基于超聲波和車聯(lián)網融合的車內兒童遺落智能預警系統(tǒng)

梁成成 杜嘉偉 李陽 宋勃冉

摘要：針對兒童滯留在密閉的乘用車內導致窒息或熱射病等生命安全問題，文章融合超聲波檢測與車聯(lián)網操作平臺，研發(fā)車內兒童遺落智能預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由超聲波探頭、兒童遺落檢測模塊、車聯(lián)網T-BOX及車聯(lián)網服務云平臺組成，對鎖車后車內是否有兒童遺落進行智能監(jiān)控，發(fā)現危險時能夠及時實現自動預警和自適應聯(lián)動處理，在第一時間救助被困兒童，避免發(fā)生意外，從而保證乘車兒童的人身安全。除此之外，該系統(tǒng)還具有車輛異動報警功能。該系統(tǒng)是一款安全、可靠、實用、性價比高的車載主動安全產品，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：乘用車；超聲波檢測；車聯(lián)網；智能預警；安全

中圖分類號：U495? ? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）02-0026-04

0 引言

在過去的幾年中，全球至少有300名兒童被父母有意或者無意單獨留在車內而導致死亡。為了避免此類事件發(fā)生，人們研發(fā)了車內兒童檢測預警裝置，目前市場上存在不同類型的檢測預警裝置，例如在車內座椅上加裝傳感器、在車內加裝可見光攝像頭及毫米波雷達等［1］。通過對比發(fā)現，這些檢測預警裝置存在可靠性低、通用性差、技術不成熟、監(jiān)測方式單一及普及率低等問題。為彌補以上產品的部分不足，并結合市場需求和相關法規(guī)要求，本文研發(fā)了一款基于超聲波和車聯(lián)網融合的車內兒童遺落智能預警系統(tǒng)，該系統(tǒng)既能實時監(jiān)測車內兒童或者寵物的活動，對兒童或者寵物遺落車內進行預警和干預，保證其生命安全；還具有車輛入侵檢測報警功能，能在一定程度上保證車輛及車內財產安全。

1 系統(tǒng)組成

車內兒童遺落智能預警系統(tǒng)由車載端、數據傳輸端和家長端組成。車載端主要包括車內兒童遺落檢測模塊、車聯(lián)網T-BOX、車身控制單元BCM、空調控制器HVAC、車輛大燈及報警喇叭等模塊；數據傳輸端主要是車聯(lián)網服務云平臺及相關通信模塊；家長端指的是家長手機終端App。

車內兒童遺落智能預警系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)工作原理

當汽車處于熄火狀態(tài)，司機離開汽車，車門鎖閉30 s后觸發(fā)系統(tǒng)開始工作，超聲波探頭啟動，開始向車內發(fā)送40 kHz超聲波掃描后排座位，利用多普勒效應檢測是否有兒童或寵物活動。如果探頭檢測到有兒童或寵物活動，則觸發(fā)報警，兒童遺落檢測模塊把報警信息通過CAN收發(fā)器上傳給車內車聯(lián)網T-BOX模塊和BCM控制器，BCM控制器根據收到的報警信息，以一定的頻率驅動大燈和喇叭進行聲光報警，同時T-BOX內的無線通信模組將報警信息通過無線信號傳輸到車聯(lián)網云平臺，云平臺可在收到車內報警信息后，進一步分析滯留乘員是否有危險，并及時將后臺歸納分析的結論發(fā)送到車主手機App上提醒車主：“請確認是否有兒童被鎖在車內。”若車主看到App推送的信息后點擊“確認”，確認信息通過云平臺下發(fā)到車內CAN網絡、檢測系統(tǒng)停止工作直至CAN網絡休眠。若車主一直未確認收到此信息，為了保證有效提醒車主，手機App信息提醒將會一直持續(xù)，前5次提示時間間隔為2 min；5次后提示間隔時間為1 min，若第一次提示后15 min仍未收到確認信息或者車門、車窗打開的信息，系統(tǒng)將啟動e-call緊急呼叫功能，同時系統(tǒng)支持車主通過App遠程開啟車窗、空調、大燈、報警喇叭，實現車輛自適應聯(lián)動處理，必要時云平臺自動聯(lián)系110報警平臺（告知時間、位置和具體乘員滯留危險等警情信息）［2］。該系統(tǒng)除了具有遠程監(jiān)控、預警功能，還具有車輛異動報警功能。當車輛熄火，超聲波探頭觸發(fā)啟動后，超聲波探頭掃描后排座位，當沒有檢測到活動物體時，兒童遺落檢測模塊進入低功耗休眠模式；當傳感器掃描后發(fā)現有活動物體時，兒童遺落檢測模塊喚醒CAN網絡，通過BCM驅動大燈和喇叭進行報警，同時把報警信息上傳到車聯(lián)網云服務平臺，平臺將報警信息發(fā)送至用戶手機，App提醒車主：“請確認車輛是否被入侵。”

3 功能實現

隨著物聯(lián)網、5G、大數據、人工智能等新技術與智能網聯(lián)汽車融合應用的深入，我國車聯(lián)網產業(yè)在很多方面取得了積極進展。當前，車聯(lián)網的內涵不斷豐富，價值空間不斷拓展，車聯(lián)網應用技術和服務體系日益豐富，新車裝載智能聯(lián)網終端的比例不斷提升，基于車聯(lián)網平臺的應用系統(tǒng)呈現蓬勃發(fā)展趨勢［3］。

3.1 兒童遺落檢測模塊

3.1.1 兒童遺落檢測模塊架構

車內兒童遺落檢測模塊主要由超聲波探頭（超聲波收發(fā)一體式結構）、MCU微控制器、AD模數轉換器、CAN收發(fā)器等部分組成，該模塊架構硬件組成框圖如圖2所示。

3.1.2 超聲波檢測工作原理

車內兒童遺落檢測功能的實現主要依靠超聲波探頭，本研究中的超聲波探頭采用收發(fā)一體式結構。當超聲波探頭被觸發(fā)后，微控制器MCU會發(fā)送控制使能信號，超聲波發(fā)射器向車內發(fā)射40 kHz（對人體無害）連續(xù)超聲波信號，超聲波信號經障礙物后產生回波信號，回波信號被超聲波接收器接收，回波信號處理單元對回波信號進行采樣及處理，可以獲取回波信號特征信息［4］。從發(fā)出超聲波到接收到回波信號這段時間，即超聲波路徑，根據距離公式，此時測得的距離如下：

S=（Vt×（t2?t1））/2

其中，Vt為測速時溫度對應的聲速，Vt=340 m/s。

同時，AD模數轉換電路測量回波信號包絡，MCU通過提取包絡值特征進行分析，綜合判斷是否存在移動的物體，繼而觸發(fā)報警。

超聲波檢測報警工作框圖如圖3所示。

采用超聲波收發(fā)一體結構設計，體積小，既可以減少安裝時間，又能夠降低系統(tǒng)功耗。

3.1.3 關鍵器件選型及功能介紹

本研究的系統(tǒng)為一體化設計，所有元器件集成到一塊 PCBA 電路板上，通過外殼和底板封裝固定，組裝過程簡易。車內兒童遺落檢測模塊包含MCU微控制器、超聲波探頭、EMMC存儲器、CAN收發(fā)器及DC-DC電源轉換器、LDO移壓器等器件，所使用的元器件需通過車規(guī)級測試驗證，符合車規(guī)級標準，其關鍵器件及功能如下。

（1）微控制器MCU。MCU在車內兒童遺落檢測模塊中起著運算、決策的核心作用，它負責觸發(fā)超聲波脈沖信號、接收超聲波回波信號，通過CAN總線與T-BOX進行信息交互，并發(fā)出預警信息。該設計方案中的MCU微控制器選用日本瑞薩半導體公司生產的16位高性能R5F10BGELFB單片機。

（2）超聲波探頭。超聲波探頭又稱超聲波傳感器，它發(fā)出并接收超聲波信息，用來檢測車內移動物體。探頭性能的好壞及探頭選取是否得當，將直接影響系統(tǒng)檢測結果的準確性和可靠性，本設計方案選用日本的株式會社村田制作所生產的發(fā)射接收兼用型MA40H1S-R傳感器。

（3）CAN收發(fā)器。MCU微控制器通過CAN收發(fā)器與車內T-BOX和BCM控制器進行信息交互，CAN收發(fā)器選用NXP公司生產的TJA1043型芯片，該芯片具有性能優(yōu)異、可靠性高等特點。

（4）DC-DC電源轉換器。該穩(wěn)壓電源轉換模塊，選用美國芯源系統(tǒng)有限公司生產的MPQ4572型芯片，能夠實現車內兒童遺落檢測模塊內部12～5 V、12～3.3 V的電壓轉換，可以得到平穩(wěn)、可靠的輸出電壓。

（5）3.3 V LDO穩(wěn)壓器。該穩(wěn)壓器選用德州儀器公司生產的TLV70233QDBVRQ1型LDO穩(wěn)壓器，可以實現3.3 V穩(wěn)壓輸出，保證電源的穩(wěn)定性。

3.2 系統(tǒng)軟件處理流程

系統(tǒng)軟件處理主程序流程如圖4所示。

3.3 報警策略

（1）車輛熄火并接收到鎖車門信號30 s后，該系統(tǒng)啟動開始工作，若滿足關閉條件，則設備待機。

（2）當系統(tǒng)工作時檢測到車內有移動物體，系統(tǒng)發(fā)出預警信號，信號通過后臺傳輸至用戶手機端。

（3）如果4 h后還沒有應答，超聲波傳感器探測周期延長至1 s。

3.4 報警分級

（1）兒童遺忘車內報警：當車內兒童或者寵物等有移動動作時，超聲波回波可進行探測并有效識別，然后上傳報警信號。

（2）車輛破壞入侵報警：當有特定頻率段的振動信號，其振動加速度在一定幅度內持續(xù)一段時間，則認為存在車輛被破壞、入侵風險。

（3）整車搬運報警：當車輛停車熄火后，車輛位置超過一定傾角閾值，則認為有整車搬運風險。

3.5 算法流程

應用層軟件模塊主要包含信號處理、特征提取及分類決策，算法流程如圖5所示。

3.6 安裝位置

本系統(tǒng)支持靈活的安裝位置并適配不同類型的車輛，車內兒童遺落檢測模塊可通過插槽支架或螺絲鎖付的安裝方式進行固定，安裝在車輛后排座椅上方車棚處正中央附近無其他物體遮擋的位置，原則上要保證超聲波探頭探測區(qū)域可以覆蓋整個后排座位及地板，檢測模塊安裝位置不合適，則會導致監(jiān)測狀態(tài)出現偏差。

3.7 通信總線

系統(tǒng)采用標準LIN、CAN總線及接口輸出預警信號。LIN總線參照國標《LIN總線通信規(guī)范》。BCM是LIN主節(jié)點，兒童遺落智能預警系統(tǒng)是從節(jié)點。車聯(lián)網T-BOX與兒童遺落智能預警系統(tǒng)之間通過CAN總線進行信息交互。

兒童遺落智能預警系統(tǒng)將報警信息通過CAN發(fā)給T-BOX，T-BOX通過無線信號轉發(fā)到車聯(lián)網服務云平臺；同時，T-BOX將車身信息（車速、車門狀態(tài)、發(fā)動機狀態(tài)等）通過CAN總線傳輸給兒童遺落智能預警系統(tǒng)。T-BOX將車窗、車門、空調動作指令通過CAN總線發(fā)給BCM，BCM通過LIN線控制相關部件執(zhí)行相應操作。

4 設計創(chuàng)新點

本系統(tǒng)是以車聯(lián)網為平臺的汽車車內兒童遺落智能預警系統(tǒng)，產品的創(chuàng)新點如下。

（1）本系統(tǒng)采用兼容式和功能最大化設計總體思路。目前的設計屬于基礎型方案，后期根據需要可擴展更多功能，基礎型和擴展型采用同一個外形結構尺寸、同一塊 PCB印制電路板，通過選擇性焊接不同的模塊，達到適應不同車型應用的目的，EMC電磁兼容性性能試驗和環(huán)境試驗只需要做一遍，可達到節(jié)省成本及縮短開發(fā)周期的目的。

（2）本系統(tǒng)采用R5F10BGELFB高性能MCU微處理單元作為主控制器，不需要外加AD數模轉換單元，采用汽車自帶的ABS速度傳感器作為車速檢測單元，綠色節(jié)能。

（3）本系統(tǒng)既可通過T-BOX、云平臺、手機App向車主發(fā)短信息遠程預警，又可通過車身自帶的大燈和喇叭實現原地報警，可以向路人發(fā)出預警信息；必要時車聯(lián)網云平臺還可以自動聯(lián)系110報警平臺。車主可通過手機App、T-BOX和BCM實現遠程開啟車窗、車門或空調等操作，可以有效地幫助兒童脫離險情。除兒童遺落智能預警功能外，還兼具車輛入侵報警功能，當車輛有人非法闖入時，可快速實現車輛本地異動報警和手機App遠程報警，大燈閃爍輔以聲音警示，幫助車主及時化解風險，規(guī)避潛在損失。

依托國內外相關汽車安全法規(guī)的頒布和實施，國家和社會對車輛安全出行的高度關注，憑借本項目產品的高性價比，兒童遺落安全系統(tǒng)市場前景廣闊。

5 結論

本研究所提系統(tǒng)是結合物聯(lián)網新技術和車主實際安全需求進行設計的，為廣大車主，尤其是為“有孩一族”車主設計的一款安全、可靠、高效、實用、低成本的車載主動安全裝置。該裝置可實現車內活物移動檢測、預警信息上報、用戶手機App遠程報警和干預、車輛本地預警等功能，能有效解決兒童因被困車內而產生的安全事故問題，具有廣闊的市場應用前景。

6 參考文獻

［1］任恒.汽車車內生命監(jiān)測裝置和報警系統(tǒng)研究［J］.內燃機與配件，2022（18）：91-93.

［2］劉匯.基于互聯(lián)網技術的汽車內兒童安全預警系統(tǒng)研究［J］.科技視界，2017（1）：234.

［3］李靈瑤，顧全根，王宇葉.5G環(huán)境下車聯(lián)網關鍵技術及其發(fā)展趨勢探討［J］.中國管理信息化，2022，25（20）：195-197.

［4］嚴雙利，符影杰.基于數字信號處理的超聲波測距系統(tǒng)設計［J］.工業(yè)控制計算機，2022，35（8）：57-58，60.