智能车载儿童守护系统的设计与实现

赵春波 李超 王鑫 马雪

摘 要：智能车载儿童守护系统以STM32单片机为核心，由温度传感器、CO2传感器、压力传感器、红外传感器、蜂鸣器、液晶显示、GSM、手机报警APP等模块组成。该系统能够实时监测车内环境，进行人体探测，当车内空气与温度达到危害人身安全的阈值时，向预定手机发送报警信息。整个系统移植性强，可广泛应用于私家车与校车，能有效避免儿童遗忘在车内导致死亡的悲剧发生。

关键词：STM32;车内环境监测;GSM;传感器;人体探测;APP报警

中图分类号：TP23文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）10-00-02

0 引 言

近几年，不论国内还是国外，在私家车与校车中，儿童因被遗忘而锁在车内最终导致死亡的悲剧频频发生。据统计，从2018年4月到2018年8月，仅国内每个月至少有一个孩子因此死亡;在美国，近十年间至少有231名儿童被遗忘在车内因高温或窒息而死亡。经查阅资料分析发现，造成孩子被锁车内死亡的原因主要有两点。

（1）车内高温使孩子严重脱水死亡

实验证明，当室外温度为34.9 ℃时，短短一个半小时内车内温度能够达到56.3 ℃[1]，远超人体所能承受的范围，在这种环境下孩子会很快严重脱水，导致生命安全受到威胁。

（2）车内CO2浓度过高使孩子窒息死亡

研究表明，高于5 000 ppm的CO2可直接致人死亡，而车内是一个相对密闭的环境，氧气会被很快耗尽，CO2浓度随之升高，致使儿童窒息从而引发死亡[2]。

物联网技术的出现为解决此类问题提供了新的思路。目前出现的防止儿童因遗忘在封闭汽车内而死亡的装置主要有：田瑜基[3]等提出的通过压力、温度传感器检测车内是否有滞留活体;蓝芳芳[4]等通过CO2传感器、红外传感器等多种传感器相结合检测车内儿童。

以上方法为解决儿童被遗忘在车内导致伤害事件提供了具体方法，但都存在一定的缺陷：有些方案成本高或需要专门的设备;检测手段单一，难以有效避免误报和漏报;不能区分儿童是被遗忘在车内还是短时间逗留，不符合实际应用状况;报警方式简单，多数方案不具备远程报警能力。

針对以上问题，本文提出一种基于单片机控制[5]的智能车载儿童守护系统，该系统以STM32为核心，利用多种传感器对车内环境与人体进行冗余检测，以防漏报或误报，当人体探测模块检测到车内有人且不利环境将对人身造成危害时，报警模块提供近程及远程报警，以便及时施救。

1 系统功能设计

根据上述分析，整个系统由车内环境检测、人体探测、报警、电源等部分组成，系统组成如图1所示。

1.1 环境监测模块

由于孩子死亡的主要原因是温度和CO2浓度过高，因此该系统需具备同时实时监测车内温度与CO2浓度的功能，并将任一因素的非正常变化作为触发人体探测及报警的条件。

对环境参数的监测分别采用DHT11型温湿度传感器与YA-C21A型CO2浓度传感器实现。其中，DHT11型温湿度传感器的温度测量范围为0～50 ℃，最大误差不超过2 ℃，最大响应时间不超过15 s;YA-C21A型CO2浓度传感器的测量范围为0～2 000 ppm，精度为+（50 ppm+3%读数值），最大响应时间不超过3 min，两种传感器都能够满足系统需求。

1.2 人体探测模块

人体探测模块主要负责对车内人体进行探测，该模块由HC-SR501型热释电红外传感器[6]与压力传感器组成。由于热释电红外传感器存在“无法探测到静止人体”的缺陷，同时考虑到车内人员可能坐在车座上处于静止状态（如孩子睡着等），因此在车座下加装压力传感器作为补充检测手段。采用多种传感器冗余探测的方式最大限度地减小人体探测的“死角”，提高人体探测模块工作的有效性，防止漏报或误报。

1.3 报警模块

当车内有人存在且环境持续恶化对人体可能造成危害时，报警模块开始工作。本文系统设计了多种报警方式，以避免单一方式失效或不能成功报警的情况：

（1）向指定手机发送报警信息[7]触发手机端报警APP，使手机持续震动或响铃，该警报不受手机本身设置的影响，会不间断报警直到用户手动关闭，同时报警APP显示报警时刻车内的温度与CO2浓度以及报警等级，如果能够确认驾驶人员只是暂时离开而非遗忘，可远程关闭警报;

（2）注重群众的力量，系统在向指定手机进行报警的同时以“蜂鸣器、液晶显示”的方式进行声光结合的报警，引起路人的注意，在司机无法及时赶到现场时寻求路人的帮助。

2 系统的软件实现

2.1 APP设计

系统软件部分的编程采用Java与Android，该软件主要负责向指定手机报警。在APP运行过程中，一旦接收到固定号码发来的短信，系统就会发送一个广播[8]，随后立刻使手机振动、响铃。与此同时，软件提取并显示短信内容中的温度值和CO2浓度值，推算出危险等级，并用黄、橙、红三种颜色的进度条显示，用户必须手动关闭报警提示框才能取消报警。软件报警界面如图2所示。

2.2 报警等级算法设计

在报警等级[9]设计中，对危险度进行计算，并区分为三个等级：危险度在[0，33]时为初级，（33，66]时为中级，（66，100]时为高级。简便起见（在保证系统安全的基础上），将危险度设为与温度值和CO2浓度值呈线性关系。实际运算中，分别对温度与CO2浓度的危险度进行计算，并取两者中较大的值作为最终危险度。温度与危险度的关系如图3所示，CO2浓度与危险度的关系如图4所示。

3 系统测试

為减少对车内空间的占用，系统各装置布置如图5所示。

测试环境设置：将温度报警阈值设置为20 ℃，CO2浓度阈值设为300 ppm，分别对活动人体、静止人体、干扰物体进行测试。测试结果显示，温度、CO2测量值与专业检测设备误差不超过3%，APP、声光报警成功率达到98%以上，完全符合系统预期的设计目标。

4 结 语

本文设计的智能车载儿童守护系统可实现对车内环境的实时监测及准确有效的人体探测，并在车内环境恶劣且有人时进行多种方式相结合的报警。该系统移植性强，可广泛应用于私家车以及校车中，有效防止儿童因被遗忘在车内而导致死亡的悲剧发生，同时也为解决该类问题提供了一个新颖的解决思路。在未来的发展中，可根据实际使用情况继续改进系统，致力于系统的小型化与轻量化，并最终实现系统与汽车的一体化生产，以减少系统对车内空间的影响，并在汽车生产过程中将其作为汽车的一种标准配置。

参 考 文 献

[1] KING K K，NEGUS K VANCE J C.Heats stress in motor vehicles：a problem infancy [J]. Pediatrics，1981（68）：579-582.

[2] FOUZI M S，SULAIMAN S A.Effect of recirculation on air quality in a car compartment [J]. Australia journal of basic and applied sciences，2014（8）：466-470.

[3]田瑜基，柏鹤，陈云.一种儿童被锁车内报警系统：中国CN20160461701.X [P].

[4]蓝芳芳，杨玲玲，刘珊.儿童被锁车内报警器及其检测方法：中国，CN201610361810.9[P].

[5]胡启明，程钢.51单片机应用开发从入门到精通[M].北京：人民邮电出版社，2012：90-124.

[6]王华祥，张淑英.传感器原理及应用[M]. 天津：天津大学出版社，2017：66-79.

[7]张涛.C8051F020单片机与GPS接收板串行通信的设计[J].计算机与数学工程，2011，39（8）：189-191.

[8]耿祥义，张跃平.Java2实用教程[M].北京：清华大学出版社，2016：36-119.

[9]传智播客高教产品研发部.Android移动应用基础教程[M].北京：中国铁道出版社，2015：45-98.

[10]张永生，张梦杰，范金鑫，等.基于STM32F103的车载儿童防滞留报警系统[J].内燃机与配件，2017（12）：132-133.