基于車聯網的智能車載兒童安全座椅控制系統設計

摘要：該研究介紹了一種基于車聯網、神經元智能算法及大數據等技術的車載兒童安全監測系統，采用具有自主知識產權的TVP2020汽車儀表系統開發平臺，開發了智能兒童安全座椅監測系統中間件，使得駕乘人員可通過中控儀表、手機App實時對兒童乘客進行全程動態監控，提高兒童乘客的出行安全性。

關鍵詞：智能兒童安全座椅；車聯網；監測系統

中圖分類號：U462" " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）12-0012-03

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0 引言

隨著未來5G、云計算、區塊鏈等技術的應用，智能網聯汽車可通過更廣泛的網絡連接和數據共享，實現車與社會各方面的深度融合和價值創造，為大眾提供更多元化、個性化、智慧化的出行服務和生活服務。（新增部分）近年來，我國機動車保有量逐年增加。據公安部統計數據，截至2023年底，汽車保有量3.4億輛，其中私人轎車1.87億輛，交通事故也隨之增加。根據研究機構的統計結果顯示，交通事故已經成為14歲以下兒童的第二大死因[1]。兒童乘客交通事故死亡率居高不下的主要原因為未安裝車載兒童安全座椅或者使用方法不當，如安裝方向不正確、兒童約束帶卡扣鎖止未鎖緊、ISOFIX未鎖緊等。為此，各國研究人員在兒童安全座椅產品的設計、試驗、分析、建模及安全評估等方面做了大量的研究工作，如楊建[2]在構建兒童安全座椅的動態損傷預測模型基礎上，重點討論了兒童安全座椅各布置參數對于ECE R129法規規定的各損傷指標的靈敏度影響，給出了兒童安全座椅對兒童乘員達到最佳保護效果的布置參數方案。葉賽峰[3]在建立不同約束條件下的正面碰撞臺車有限元模型基礎上，分析了不同約束條件下兒童安全座椅對兒童乘員的防護效能。劉?澤[4]通過建立數字化信息模型，對10個月～4歲兒童的汽車兒童安全座椅進行了設計。王文樂[5]介紹了一種基于Arduino系統兒童防滯留車內報警系統，僅進行了模擬實驗，未進行實際測試。王杰[6]提出一種基于STM32 的車載兒童防滯留系統，可實現短信提醒報警功能。從以上所述可知，基于車聯網技術對兒童乘客乘車安全全程智能監測看護方面研究的報道極少，其相關產品更少。針對上述存在的問題，本文重點介紹基于車聯網、無線定位與大數據等先進技術，采用分布式傳感器及LTE通信技術，提出智能車載兒童安全監測系統及智能化安全座椅整體解決方案，實現對兒童乘客的生命體征和車輛行駛環境參數進行動態監測，開啟寶寶出行安全空間智能時代。

1 系統架構設計

基于車聯網技術的智能車載兒童安全監測系統總體架構如圖1所示，系統組成如下：智能兒童安全座椅數據采集系統、分布式傳感器系統、車載控制系統、CAN總線接口、SOS呼救系統、無線通信系統、兒童安全座椅本體、緊急電源供電系統和系統軟件。

車輛在行駛過程中檢測兒童安全狀態的傳感器由分布式傳感器系統和車輛狀態傳感器組成，數據經智能算法處理后由CAN總線傳送至汽車儀表、中控系統，駕駛人員可直接在儀表上觀察兒童安全狀態，也可通過無線接入系統傳至云平臺、110報警平臺，在智能終端上實時顯示車輛及兒童的安全狀態。如因駕乘人員離開或發生交通事故導致兒童長時間滯留車內時，可緊急呼叫救援人員進行及時施救，最大限度保護兒童的安全。

2 系統硬件設計

兒童安全智能監測系統硬件系統主要由控制器、通信單元、分布式傳感器、電源等部分組成。系統原理圖見圖2。

2.1 MCU選擇

兒童安全智能監測系統控制單元MCU主要負責對生命體征傳感器、座椅狀態傳感器、車內環境傳感器等數據的采集、處理，將處理后的數據通過CAN總線傳到汽車儀表、中控系統進行實時顯示，通過通信模塊傳送到云數據中心，以便用戶通過手機App、云終端實時監控兒童乘客的狀態。綜合以上因素，選用南京沁恒微電子股份有限公司的CH32V208CBU6，該MCU搭載了基于RISC-V指令架構設計的32位青稞RISC內核，工作頻率144 MHz，內置64 KB的高速SRAM和128 KB的Flash存儲空間，支持2.5 V和3.3 V的供電電壓，系統結構中多條總線同步工作，提供了豐富的外設功能和增強型I/O 端口，集成了多種通信接口，包括2 Mbps低功耗藍牙BLE5.3、10 M以太網MAC+PHY、USB2.0全速設備+主機/設備接口、CAN控制器、16通道12位ADC轉換、16路觸摸按鍵TouchKey、5組定時器、CRC計算單元和96位芯片唯一ID等，能夠滿足系統設計需求。系統框圖如圖3所示。

2.2 通信模塊選擇

兒童安全智能監測系統通信模塊主要將MCU處理的數據實時傳到云端，實現智能兒童安全座椅與手機、終端互聯，具備語音通話功能，以便在緊急狀態下能夠與兒童通話。綜合考慮最終選用移遠通信的EC200U-CN 4G通信模塊， 該模塊支持LTE-FDD、LTE-TDD、GSM/GPRS網絡數據連接、語音以及GNSS功能，支持AT指令和Python編程。內部機構框圖見圖4。

2.3 傳感器選擇

兒童安全智能監測系統傳感器主要由生命體征傳感器、座椅狀態傳感器、車內環境傳感器三部分組成，實現對兒童生命體征、座椅FIX和安全帶卡扣以及車內環境等參數的實時監測，為MCU提供相關數據。選擇D2003S熱釋電紅外線傳感器和專用序號處理芯片EG4002A實現生命體征探測，車內二氧化碳濃度探測選擇SHR-20 CO2數字傳感器，溫濕度傳感器選擇DHT22。限于篇幅，傳感器相關原理及電路在此不再贅述。

3 軟件架構設計

3.1 開發平臺

采用江蘇新通達公司的TVP2020汽車儀表系統開發平臺作為兒童安全智能監測系統中間件開發平臺，其架構如圖5所示。兒童安全監測系統主要功能是將接收到的兒童安全座椅傳感器和車輛傳感器數據，經智能算法處理后判斷兒童是否處于危險狀態，如處于危險狀態，則調用緊急事件處理程序進行處理，所有處理工作都在虛擬機上完成由于兒童安全監測系統中間件部署位于應用層，部署在虛擬機上，與車載系統硬件無關，實現車載兒童安全監測解決方案與汽車儀表系統融為一體，解決了軟件系統與設備硬件無關性的技術難題，可以方便地移植到其他中控系統，使得系統的可靠性、安全性、可移植性將大大提高。

3.2 兒童滯留車內診斷系統智能算法

車載兒童安全智能監測系統的核心是采用了車椅人三位一體的智能算法，該算法依據對兒童生命體征、座椅狀態、車內環境等參數的實時監測，通過CAN總線與車輛進行實時通信，獲取車輛運行狀態數據，如車輛是否長時間熄火、車輛門鎖、兒童座椅安全帶卡扣狀態、生命體征探測數據等數據，應用AI算法，推斷兒童是否滯留車內，是否存在安全危險，及時通知駕駛人員或者緊急救援人員進行施救。兒童滯留車內算法流程圖見圖6。算法描述如下。

1） 首先檢查兒童座椅傳感器是否有壓力數據，即判斷兒童是否在座椅上，否，未滯留；是，則提醒駕駛人員車內有兒童，進行下一步。

2） 接著判斷車輛是否熄火，駕駛員安全帶是否打開；如未熄火且安全帶未打開，則應視為未滯留；如熄火且安全帶打開，判斷為滯留，并強制打開車載系統電源，提醒駕駛人員車內有兒童，開始計時，進行下一步。

3） 再判斷出門是否鎖死，鎖死則表明一定滯留，開始計時，進行下一步。

4） 監測車內溫濕度及滯留時間，如超限則啟動通風系統降溫，同時啟動SOS呼救系統。

5） 人為解除，終止呼救。將算法診斷結果以圖文信息顯示在汽車儀表、中控系統、手機、遠程終端等設備上，供駕乘人員、緊急救援人員參考。

3.3 終端操作顯示系統

車載兒童安全智能監測系統可通過車載儀表、中控系統、手機進行設置操作，實現行車安檢預警、體感溫控預警、環境干濕預警、兒童滯留預警及安全距離SOS呼救等功能。圖7為手機端界面和中控端界面。

4 結論

本文重點介紹了以CH32F208單片機+EC200U-CN-4G模塊+TVP2020汽車儀表系統開發平臺為主進行開發的車載兒童安全智能監測系統和智能兒童安全座椅系統，通過安裝在兒童安全座椅上的各類傳感器，實現了對兒童出行安全的實時監測；利用智能算法及時發現兒童是否被滯留車內，如發生兒童滯留車內的危險情況，系統自動發出警告及求救信息，通知相關人員進行施救，以減少車載兒童滯留帶來的安全風險。

參考文獻：

[1] 去年我國共發生25.5萬起道路交通事故，造成6萬余人死亡[EB/OL].[2024-12-15].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1817329864005605488amp;wfr=spideramp;for=pc.

[2] 楊通.兒童安全座椅動態性能預測模型及實驗研究[D].鎮江：江蘇大學，2022.

[3] 葉賽峰.汽車正碰加速度波形對三歲兒童損傷風險研究及后排座椅參數優化[D].廈門：廈門理工學院，2023.

[4] 劉?澤.汽車兒童安全座椅的數字化設計研究[D].長春：長春工業大學，2019.

[5] 王文樂，鄭鑫，袁昊，等.基于Arduino的車載兒童防滯留系統模擬設計[J].汽車實用技術，2020（6）：56-58.

[6] 王杰，林智慧.車載兒童防滯留系統的設計與實現[J].電子制作，2023（12）：52-54.

【通聯編輯：謝媛媛】