家用超声波儿童防坠楼监护系统

钱 坤马淑文

（1.杨浦高级中学，上海 200092；2.同济大学，上海 200092）

家用超声波儿童防坠楼监护系统

钱 坤1马淑文2

（1.杨浦高级中学，上海 200092；2.同济大学，上海 200092）

高层建筑是城市发展的必然产物,随之而来的是儿童意外坠楼安全事故频频发生，主要原因是儿童独自在家且缺少家长的监护，其中窗台是最易酿成坠楼事故的高危地带。对此，文章设计出一套家用儿童防坠楼监护系统。该系统运用超声波的渡越时间检测法和三球定位算法来实时检测儿童与窗台的位置，并设立两级预警机制。当二次警报触发时，即儿童离窗台太近时，激发执行机构及时封闭窗台。此外，从空气温度、湿度以及两者距离三个角度来分析超声波系统工作的误差并将之解决。

超声波；渡越时间；三球定位；两级预警

随着城市的发展，人们居住的条件得到日益改善，高楼、复式楼或别墅成为常见的居住场所。近年来，儿童在这样的居住场所意外坠楼事故频频发生，多是因为儿童独自在家，且家中没有安装防护栏而导致儿童从窗台意外坠下造成。儿童在每个家庭都被视作掌上明珠，孩子的意外坠楼对整个家庭是沉重的打击。为了避免悲剧重演，家长须提高儿童安全监管意识，同时应做好防护设施。但家长监管再紧，不可能随时随地、每分每秒让孩子呆在自己的眼皮底下。因此，为了尽可能消除窗台边存在的隐患，自动预防儿童坠楼监护系统势在必行。

目前，市面上没有专门针对于监护儿童防坠楼的智能系统，而且国内也很少有这方面的文献研究。作为家用儿童防坠楼监护系统，关键是室内移动目标定位技术。刘等提出一种分布式智能防儿童坠楼安全窗预警系统，通过红外线技术检测出儿童和窗台的距离。相对于红外线技术，超声波技术定位精度高，定位速度快，产品成本较低，设备易于安装，受环境影响小、抗干扰能力强，能够很好地满足室内定位的需要。

鉴于上述考虑，本文提出一种基于超声波定位技术的家用儿童防坠楼监护系统，通过超声波的渡越时间检测法和三球定位算法来实时检测儿童相对窗台的位置，并当儿童与窗台太近时激发执行机构自动关闭窗台来保护儿童人身安全。

1 系统设计

1.1 系统构成

本系统由两大部分组成：第一部分是由三个超声波模块构成，第二部分是由一个上位机和一个执行机构构成。

超声波模块发射超声波并接受反射信息，提供计时功能。上位机作为总控装置，除了控制超声波模块外，还包括温度传感器和执行机构。执行机构由一个有菱形支架的拦截网构成，并在上下的窗框上打洞。执行机构平时是收起的，只有当系统确认儿童即将到达窗台时才被激发打开，如图1所示。

图1 执行机构激发前后对比

1.2 工作原理

在电源接通后，上位机发布复位命令后发出射频信号，通知超声波模块发射超声波并接受反射信号，然后将超声波来回所需时间传给上位机。由上位机处理超声波模块的数据和温度传感器的数据后获得儿童的位置，记作(x,y,z)。设上位机的坐标为(x0,y0,z0)，则根据两点距离公式计算出儿童和上位机的距离d：

该距离 d也就是儿童到窗台的距离，并将此距离不断与事先设定的预警距离比对。若小于初次预警距离，就发出声光报警，及时通知家长。若儿童继续向上位机靠近，并小于二次预警距离，就发出声光报警，并由上位机驱动电动机打开执行机构。

1.3 儿童位置的计算

该系统的关键即上位机计算出儿童的位置坐标。超声波渡越时间检测法是根据超声波发射与接收的时间差来计算被测物体的距离。系统中的三个超声波模块发出超声波并开始计时接受到反射信号后就停止计时。设三个超声波模块的位置坐标分别为(x1,y1,z1),(x2,y2,z2)，(x3,y3,z3)，以及计时时间差分别为t1，t2，t3，超声波在空气中的传播速度为c。则根据三球定位算法，计算出(x,y,z)，即儿童的位置坐标。

1.4 系统控制流程图

系统的控制流程图如图2所示。

图2 系统控制流程框图

2 误差分析

2.1 温度的影响

由于电磁波的传播速度为3×108m/s，而超声波在常温常压下的传播速度344 m/s，其速度相对电磁波是非常慢的。所以各超声波模块接收到由上位机发出的指令信号的时间并不一样，但其误差可被略去。由于空气温度每变化1℃，超声波传播速度相应变化约0.607m/s ，波速与温度的关系详见表1。

表1 波速与温度关系

当环境温度在 0～40℃之间变化时，声速误差从-5.5～12.2%。所以要增加温度补偿。对表1的数据进行线性拟合，可得图 3所示的结论。在上位机上加温度传感器，实时监测环境温度T，并通过图3中的拟合方程得出实时声波数据，则三球定位算法中的超声波传播速度c=0.5615×T +331.2316，从而减少误差。

图3 超声波传播速度拟合方程

2.2 湿度的影响

如果湿度是在10%到90%相对湿度内随机分布，对20℃时的超声波影响是0.15%，即在0.3m时有0.3mm的误差。因而此误差对本系统无太大的影响。故可忽略不计。

2.3 距离的影响

随着距离的增加，超声波的信号幅度减小，导致接受信号超过门限电路时间延后，增加计时时间，导致时间误差。通过自动增益控制电路，可以很好地弥补这一问题。

3 结论与展望

本文首次采用超声波定位技术设计出家用儿童防坠楼监护系统。该系统利用超声波渡越时间检测法和三球定位算法计算儿童位置坐标，进而得到儿童相对窗台的距离。将该距离与两级预警距离比对，若发现存在危险则执行声光报警，甚至触发执行机构自动关闭窗台，从而有效防止儿童坠楼事故的发生。

将来可以在初次报警和二次报警时增加短信提示功能，以便更好更快地通知家长。同时可以设立一些危险区，一旦儿童靠近这些区域就会报警。

[1] 2015年儿童意外坠楼安全事件盘点.http://www.bbaqw.com/ wz/19733.htm,2015-12-24.

[2] 刘嘉新,邱晋伟,肖雯,等.分布式智能防儿童坠楼安全窗预警系统[J].信息技术, 2014 (10):143-146.

[3] 孙露露,崔泽,周静,等.室内移动目标超声定位系统的设计与测试[J].中国科技信息,2014(24): 171-173.

[4] 张海鹰,高艳丽.超声波测距技术研究[J].仪表技术,2011(9): 58-60.

[5] 赵小强,赵连玉.超声波测距系统中的温度补偿[J].组合机床与自动机床加工技术,2008(12): 62-64.

[6] 赵海,张宽,朱剑,等.基于TDOA的超声波测距误差分析与改进[J].东北大学学报(自然科学版),2011,32(6): 802-805.

Home ultrasonic children fall prevention monitoring system

High-rise buildings mushroom as cities grow, followed by the frequent children fall accidents. Children stay home lonely and lack of parental care, and they probably fall down from the windowsill. In order to prevent children from falling, we design a home monitoring system which utilizes the ultrasonic time-of-flight method and three-ball intersection positioning algorithm. Our system can detect the position of children in real time and set up two-level early warning mechanism. If the second-level warning is triggered, the system can make an automatic response and close the windowsill. In addition, we analysis and solve some issues of the system from three perspectives, i.e., air temperature, air humidity, and the distance.

Ultrasonic; time-of-flight; three-ball intersection positioning; two-level early warning

TP37

A

1008-1151(2016)07-0026-03

2016-06-12

钱坤（1999－），男，杨浦高级中学学生，研究方向为工程和物理；马淑文，同济大学信息化办公室高级工程师。