基于嵌入式系统的汽车乘客生命智能监护系统研究与开发

肖家宝，王玉国，洪 磊，余森泽

（南京工程学院 汽车与轨道交通学院，江苏 南京 211167）

1 引言

随着汽车保有量的不断增加，汽车成为了很多家庭必不可少的出行工具。随之各种安全隐患不断暴露出来。一项不完全统计表明，在美国平均每9天就有1名儿童因此丧生。另外，车内致死现象不止发生在儿童身上。高温、缺氧、CO中毒［1］等都会导致车内乘客致死事故发生。例如，CO2浓度过高会使驾驶员产生困意，甚至产生晕厥引发交通事故。

研究表明：在夏天32℃太阳直射下，不到20min车内温度可急剧上升至60℃以上［2］。高温还会导致车内坐垫等皮质或塑料材质物品释放出甲醛等有害气体，危害乘客身体健康［3］。

针对上述问题，有人提出让家长教孩子按汽车喇叭进行自救，还有人提出给孩子准备一张写上“救命”A4大小的白纸，让孩子自行寻求路人帮助，也有人提出教孩子使用安全锤，让孩子自救。但诸如此类的方法仅对有一定自理能力的孩子有效，而往往车内高温致死的孩子只有2岁左右年龄，根本无法自救。

美国学者Edward Sazonov和Tim Haskew发明了一种监测装置。当一辆热气腾腾的汽车内部检测到儿童或动物呼吸的CO2时，会发出手机警报。该装置仅能发出警报而无法实现远程自救。高温环境下儿童死亡往往发生在短短的几分钟时间里，在车主收到警报后也很难及时实施救援。

针对以上问题，采用温湿度传感器、CO传感器、语音模块、摄像头模块、无线模块［4］等功能模块以及ARM嵌入式系统，设计出一套能自动监测汽车客室环境并能对车内环境进行自动调节的系统。

2 汽车乘客生命智能监护系统总体设计

汽车乘客生命智能监护系统业务流程如图1所示。由车载端、服务器端和远程客户端3大部分组成，每一部分子系统又包括信息感知层、信息处理层、信息反馈层以及动作执行层。

图1 汽车乘客生命智能监护系统业务流程

3 汽车乘客生命智能监护系统车载端系统开发

汽车乘客生命智能监护系统车载端又包括车载环境检测系统和车载控制系统两部分，实现对车内环境的监测、显示、调控。

车载检测系统将检测到的车内温度、湿度、有害气体浓度等参数通过总线传输至车载控制系统，由车载控制系统进行数据显示、无线传输、阈值判断以及智能控制等操作。保证车内乘客能实时观察到车内环境指标，并通过车载控制系统对车内环境进行调节。

3.1 车载检测系统开发

汽车乘客生命智能监护系统的车载检测子系统架构如图2所示。车载检测子系统由温湿度传感器、CO传感器、CO2传感器、甲醛传感器、压力传感器等各类感器模块以及摄像头模块组成。对汽车客室的温湿度、CO、CO2、甲醛浓度以及车内乘客数量进行实时监测，并通过总线将获取的数据传输至车载控制系统。

图2 车载检测系统架构

温湿度传感器选用分辨率为0.1℃、精度为±0.5℃、检测范围为-40～80℃的单总线式DHT22温湿度传感器；CO2传感器选取测量范围为400～8192ppm、允许使用温度为-40～125℃的IIC通信的CCS811 CO2传感器模块；选取检测范围10～1000ppm的MQ-7CO传感器、5～500ppm的MQ-138气体传感器对车内CO、甲醛、苯等有毒气体浓度进行监测，MQ-7、MQ-138连接8位低功耗PCF8591模数转换模块，将模拟电压值转换成数字信号并通过IIC接口传输给车载控制系统。

3.2 车载控制系统开发

汽车乘客生命智能监护系统的车载控制子系统架构如图3所示。车载控制系统采用搭载Linux操作系统的ARM Cortex-A53嵌入式工控板作为中央控制器。通过总线获取车载环境检测系统传输而来的数据，外接电容式触摸屏对车内当前环境数据进行显示，通过无线传输模块将车内环境数据实时传输至服务器。

图3 车载控制系统架构

当客室环境危害到乘客生命安全时，系统首先会对车内乘客进行语音提醒，若超过时间阈值后车内环境未发生转变，则通过GSM模块对车主进行短信预警。

车载控制系统控制器为1.4GHz、64位、四核Cortex-A53处理器的ARM控制板；无线传输部分采用ME909S-821通信模块，将信号采集系统获取的数据通过4G网络上传到云端服务器。当车内环境出现危险时，对车主发送求救短信信息和电话拨号；语音预警模块选用SYN6658语音合成模块，控制器通过串口输入数据，合成需要播放的语音，实现对车内乘客的预警。

车载控制系统工作流程如图4所示。车载端上电启动后系统开始工作，首先检测系统对车内环境进行检测，将获得的数据传输至车载控制系统。

车载控制系统一方面将检测而来的数据上传至云端服务器进行存储，另一方面读取云端设定的阈值。将各环境参数与设定的阈值进行比对：若超出所设定的安全范围则进行车内有无遗留乘客的判断，若未超出安全范围则继续检测；若车内无遗留乘客则不进行任何处理；若车内有遗留乘客则对遗留乘客进行语音预警，提示车内乘客进行手动调节车内环境；若车内有遗留乘客，且乘客未采取任何措施来改善汽车客室环境，车载控制系统则通过GSM模块对车主进行短信预警，及时提醒车主通过远程客户端对客室环境进行调节；若车主也未进行任何处理，则交由控制系统做出必要的应急措施以保证乘客生命安全。

4 汽车乘客生命智能监护系统服务器及远程客户端开发

综合安全性、稳定性、经济性等方面因素考虑，服务器选择商业云端服务器。如图5所示，服务器端一方面对多台车载端传输来的数据进行整合存储，以供用户通过客户端随时调取查看，另一方面读取客户端发送来的控制指令开启或关闭车内摄像头模块、控制汽车进行通风降温。

如图6所示，客户端包括PC端和手机端。用户可以通过客户端随时调取服务器上存储的车内环境数据查看，并对各环境参数阈值以及紧急呼叫号码进行修改。另外，可以远程控制车内空调等其他设备进行通风降温以调节汽车客室环境。

图4 车载控制系统工作流程图

图5 车载控制系统架构图

5 结束语

1）采用温湿度传感器、CO传感器、语音和摄像头等传感监测装置，结合嵌入式系统技术，研究开发了一种能自动监测汽车客室环境并能对车内环境进行自动调节的系统。

2）当客室环境危害到乘客生命健康时对车内乘客进行预警，保证了车内乘客生命安全。利用无线通信技术结合互联网数据云技术使得车主能实时查看和控制汽车当前状况。

图6 客户端架构图