幼儿遗落校车安全事故预警技术研究与系统设计

刘勇军，彭华

(1.黄淮学院 智能制造学院，河南 驻马店 463000；2.黄淮学院 图书馆，河南 驻马店 463000)

0 引 言

每到夏天，总有幼儿被遗落在校车上，造成死亡的事故发生。虽然我国颁布了《校车安全管理条例》，对校车的安全技术条件和司机、随车教师的配备均作了详细规定[1]，但是，由于监管的不足和人员的失职，此类事故仍屡有发生。学者和技术人员对校车安全事故的预防展开了广泛的研究，如利用红外避障传感器[2]、人体红外传感器[3]、压电传感器[4]、RFID射频卡[5-6]、视频人像识别技术[7-8]等对遗落的幼儿进行检测，但校车内部结构复杂，遗落的幼儿会以任意姿势处于校车的某一位置，以上检测方法均存在一定漏检率。有一些研究人员研究了校车位置和车内画面实时监控系统，在电脑端[9-10]和手机端[11]均可实时查看，但这些系统不具有主动报警功能。也有学者提出了发生事故时发送报警短信[12]或直接利用手机控制校车打开门窗[13]，但未进一步考虑如果短信不能被及时阅读，或者需要对校车进行改装，实施难度大。还有人提出提高校车驾驶员和乘务员的准入门槛以降低遗落事故发生率[14]，但这也不能保障万无一失。目前，对校车幼儿的检测以事故发生前的全员检测为主，存在漏检率；对于校车安全监控系统的研究偏重实时监控，缺乏针对发生事故时的应急处理措施或措施效果不佳。因此，研究一种幼儿遗落校车自动检测、短信和APP联合报警、地图显示校车位置的幼儿遗落校车预警系统，对提高幼儿乘车的安全性具有重要的意义。

解决幼儿遗落校车事故的关键问题是事故发生时如何报警？报警信息如何被幼儿园教师、幼儿家长和校车司机及时获知？事故发生时校车的位置在哪里？如果这几个问题能够解决，就可以给营救预留宝贵的时间，从而将事故的危险降至最低。本文基于以上考虑，设计幼儿遗落校车报警装置和移动APP，提高幼儿乘坐校车的安全性。

1 总体方案设计

系统原理框图如图1所示，总体方案设计分为检测控制装置和报警软件，检测控制装置安装在校车上，报警软件安装在司机、教师和家长的手机上。检测控制装置的主控制器采用Stm32，光电开关SQ1、行程开关SQ2、温度传感器T、2个MLX90621、薄膜开关Sij、GPS模块作为Stm32的输入，GSM模块作为Stm32的输出。SQ1用于检测司机是否离座，SQ2用于检测车门的启闭，T用于测量车内的环境温度，MLX90621和Sij用于遗落幼儿的检测，GPS模块用于检测校车的经纬度信息，GSM用于向指定的手机发送报警短信(短信中包含经纬度信息)。

图1 系统原理框图Fig.1 System block diagram

安装有报警软件的手机接收到报警短信后，APP会读取报警短信中的经纬度信息，并进行语音、振动、图片和文字报警，同时可以利用APP上的按钮打开电子地图，查看校车当前的地理位置，为施救提供便利。

2 检测系统设计

2.1 幼儿遗落检测

人体检测，特别是针对静止人体的检测一直是比较困难的问题。幼儿遗落校车事故中多数是因为幼儿在车上睡着所致。本设计采用红外热电堆阵列传感器和薄膜开关联合检测幼儿遗落校车的技术方案。2个红外热电堆阵列传感器ML-X90621安装在车内顶部，并列布置，每个传感器采集16×4个像素，2个传感器可以采集128个像素的温度值，并与车内环境温度进行比较，如果某个像素或相邻的某几个像素点的温度值高于环境温度一定的数值，则可认为有幼儿遗落在校车上。在每两排座位的中间地面上铺设薄膜开关，主要用于检测躺在座椅下的幼儿。

MLX90621传感器最佳供电电压2.6 V，本设计将3.3 V电源串联一个二极管(压降约0.7 V)给MLX90621传感器供电。MLX90621传感器采用I2C与控制器通信，MLX90621传感器与Stm32控制的接线如图2所示。在每个座椅下面及前后两排座椅之间的地板上均布置一个薄膜开关模块，每个模块包含多个薄膜开关，薄膜开关并联连接，2～3个模块之间再次并联后一端与GND相连，另一端连接至Stm32的GPIO端(GPIO外接上拉电阻)。

图2 MLX90621与Stm32的连接Fig.2 Connection of MLX90621 and Stm32

幼儿遗落检测的流程如图3所示，当司机离座且车门关闭时，检测校车内环境温度，如果车内环境温度超过28 ℃时，开始读取MLX90621传感器的温度值。MLX90621测量的温度值与环境温度有关，经过测试，当MLX90621测量的某个像素或相邻的几个像素点的温度值高于背景温度1.5～2.0 ℃时，可以认为有幼儿遗落在校车上。同时控制器判断接有薄膜开关模块的GPIO的电平，一旦发现有GPIO的电平为低电平，则也认为有幼儿遗落在校车上。

图3 幼儿遗落检测流程Fig.3 Flow chart of young left child detection

MLX90621内部有一个EEPROM存储器和一个RAM存储器，EEPROM存储器存放芯片的制造参数和用于计算像素点温度值的参数，RAM存储器存放测量的温度值。MLX90621初始化和测量、计算过程如图4所示。

首先,使用MLX90621进行初始化，其次，通过I2C通信，读取其RAM中的参数值。根据芯片手册，利用式(1)计算芯片的温度，然后利用EEPROM中的参数和式(2),计算每个像素点的温度值。

图4 MLX90621初始化与测量计算过程Fig.4 Flow chart of initialization，measurement and calculation of MLX90621

式中：KT1，KT2和VTH为存储在EEPROM中的参数；PTAT为存储在RAM中的参数，均可直接从芯片中读取。

273.15,

(2)

式中：Tij为目标像素点的温度；VC(i，j)为寄生补偿参数；αC(i，j)为补偿灵敏度系数；KS4为补偿因子。VC(i，j)、αC(i，j)和KS4为可以由EEPROM中读取的参数计算；TαK4和S(i，j)为中间转换结果，分别由式(3)式(4)计算。

TαK4=(Tα+273.15)4，

(3)

(4)

2.2 校车位置检测

目前，我国接送幼儿的校车通常由幼儿园管理或社会服务机构管理，也有一些属于私自改装车。接送幼儿的校车为专车专用，将幼儿送达目的地后，校车并不一定停在幼儿园内，司机也并不一定一直处于校车附近。发生幼儿遗落事故时，获知校车的位置对于快速展开营救至关重要。因此，幼儿遗落报警系统将采集发生幼儿遗落时校车的位置信息(经度和纬度)。

本文采取杭州中科微电子出品的北斗/GPS双模定位模块ATGM332D获取校车的GPS位置信息，该模块的输出定位信息符合NMEA0183协议，定位精度达2.5 m。Stm32通过串口(串口3)与定位模块相连，以读取导航信息，连接图如图5所示。

图5 GPS定位模块与Stm32的连接Fig.5 Connection of GPS modular and Stm32

由于本设计只需要获取校车的经纬度信息，因此，在接收的导航信息中只需对推荐的最小数据GNRMC(GN表示GPS和北斗联合定位)进行解析即可。RMC信息中的第4个字段为纬度，格式为ddmm.mm，第6个字段为经度，格式为dd-dmm.mm。解析后，将字符转换为数字，存储在变量中，为下一步的短信发送做好准备。

3 报警系统设计

3.1 短信报警设计

幼儿遗落校车属于小概率事件，仅在发生事故时主动发出报警信号，则可以降低校车运营方预防此类事故发生的成本，从而更容易被校车运营方所接受。报警信号需要及时、准确地传送给幼儿教师、校车司机和幼儿家长，相比较其他信息(如微信、QQ等)，手机短信则更容易被重视和及时查看。因此，本设计采用Sim800A型GPRS/GSM模块，在发生幼儿遗落时，向指定的手机群发短信。短信发送模块与Stm32通过串口相连(串口2)，如图6所示。

图6 GSM通信模块与控制器的连接Fig.6 Connection of GSM modular and Stm32

在校车运营过程中，司机、教师和幼儿均可能会发生变化，因此,需要方便修改接收短信的手机号码。本设计利用PC机，通过串口(串口1)向Stm32发送包含特定字符的包头($)、手机号码和包尾(&)的字符串，字符串格式如图7所示。每个电话号码后方添加一个回车和换行字符，以便于操作者编辑。

为了防止数据掉电丢失，Stm32接收到手机号码后，将数据转存至内部Flash中，在发送短信时再将数据从内部Flash中读出。为了防止手机号码的存储与代码空间重叠，可以将手机号码存储在主存储器中靠后的扇区中。电话号码接收、存储的流程如图8所示。

图7 PC向Stm32发送电话号码的格式Fig.7 Telephone number format from PC to Stm32

图8 电话号码接收与存储流程Fig.8 Telephone number reception and preservation chart flow

发送短信的流程如图9所示，在发生幼儿遗落校车时，Stm32控制器首先从内部Flash中读取存储的电话号码，其次，从GPS模块中读取经纬度信息，与短信合并，并同手机号码一起转换为PDU码，最后连同短信发送命令“AT+CMGS”一起通过串口发送给Sim800A模块，Sim800A模块完成报警短信的发送。

图9 发送短信流程Fig.9 Flow chart of alarm message sending

短信格式为“$#$您的孩子遗落在校车上了，请立即处理，校车当前位置：经度dddmm.mm，纬度ddmm.mm$#$。”，在短信的首尾添加特殊字符串“$#$”的目的是作为报警APP识别手机收到报警短信的信号，也可以防止误报警。

3.2 报警APP设计

在信息爆炸的时代，人们每天会收到大量的各类信息(包括手机短信)，这些信息并不能保证被及时查阅。如果幼儿遗落校车，预警系统发出的报警短信未被及时查阅，则会延误最佳营救时机，造成不可挽回的损失。因此，在收到报警短信时必须让手机机主及时查阅这一信息。在获知幼儿遗落校车后，对营救者而言，最重要的信息是校车的位置，以便实施营救。基于此，本文利用Android Studio设计了一个Android APP。该APP安装在校车司机、幼儿教师和幼儿家长的手机上，一旦手机收到指定号码发送过来的报警短信，APP将发出声音、振动、图片和文本报警，且必须通过手动消除报警，强制手机机主查看报警信息。

幼儿遗落报警APP的主界面如图10(a)所示，校车地理位置显示界面如图10(b)所示。Android APP始终监视接收到的短信内容，一旦发现收到的短信与报警短信的格式和内容匹配时，APP弹出报警对话框、驱动音频控制器播放报警音频、驱动振动器振动，APP主界面上的图片和文字闪烁，给予机主以充分的警示。

图10 报警APP界面Fig.10 Interface of alarm APP

点击“清除警报”按钮，可以消除报警(只能手动消除，否则持续报警)，通过点击APP上的“查看校车当前位置”按钮，可以调出电子地图，显示校车当前的地理位置。在地图显示界面点击“返回”按钮，可以返回到主界面。

4 系统测试及结果分析

系统硬件和软件设计完成后,在校车上进行测试，其中2个红外热电堆阵列传感器安装在车顶，向下辐射，薄膜开关夹在两片硅胶垫(薄膜开关间距为150 mm)中，硅胶垫放在座位下面和前后两排座椅之间的地板上。测试时每次将一名3～6岁的幼儿留在车上，幼儿可以坐/站/躺在校车的不同位置，并告诉幼儿可以躲藏，以便模拟最不利的情形，共测试200次，测试结果见表1。

表1 报警系统测试结果Tab.1 Test results of alarm system

从表1可知，如果只用热电堆红外阵列传感器检测遗落在校车上的幼儿，成功率只有83%，这主要是由于幼儿躺在座椅下方，或幼儿蜷缩在靠前或靠后的位置被座椅靠背遮挡，红外阵列传感器无法检测到幼儿的温度而造成的。只使用薄膜开关检测的成功率为56.5%，该结果并不是指幼儿触碰到薄膜开关时只有56.5%的概率检测到幼儿。因为薄膜开关只布置在座位下面和前后两排座位之间的地板上。在测试过程中，幼儿的位置是随机的，有的孩子没有躺在座位下面或没有踩在前后两排座椅之间的地板上，薄膜开关则无法检测到幼儿。通过红外热电堆阵列传感器和薄膜开关联合检测的成功率为94%，而GPS定位、GSM短信发送和APP报警的成功率也为94%，即只要能成功检测到幼儿遗落即可100%完成GPS定位、GSM短信发送和APP报警。

红外热电堆阵列传感器和薄膜开关联合检测仍有一定的漏检率，通过测试现场的观测和分析发现，当环境温度高于32 ℃时，由于人体温度与环境温度的差值减小，导致红外热电堆阵列传感器的辨别能力下降，因此，控制器尽量在30 ℃以下完成对幼儿遗落的判断。当幼儿蜷缩在校车前排或后排的座位上、红外热电堆阵列传感器无法照射到时，也会发生漏检的现象，这种漏检可以通过增加红外热阵列传感器的个数解决。

5 结 论

(1)针对幼儿被遗落校车造成伤亡事故屡有发生的问题，利用光电开关、行程开关、温度传感器和红外热电堆传感器设计了幼儿遗落校车检测控制装置，以检测是否有幼儿被遗落在校车上。

(2)利用GPS、GSM和Android Studio设计了具有幼儿遗落检测、校车定位、短信报警功能的报警装置和报警APP，发生幼儿遗落校车的事故时，系统向指定的手机发送报警短信、激活APP报警，并可以打开电子地图查看校车的当前位置，为实施营救提供便利。经过测试，设计的报警系统幼儿遗落检测成功率达94%，检测到幼儿遗落后发送报警短信、驱动APP报警和打开电子地图并定位的成功率达100%。

(3)所设计的报警装置可以安装在校车上，报警APP可以安装在幼儿教师、校车司机、家长的手机上，可以减少因幼儿遗落校车造成死亡事故的发生，提高幼儿乘车的安全性。