儿童滞留校车报警系统的设计

张亚萍，宗桂林，鲁加宝

(淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽 淮北 235000)

0 引言

随着教育的改革和农村留守儿童的增加，以及乡镇地区交通基础设施的改善，校车已经逐步成为学生上学的主要交通工具。在农村和偏远地区，校车往往是由私人车辆改装而成，校车司机缺乏专业培训，安全意识淡薄，导致乘车儿童的安全并不能得到保证。在校车事故时有发生的背景中，校车安保系统的设计与应用已经得到了人们的重视，利用自动化、信息化的科学手段对校车安全进行有效的监管非常有必要。

近年来，单片机技术飞速发展，在现代社会各行业都得到广泛的应用[1]。利用单片机控制技术，能够对校车有效地实现安全问题的监控和报警。在该领域相关研究已经有所开展，但投入实际应用的很少[2]。最近几年，机器视觉技术也有了很大的发展[3]，在单片机控制技术上加入机器视觉技术更能方便地实现校车的安全报警控制。

尽管这些技术能够实现安全报警，但是如果报警装置过于单一，一旦出现报警装置失灵的情况，后果将不堪设想。因而，设计一款具有多重报警机制和自动开启防护设备的儿童防滞留校车报警系统对于保障乘车儿童生命安全变得十分有必要。儿童滞留校车报警系统可以避免因儿童被遗漏在车内而发生的安全事故，该系统在未来的校车安全防护应用中将会有很好的发展前景。

1 系统组成

儿童滞留校车报警系统由单片机最小系统电路[4]、拨动开关检测电路、声音检测电路、热释红外采集电路、继电器控制电路、语音报警模块电路、电源电路以及GSM模块电路组成，如图1所示。

图1 系统组成

2 系统硬件电路设计

2.1 单片机最小系统模块

STC89C52单片机、电容和按键组成的复位电路，11.052M晶振和电容组成的晶振电路同下载口组合在一起构成了单片机最小系统。其原理如图2所示。

图2 最小系统原理图

2.2 热释红外感应模块

选择HC-SR505作为热释红外模块用于检测车内是否有人存在，通过对外界采集信号电压和设定电压的比较，控制模块输出电平的高低。该模块的工作电压范围为4.5～20 V，感应距离在3 m内，感应角度小于100度锥角。人若进入感应区，OUT引脚输出“1”，可重复触发，直到人离开感应区，OUT引脚才延时输出“0”。该模块OUT引脚与单片机P1.1引脚相连。模块的接口电路原理如图3所示。

图3 热释红外模块接口电路原理图

2.3 声音检测模块

系统选择声音传感器作为声音信息检测模块，检测周围是否存在声音。声音检测模块采集的声音信号经整流放大后，送入LM393电压比较器进行比较，从而控制模块的输出。模块对环境声音十分灵敏，可根据需要调节阈值。若声音强度没有达到阈值，OUT口输出为高电平；若超过阈值，则OUT口输出为低电平。OUT引脚与单片机STC89C52的P1.0引脚直接连接，声音检测模块的检测输出可转换成单片机的控制输入，检测声音存在与否，继而控制后续报警电路的启闭。该模块电路原理如图4所示，模块接线说明：VCC外接3.3～5 V电压；GND外接GND；DO口外接单片机P1.0口。

2.4 ISD1820语音报警模块

该语音报警模块的主要芯片为ISD1820，按住REC键不放，可向模块录入车内有人的报警语音，模块的P-E口与单片机的P1.2引脚相连，P1.2口输出为低电平时语音模块开启播放，P1.2口输出为高电平时语音模块关闭播放。当系统进入运行模式时，检测到车内有人后，通过FT跳线直通控制，可使ISD1820芯片录入的报警语音直接传输到扬声器，继而循环播放报警录音。语音报警模块的电路原理如图5所示。

图4 声音检测模块电路原理图

图5 语音报警模块电路原理图

2.5 报警短信发送模块

选用SIM800A芯片实现系统的远程短信信息交互。SIM800A是一种集成GSM和GPRS的模块[5]。GSM模块工作频率为900 MHz，而GPRS模块工作频率为1 800 MHz[6]。SIM800A可以低功耗实现语音、SMS和数据信息的传输，自带(850 M/900 M/1 800 M/1 900 M)专用小辣椒天线，2.4 G蓝牙陶瓷天线[7]，SIM卡接口支持1.8/3 V SIM卡。模块的RXD口与单片机的RXD口相连，TXD口与单片机的TXD口相连，构成串口通讯，从而使单片机可以通过AT指令集控制SIM800A模块发送报警短信。模块内部具体原理如图6所示。

图6 SIM800A电路原理图

2.6 继电器控制电路

继电器是一种广泛应用于自动化控制领域的器件，它能实现隔断功能，因而广泛应用于遥控、遥测等设备中。在本系统中，继电器由三极管9012带动，三极管9102的基极与单片机P1.4引脚相连。当检测到有人时，P1.4口输出为低电平，三极管导通带动继电器通电，从而使衔铁的动静触点吸合，LED指示灯亮起来，与端子相连的车门开启电路启动。继电器控制电路的原理如图7所示。

2.7 二挡拨动开关检测电路

通过拨动开关实现对系统运行模式的切换。当二档拨动开关拨下去时，单片机控制引脚P1.3为低电平，系统进入工作模式；当二档拨动开关拨上去时，单片机控制引脚P1.3为高电平，系统进入待机模式。其电路原理如图8所示。

图8 拨动开关检测电路原理图

3 系统软件设计

程序编写软件采用Keil C51和Proteus 7.8软件。其中，Keil C51为编程工具，主要进行程序的撰写、调试和产生一个可执行性文件“*.hex”；Proteus 7.8是一个专业的单片机仿真软件，主要对系统的运行过程进行仿真模拟。具体运行流程如图9所示。

图9 系统运行流程图

主控算法步骤如下：

(1)对IO口、定时器和串口进行初始化；

(2)判断二档拨动开关是否拨下去，如果检测到拨动开关拨下去，代表司机拔下钥匙，则系统进入工作模式，否则转到(1)；

(3)检测热释红外感应模块和声音检测模块是否异常，如无异常或只有一种异常，则转到(1)；

(4)若热释红外感应模块和声音检测模块同时检测到异常，则继电器通电；

(5)LED警示灯亮起(报警)，与端子相连的车门开启电路启动(车门打开)；

(6)循环播放报警录音，继而司机手机客户端接收到报警短信。

4 系统实物图及测试结果分析

4.1 系统实物图

图10为系统实物图。从图10可以看出，将拨动开关拨上去代表司机将钥匙插上，则系统进入待机模式，在待机模式下，系统报警功能模块不工作；将拨动开关拨下去代表司机拔下钥匙，则系统进入启动模式，即系统报警功能模块可以正常工作。

图10 系统实物图

当司机拔下钥匙(拨动开关拨下去)时，可能出现以下几种情况：

(1)车内没人。车内没人时，红外传感器和声音传感器分别输出“0”和“1”，此时系统进入待机状态。

(2)车内有人。当红外传感器被遮挡并且车内有声音发出时，红外传感器和声音传感器分别输出“1”和“0”，语音报警器立马开启，通过ISD1820模块播放录制好的报警语音，扬声器自动播报“车内有儿童被遗留”，GSM模块发送预先写入的报警短信给手机端，同时继电器灯亮起，车门被自动打开。

4.2 系统测试

为了测试系统性能，以10组不同距离、不同音量的数据分别测试相应模块是否工作及响应时间、是否漏报和是否误报等情况。具体数据见表1。

表1 儿童滞留校车报警系统测试表

由表1可以看出，该系统对声音强度在40 dB以上、距离小于3.5 m的报警准确率是百分之百，未出现漏报和误报的情况；而且在有效范围内测试距离越近、音量越高，系统响应时间越短、准确率越高。

5 结论

针对当前校车安全隐患问题进行研究，设计开发出儿童滞留校车报警系统。该系统以单片机作为控制核心，根据传感器检测的信号，对报警模块做出控制。通过多次测试，发现该系统具有准确度高、安装维护简单、成本低、扩展性强等优点。