儿童遗留车内自动安全处理车载系统*

杨 宇，薛同川，施 洁，曹克明，刘烜宇，周学礼

(常熟理工学院物理与电子工程学院，江苏 常熟 215500)

0 引言

近几年来，我国汽车行业发展迅速，汽车拥有量基数十分庞大，而且汽车智能化、智慧化正成为汽车行业未来的重要发展趋势，这必将导致汽车与互联网的进一步结合——汽车物联网发展壮大[1]。同时所带来的潜在风险也不容小觑。美国KidsandCars组织对2001—2010年美国儿童车内非交通事故伤害进行统计和分类，结果显示，儿童车内滞留热窒息死亡占58%，远高于其他伤害类型[2]。

基于这一问题，本课题研究并设计了一款儿童遗留车内自动安全处理车载系统。该系统基于51单片机，可以实时监测车内环境参数，当车内有人员滞留且此时车内环境对人员有生命威胁时，执行相应措施并对车主及附近行人进行报警，从而及时挽救儿童生命。具有一定的社会效应与市场前景。

1 系统整体设计方案

系统整体设计框图如图1所示，系统可分为以下几块部分：环境监测模块、人体感应模块、主控模块、显示模块、预警模块。环境监测模块包括DHT11温湿度传感器；人体感应模块由热释电红外传感器组成；预警模块包括YS-M3语音播放器和SIM-800C通讯模块；显示模块由LCD1602A输出显示。可实现功能：进行实时环境数据监测并反馈给单片机；感应是否有儿童滞留于车中；检测车门是否关闭；当车内环境温湿度达到设定阈值，同时传感器检测到车内有人员滞留且车门关闭时启动预警模块，通过扩音器向周围行人发出警报:“警报，警报!车内儿童危险!”，同时向车主发送紧急警报短信:“The child is now in danger in the car!”。

图1 系统整体设计框图

2 系统硬件设计

2.1 主控芯片

主控芯片使用的是STC89C52单片机。STC89C52单片机为STC公司生产的一种51系列单片机，该单片机的性能优越，性价比高，耗电量少，采用CMOS8位控制器。而Flash存储有8K，可烧录大量程序，编写方式更灵活、效率更高、解决问题更有效[3,4]。

2.2 按键模块

按键部分由两个独立式按键组成，其中一个用来模拟车门开关，低电平有效。若此按键未按下，P 3.3口检测为高电平，表示车门打开；若按键按下，P 3.3口检测为低电平，表示车门关闭，此时车载预警模块开始检测运行。若预警模块正在运行时车门打开，则终止预警程序。另一个按键用来关闭总程序，当执行完报警程序后，单片机将检测该按键，若按下，总程序结束运行。否则，程序继续运行。

2.3 环境监测模块

对于车内温湿度的检测，本设计采用DHT11数字温湿度传感器完成。包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，通过单片机等微处理器简单的电路连接就能够实时地采集本地湿度和温度。其湿度测量范围为20%-95%，误差范围±5%，温度测量范围为0-50℃，误差范围±2℃[5]。DHT11通过温湿度传感器技术将数字信号校准输出，具有极高的可靠性与稳定性[6]。DHT11有4个引脚，其中VCC是供电引脚;DATA为数据引脚;NC为空引脚;GND为共地引脚。该传感器电压工作范围为3.3V～5V，平均工作电流为0.2 mA,其较宽的温湿度检测范围和合适的精度值可以满足系统检测的要求[7]。其中数据线DATA与单片机的P 2.0引脚相连接。传感器内部湿度和温度数据以40Bit一次性通过数据引脚传给单片机，数据采用校验和方式进行校验，能够有效地保证数据传输的准确性。

2.4 人体感应模块

热释电红外传感器采用HC-SR501型号，HC-SR501是基于红外线技术的自动控制模块，采用LHI778探头设计，具有灵敏度高、可靠性强的特点和超低电压工作模式。HC-SR501模块电路主要包括VCC、GND和OUT口。VCC供5V电源，当检测到室内有人时，OUT口输出为高电平，否则输出低电平[8]。其中输出引脚OUT与单片机P 2.1引脚相连接。

2.5 预警模块

预警模块包括YS-M3语音播放器和SIM-800C通讯模块。其中YS-M3是一个提供串口的MP3芯片，完美地集成了MP3、WMV的硬解码。通过简单的串口指令即可完成播放指定的音乐，以及如何播放音乐等功能，具有使用方便，稳定可靠等特点。其工作电压为5V直流，工作电流为1A,有9个触发端口。共有两种工作模式，分别为单键触发模式和编码触发模式。在本设计中选择单键触发模式，将触发端口A1与单片机P 3.2口相连，当P 3.2口提供低电平时，通过扩音器播放第一首MP3，即设定的警报语音:“警报，警报！车内儿童危险！”

GSM模块采用的是SIMCom公司生产的SIM800C模块，SIM800C模块较之前的SIM800E模块，价格更为低廉[9]。主要工作在850/900/1800/1900MHz频率，满足GSM2/2+标准，支持GSM/GPRS与AT指令控制，其性能稳定，外观小巧，性价比高，多样化的硬件接口可方便地与单片机进行通讯，可低功耗实现SMS和数据信息的传输。SIM800C模块可以通过AT指令进行GSM/GPRS无线通讯，也可以通过建立TCP连接到远程服务器来实现设备的远程监控和操作。SIM800C作为数据上传端和警报发送端，在数据出现异常后向用户SIM卡发送预警信息[10]。SIM800C共有4个引脚，其中VCC是供电引脚;TXD、RXD分别为数据发送、接收引脚;GND为共地引脚。工作电压范围为3.4V-4.4V，工作电流在1mA。TXD、RXD分别与单片机的RXD、TXD引脚相连。

2.6 显示模块

本设计采用LCD1602A作为显示设备，LCD 1602A是一种工业字符型液晶，能够同时显示16×02即32个字符[11]。其数据传输部分主要是由单片机P 0口来控制，采用8位并行传输。命令选择端、数据选择端和使能端由单片机的P 3.4-P 3.6控制。

3 系统软件设计

3.1 系统工作流程

如图2为软件主程序整体设计流程图，整个流程包括传感器模块、主控模块、预警模块、显示模块。

图2 软件主程序整体设计流程图

当单片机上电，首先对温湿度传感器、LCD显示屏、人体红外感应模块、通讯模块进行初始化，接着采集并监测环境数据，若未按下按键，则表示车门打开，否则，车门关闭。当车门关闭时，启动预警检测程序。如果单片机检测到人员滞留且环境数据达到预设阈值，则满足条件，执行预警功能，车内喇叭发出语音警报：“警报，警报！车内儿童危险！”，以此提醒附近行人，并同时发送警报短信至车主预留手机号：“The child is now in danger in the car!”提醒车主。本系统中使用LCD1602A来显示所监测到的数据。

3.2 人体感应预警模块

在本系统中，通过使用高灵敏度的HC-SR501，对车内进行实时监测。单片机会持续读取HC-SR501的输出，当输出读取到高电平时，触发预警模块。

首先，模块通电HC-SR501开始工作，此时单片机持续检测红外传感器的输出电平，如果车内有人员滞留，传感器输出为高电平，则执行预警程序，如果车内无人员滞留，那么传感器输出为低电平，不满足预警条件，单片机将继续检测人体红外传感器输出电平。

3.3 温湿度监测模块

首先将DHT11初始化，并且检测温湿度模块是否初始化正常，当初始化失败时，应该重新初始化，直到初始化成功。当温湿度模块正常工作时，将温湿度的整数部分显示在液晶模块上。

3.4 GSM模块

要使设计中采用的SIM800C模块正常工作，就需要使其接收到不同的AT指令，发送短信用到AT+CSCS、AT+CMGF、AT+CMGS三种指令。简单介绍一下三种命令的功能，AT+CSCS用于设置字符集，如需发送英文短信，指令为AT+CSCS=“GSM”，而发送中英文短信时，将指令改为：AT+CSCS=“UCS2”。AT+CMGF指令用于设置短消息模式，发送指令：AT+CMGF=1，即可设置为文本模式。如给手机号12345678910发送短信，则可用指令AT+CMGS来进行设置，发送指令：AT+CMGS=“12345678910”即可[12]。

4 实验结果与分析

本系统是基于51单片机的儿童遗留车内自动安全处理的车载系统，可实现对车内环境的实时监测且当环境参数达到危险阈值时及时采取预警措施。其中预警措施分为语音警报和短信发送警报，短送警报如图3所示。同时车内温湿度情况可显示在液晶屏幕上，如图4所示。

图3 预警短信

图4 环境参数显示

现以车内环境为例，对所测得的数据进行分析。

4.1 温湿度测量与分析

湿度测量选取FLUKE971作标准值，实验数据如表1所示。

表1 湿度测量值与相对误差

温度测量选取FLUKE971作标准值，实验数据如表2所示。

表2 温度测量值与相对误差

经过反复测试，所得数据误差不超过±5%，符合设计要求。

5 结束语

本文主要介绍了一款基于51单片机的儿童遗留车内自动安全处理的车载系统。该系统以STC89C52单片机为主控，利用传感器采集车内环境数据，在车内有人员存在且环境危险时进行预警操作。结合汽车物联网，顺应时代发展，具有一定的实用价值及发展前景，相信是未来发展的趋势。在本系统的基础上，还可以进行下一步功能提高，如加入酒精检测传感器模块，检测司机是否酒驾，以提醒其行驶安全。