方式救人：發信息給緊急聯系人（家人救）、窗戶自動降落（自救）、蜂鳴器報警（路人救），爭取用最短的時間達到救人的最高效率。

2 裝置的應用場景分析

在車門車窗關閉的環境下，車內有效空氣無法循環，二氧化碳含量隨著耗氧量的增加而增多，若意外將兒童滯留在車內，高溫將使兒童代謝速度加快，耗氧量與二氧化碳濃度都隨時間急速上升，當密閉車內二氧化碳達到一定濃度時，人體將受到重大損害。

同時，酗酒后的成年人也是主要的受害群體之一。在快節奏多應酬的都市生活下，不少成年人會在酗酒后前往車內休息，由于酒精作用，即便是成年人也難以在短時間內缺氧情況下找到車輛鑰匙降下車窗通風透氣。目前市面上檢測空氣中各類參數的儀器很多，但也只是停留在測二氧化碳濃度、PM2.5等指數上，缺乏可以在檢測這些參數的同時真正去實現“救人”這一環節。在汽車普及到每個家庭，越來越走進人們的生活當中時，在車輛上額外安裝一個車載安全裝置顯得意義重大。

3 硬件設計

■3.1 整體設計

本裝置模型外觀大小為160mm×112mm×45mm，材質為耐熱塑料，頂部利用太陽能板給內部電池充電，正面左側為OLED顯示屏顯示溫濕度和二氧化碳濃度，正面右側為點陣屏，提供實時時鐘顯示。底部為防滑橡膠。

圖1 產品整體模型

各個傳感器封裝在盒子里，其中電池為實時時鐘供電，微波傳感器探頭放置在點陣和OLED屏幕之間，實時傳輸相關數據給單片機，從而完成程序設置的動作。

■3.2 硬件各系統控制

本產品運用多項智能感應技術，控制系統由微波人體檢測感應系統、二氧化碳檢測系統、溫濕度監測系統、蜂鳴器、GSM通訊系統、單片機應用系統、點陣屏顯示、OLED顯示系統、無線通訊等多部分組成。

在電路設計方面，本產品由AVR單片機ATMEGA328P作為主控。MH-Z19E二氧化碳傳感器使用異步串口UART協議與主控通訊，該傳感器利用非色散紅外對空氣中二氧化碳濃度進行檢測，能得到精度較高的二氧化碳濃度測量值。OLED顯示器使用I2C協議與主控通訊，因I2C為總線通訊協議，因此能同時掛載多個I2C地址不一樣的設備。本產品使用的溫濕度傳感器、OLED顯示器均使用I2C通訊協議。用于發送短信的GSM使用軟件異步串口與主控通訊，在無需發送信息時進入休眠模式減少電池電量的損耗。

本產品由外接電源以及18650鋰電池供電，因此需要電源管理系統。使用SY7088 DC/DC升壓管理芯片對鋰電池電壓3~4.2V進行升壓，獲取穩定的5V電源。鋰電池保護電路使用精工S-8261芯片進行設計。鋰電池充電電路使用TI的BQ21040充電管理芯片進行設計，設計充電電流的500mA，充電截止電壓為4.2V。

3.2.1 微波人體感應系統

圖2 主機原理圖

圖3 PCB

人體智能微波雷達感應開關模塊，是小型化5.8G 雷達人體傳感器，外圍搭配小型化平面天線，在保證傳感器性能的同時大大減小了整體尺寸。該傳感器可用于檢測人體存在或移動目標感應的各種場景。與使用熱釋電紅外檢測的不同，微波可以檢測人體存在或移動目標感應的各種場景，該模塊靈敏度高，感應距離遠，感應角度大，供應電壓范圍寬，基本上車內每個角落都可以檢測到。且該模塊可以穿透玻璃，座椅和薄木板，也不受溫度、灰塵、風力等外界因素的影響。搭配433MHz無線透傳模塊，在433MHz應用環境下，靈敏度可以達到-107dBm,同樣的高集成度高頻信號接收功能全部集成于片內以達到用最少的外圍器件和最低的成本獲得最可靠的接收效果。此模塊受環境影響小，且測量角度大，可以實現無死角的檢測，檢測到有人才會運行下一步程序。

3.2.2 二氧化碳檢測系統、溫濕度監測系統

采用MH-Z19E二氧化碳傳感器，通過標準UART數字接口通訊，二氧化碳濃度量程為400ppm~5000ppm，分辨率為1ppm。采用SHT30溫濕度傳感器能使用不同引腳讀取溫濕度值。該傳感器IIC總線通訊，最低功耗僅為4.8μW，電源供電范圍2.4~5.5V，s濕度測量范圍0~100%，溫度測量范圍-40℃~125℃。這也是本裝置采納上述傳感器的重要依據。當二氧化碳含量接近危險值或者溫度過高時將報警啟動救人模式。

3.2.3 蜂鳴器

當啟動救人模式時，車窗降落的同時車內蜂鳴器會開始報警，發出較大音量的聲音，從而引起路人的注意，到達被救援目的。

3.2.4 GSM通訊系統

采用SIM800C是四頻的GSM/GPRS模塊。其性能穩定[2]，外觀小巧，性價比高，工作頻率有四個擋位850/900/1800/1900MHz，信號覆蓋范圍較廣，同時可以實現低功耗的語音、 SMS和數據信息的傳輸，能適用于本裝置設計需求。用于把短信發送給事先錄入系統的緊急聯系人手機內。在車內有滯留人員的情況下，發生熱窒息的救援動作時，GSM通訊系統遠程給緊急聯系人報警，提醒聯系人有可能發生車內熱窒息事件。

3.2.5 顯示系統

采用點陣屏和OLED兩種顯示模式，讓使用者在視覺上有更好地享受，顯示屏上實時顯示二氧化碳濃度、溫度、濕度及時鐘。DS1341/DS1342是低電流實時時鐘(RTC)，具有極低的待機電流，在電池供電時具有較長的使用壽命，能夠持續計時。且電源電壓低至+1.15V時仍可維持計時，其總線超時支持無閉鎖工作，外部時鐘源用于參考時鐘同步，兩個定時鬧鐘，帶兩路中斷輸出。

3.2.6 無線通訊

主機部分與OBD分機完全采用無線通訊的模式，即藍牙通信模塊，減少車內走線且零件體積小，美觀且整潔。

4 軟件設計

本產品的軟件設計是基于ATMEGA328p單片機進行的。系統采用ATMEGA328p作為主控單元，產品中內置了溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器和實時時鐘，以及安全裝置—人體智能微波雷達感應模塊。各硬件部分搭配軟件邏輯協同工作。

微波人體檢測感應系統：系統通過串口連接的24GHz微波雷達能探測出車內是否有人員存在。微波雷達不斷循環掃描檢測與人體相近的波段，包括呼吸波段，微動波段和移動波段經由內部電路濾波后輸入單片機，由單片機與設定波段對比進行人員是否存在邏輯判斷，若進入設定區間，觸發后單片機置位。

二氧化碳檢測系統、溫濕度監測系統：這兩個系統工作原理類似且硬件已整合在一起故作合并介紹。單片機ATMEGA328p通過UART串口通信獲取當前二氧化碳傳感器MH-Z19E測量的二氧化碳濃度以及溫度和濕度。由單片機進行當前值是否超過設定閾值的判斷，溫度、二氧化碳濃度及濕度任一超過閾值都可配合人體存在程序進入緊急狀態，若超過則認定為緊急情況進行下一步操作。這兩個的系統與微波人體檢測感應系統一樣處于不間斷的循環檢測。在人體不存在的情況下也工作但不會進入緊急狀態，超過閾值時僅利用GSM提供短信提示。

蜂鳴器、GSM通訊系統、無線通訊：在緊急情況下，利用單片機可做出一系列的救援動作，首先通過OBD通訊配合藍牙控制車輛升降窗系統實現降窗通風、由于OBD接口是車輛內置接口，通過該接口不但能夠讀取車輛內置信息，還可以對車輛進行非核心功能的操作，本裝置僅需升降窗功能即可。其次，通過單片機控制的GSM模塊利用內置的SIM卡進行短信通知車主，另外通過含放大電路的蜂鳴器發出警報引起路人注意并前來營救，達到救人的目的。這里采用無源蜂鳴器可以結合程序設置出長3s，短1s的特殊警報聲。

單片機應用系統：系統通過獲取的二氧化碳濃度、溫度、濕度以及結合微波雷達獲取的車內實際人員情況判斷當前是否有人困在車內，當數據超過閾值時系統識別當前為緊急情況。單片機作為信息處理的“大腦”，集成了多輸入/輸出的數模接口。主程序一經寫入即可開始工作，該系統可由USB或電池組供電。

圖4 軟件主流程圖

圖5 顯示屏流程圖

點陣屏顯示、OLED顯示系統：ATMEGA328p通過IIC總線通訊將實時的CO2濃度和溫度信息反饋在OLED顯示器中做到一目了然。OLED顯示系統可利用arduino編寫一個顯示函數，讀取特定接口的輸入量，這里選擇讀取二氧化碳檢測系統、溫濕度監測系統所得數據并設置輸出對應的字樣，保證數據與輸出字樣單位對應。點陣屏通過信號轉換與內部時鐘保持一致顯示時間。在軟件部分設置上這兩個系統是不間斷工作，但在硬件電路上可以通過手動關斷和接通電源實現系統的關閉和工作。內部時鐘可以保證在重新啟動硬件電路時這兩個系統的時間可以與內部時鐘保持一致，內部時鐘為低功耗不間斷元件。另外如有需要可以設置低電量模式下這兩個系統關斷，以保障系統重要部分的正常工作。

5 結語

目前市場上存在許多車輛OBD升降窗裝置，已經是成熟的產業鏈，但是其作用僅是幫助車主在忘記關窗時進行關窗。將升降窗功能應用到防人員窒息等安全領域幾乎是空白。同時，將多傳感器與OBD協同工作控制車輛部分功能的原理，未來也將成為一種趨勢。在多傳感器的高效配合下，通過單片機對數據的處理，讓車主對車內的一些參數了如指掌，對于自己的車輛有更清晰的認識。未來的OBD將會作為車載產品內標準配置項，必將為我國的車聯網落地做出最佳的貢獻[3]。