車內(nèi)滯留兒童監(jiān)測與應(yīng)急處理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：設(shè)計了一款基于STM32的車內(nèi)滯留兒童監(jiān)測與應(yīng)急處理系統(tǒng)，配合壓力傳感器、人體紅外傳感器、環(huán)境傳感器等模塊，實時監(jiān)測車輛運行狀態(tài)、車內(nèi)人員情況、CO2濃度、溫度等多項參數(shù)指標。利用STM32主控芯片實時分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，當判定車內(nèi)存在滯留兒童時，控制全球移動通信系統(tǒng)（global system for mobile communications，GSM）通信模塊和全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）定位模塊主動向車主發(fā)送提醒信息，同時單片機控制車窗開啟、車內(nèi)空調(diào)啟動，以降低車內(nèi)CO2濃度及溫度，實現(xiàn)車內(nèi)環(huán)境的自動調(diào)節(jié)，最大限度地保障滯留兒童生命安全。該系統(tǒng)具備本地應(yīng)急處置及遠程告警功能，可實現(xiàn)對車內(nèi)滯留兒童的實時監(jiān)控。經(jīng)多輪測試，驗證了該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性和有效性。

關(guān)鍵詞：車內(nèi)滯留兒童；STM32；遠程通信；實時定位

中圖分類號：TP277；TP212.9；TP368.1 文獻標識碼：A

0 引言

隨著國民生活水平的提升，汽車普及率逐漸攀升，這帶來了一系列新的問題和挑戰(zhàn)[1]。近年來，車內(nèi)滯留兒童事件屢有發(fā)生，已成為車內(nèi)非交通死亡事故的主要誘因，兒童乘車安全是當前汽車安全領(lǐng)域的重要研究課題。

判定被滯留車內(nèi)的兒童是否存在危險的主要參考指標：①車輛是否熄火；②車主是否離開車位；③是否有滯留在車內(nèi)的人員；④車內(nèi)溫度、CO2濃度等車內(nèi)環(huán)境參數(shù)的檢測值是否超出閾值。本文設(shè)計了一款車內(nèi)滯留兒童監(jiān)測與應(yīng)急處理系統(tǒng)，其采用STM32單片機作為主控制器，搭載多種傳感器模塊，以實現(xiàn)系統(tǒng)的構(gòu)建和功能開發(fā)[2]。

1 整體方案設(shè)計

核心控制器作為整個系統(tǒng)的核心部分，是系統(tǒng)能否實現(xiàn)預(yù)定功能的關(guān)鍵。本設(shè)計選定32位微控制器STM32F103C8T6，它的37個通用輸入/輸出（general purpose input/output，GPIO）端口能較好地滿足本設(shè)計的需求。本設(shè)計選用型號為HX711的壓力傳感器來檢測車主是否在駕駛位；型號為SR505的人體紅外傳感器用于判定車內(nèi)是否有滯留人員。本設(shè)計選用型號為SGP30的氣體傳感器和型號為DS18B20的溫度傳感器，分別實現(xiàn)精準采集CO2濃度和車內(nèi)溫度的目的。有機發(fā)光二極管（organic light-emitting diode，OLED）顯示器可以確保系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù)的準確展示，同時便于系統(tǒng)調(diào)試，方便車主隨時監(jiān)控、讀取相關(guān)信息。全球移動通信系統(tǒng)（global system for mobile communications，GSM）通信模塊的高速數(shù)據(jù)傳輸能力確保了車輛與車主之間的通信連接穩(wěn)定可靠，提升了實時響應(yīng)能力。選用型號為ATGM336H-5N的北斗多模全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）定位模塊，其可以將位置信息發(fā)送給車主[3]。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 主控電路設(shè)計

（1）微控制器。STM32是最小系統(tǒng)的核心，集成了中央處理器（central processing unit，CPU）、內(nèi)存、輸入/輸出（input/output，I/O）接口和豐富的外設(shè)功能，如GPIO、通用異步收發(fā)器（universal asynchronous receiver/transmitter，UART）、通用串行總線（universal serial bus，USB）、串行外設(shè)接口（serial peripheral interface，SPI）、集成電路總線（inter-integrated circuit，I2C）和控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controller area network，CAN）等。通常采用

4個電容作為去耦電容，布置在芯片四周，目的是濾波，保證芯片可以更穩(wěn)定地工作。

（2）時鐘電路。時鐘電路為微控制器提供時鐘信號，通常由晶體振蕩器和若干電容組成。在設(shè)計電路板時，晶體振蕩器盡可能靠近微控制器芯片，通過縮短時鐘信號的傳輸距離來減輕信號衰減和干擾的影響。

（3）電源電路。電源電路采用了AMS1117-3.3降壓穩(wěn)壓芯片，該芯片是一款輸出電壓為3.3 V的正向低壓差穩(wěn)壓模塊，直接滿足STM32微控制器的電源需求，提升了供電的穩(wěn)定性和可靠性，有效降低電源波動和噪聲對系統(tǒng)的影響。

（4）復(fù)位電路。通過向NRST引腳輸入低電平信號實現(xiàn)復(fù)位，將一個按鍵并聯(lián)復(fù)位電容后連接到NRST引腳，并配合上拉電阻確保按鍵未按下時為高電平，當按鍵被按下時，產(chǎn)生低電平信號，使系統(tǒng)復(fù)位。

2.2 駕駛情況檢測模塊設(shè)計

（1）霍爾傳感器電路。霍爾傳感器用于判斷汽車是否熄火。當導(dǎo)體中的電流在垂直方向受到磁場作用時，會在導(dǎo)體的橫向產(chǎn)生一個電壓信號，它用于確定磁場的存在與強度，從而判斷汽車的點火狀態(tài)。

（2）壓力傳感器電路。壓力傳感器用于檢測車主是否離開駕駛位。本設(shè)計選用HX711芯片，它是具備24位精度的模擬數(shù)字（analog to digital，A/D）轉(zhuǎn)換器，擁有兩個可選擇的增益通道，專門用于放大和轉(zhuǎn)換來自橋式傳感器的信號，并且與STM32進行串行通信以實現(xiàn)壓力值的讀取[4]。

2.3 人體紅外感應(yīng)模塊設(shè)計

本設(shè)計通過SR505人體紅外傳感器來檢測車內(nèi)人員情況。SR505人體紅外傳感器能夠有效減少環(huán)境因素的干擾，確保感應(yīng)數(shù)據(jù)的準確性和可靠性[5]。當車輛熄火后，該模塊立即啟動，如果車內(nèi)有人員活動，電路輸出高電平，反之則輸出低電平。

2.4 車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測模塊設(shè)計

（1）CO2濃度采集電路。本設(shè)計采用SGP30模塊來實現(xiàn)車內(nèi)CO2濃度數(shù)據(jù)采集。CO2濃度模塊的SCL和SDA引腳分別連接到STM32的I2C總線的SCL和SDA引腳上，VCC引腳連接到微控制器的5 V電源引腳，GND引腳連接到微控制器的地線引腳。

（2）溫度采集電路。溫度采集模塊使用DS18B20傳感器，它只有3個管腳：VCC、DATA和GND，并采用單總線（one-wire）通信協(xié)議，信號符合晶體管—晶體管邏輯（transistor-transistor logic，TTL）電平，不需要其他的外圍器件，可直接與STM32的I/O引腳相連，其信號I/O引腳接上1 kΩ的上拉電阻。

2.5 聲光報警模塊設(shè)計

本設(shè)計采用內(nèi)部帶有震蕩源的有源蜂鳴器。由于STM32的引腳輸出電流只有約8 mA，可以直接使用I/O接口來控制蜂鳴器時驅(qū)動電流，故采用S8050晶體管作為開關(guān)控制元件。通過控制S8050的基極電流，使三極管能夠在截止狀態(tài)與飽和導(dǎo)通狀態(tài)之間切換，從而控制蜂鳴器發(fā)聲與停止發(fā)聲，確保蜂鳴器能夠按要求告警[6]。

2.6 GPS定位模塊設(shè)計

本系統(tǒng)采用的定位模塊是ATGM336H-5N，該模塊在設(shè)計時充分考慮了電源管理的重要性，即使在主電源斷開的情況下，仍能通過模塊內(nèi)建的后備電池維持大約半小時的GPS星歷數(shù)據(jù)保存。STM32接口的TX和RX引腳需要分別連接到GPS定位模塊的TX和RX引腳上，以建立雙向通信。此外，GPS定位模塊的VCC和GND引腳也應(yīng)分別與STM32的VCC和GND引腳相連，確保模塊得到穩(wěn)定的電力供應(yīng)。

2.7 GSM通信模塊設(shè)計

本設(shè)計使用SIM800C（通信模塊）來發(fā)送文本信息，只需要連接VCC、GND、TXD、RXD 4根線即可實現(xiàn)系統(tǒng)與手機間的信息通信。為了保證模塊的穩(wěn)定供電，在模塊的獨立供電部分直接并聯(lián)一個1 000 μF的鉭電容，它起到儲能和緩沖的作用，能夠保證通信的穩(wěn)定性、可靠性和順暢性。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括系統(tǒng)主程序設(shè)計、數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計、OLED顯示程序設(shè)計、GSM通信程序設(shè)計以及GPS定位程序設(shè)計[2]。明確的結(jié)構(gòu)劃分提升了系統(tǒng)軟件的模塊化和可維護性，同時便于各單元的獨立開發(fā)和測試。

系統(tǒng)總體流程如下：通過霍爾傳感器判定車輛是否熄火。若車輛仍處于運行狀態(tài)，系統(tǒng)則返回初始化，繼續(xù)處于循環(huán)檢測的狀態(tài)；若車輛處于熄火狀態(tài)，系統(tǒng)則利用壓力傳感器、SR505人體紅外傳感器判定車主是否在駕駛位以及車內(nèi)是否有滯留人員，同時利用溫度、CO2濃度傳感器收集車內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。若判斷車內(nèi)有兒童滯留，則將車內(nèi)溫度、CO2濃度等數(shù)據(jù)與設(shè)定閾值進行比較[7]，如超出閾值系統(tǒng)將自動打開車窗保證空氣流通，打開空調(diào)降低車內(nèi)溫度，啟動聲光報警器，同時通過GSM通信模塊向車主發(fā)送告警信息和車輛定位信息。與其他模塊不同的是，CO2濃度傳感器和溫度傳感器始終保持工作狀態(tài)，實時監(jiān)測車內(nèi)環(huán)境信息。

4 系統(tǒng)調(diào)試

本系統(tǒng)軟硬件設(shè)計完成后，進行實物的焊接及調(diào)試工作。為保證系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性，對整個系統(tǒng)的各功能模塊進行測試，并記錄測試結(jié)果，系統(tǒng)調(diào)試參數(shù)如表1所示。

5 結(jié)論

本文通過對車內(nèi)滯留兒童監(jiān)測與應(yīng)急處理系統(tǒng)進行測試，全面評估了其在功能、安全性和兼容性等方面的表現(xiàn)。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)在不同環(huán)境下能夠準確、可靠地檢測車內(nèi)滯留兒童，并及時啟動應(yīng)急及報警機制。然而，在測試過程中也暴露出一些問題，如閾值設(shè)置不合理導(dǎo)致誤報率較高等。在后續(xù)研究中將進行針對性的優(yōu)化，以期進一步提高系統(tǒng)的可靠性。

參考文獻

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