儿童滞留车内主动安全防护系统设计

2020-12-29吕绪浩何文超

机电信息 2020年36期

吕绪浩何文超徐婷

（东北师范大学人文学院理工学院，吉林长春130117）

0 引言

儿童乘车安全是汽车安全领域的重要课题之一，目前研究工作主要集中在儿童约束系统的优化设计及其安全性评价等方面，对于车辆驻停后滞留车内儿童的安全问题缺乏深入研究。美国Kids and Cars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，儿童滞留车内热窒息死亡率达58%，远高于其他伤害类型[1]。

针对该问题，本文设计一套主动安全防护系统，通过监测驻停车辆内的实时温度及儿童滞留状态综合判定是否启动防护报警功能。

1 主动防护系统总体设计

1.1 总体方案设计

儿童滞留车内主动防护系统主要由微控制器模块、信号检测模块和防护报警模块组成。微控制器模块以STM32单片机为核心，信号检测模块包括驻车状态检测电路、摄像头人脸检测电路和车内温度检测电路，防护报警模块包括车窗升降控制电路、声光报警电路和远程报警电路。图1为儿童滞留车内主动防护系统组成示意图。

图1 主动防护系统组成示意图

1.2 工作原理

儿童滞留车内主动防护系统的工作原理为：驻车状态检测电路通过传感器判断车辆是否真实驻停，当车辆驻停后，摄像头人脸检测电路判断是否有儿童滞留，如有儿童滞留，车内温度检测电路将测量温度传至微控制器。微控制器根据接收到的温度判定是否启动防护报警模块。当温度超过报警阈值，微控制器向车窗升降控制电路、声光报警电路和远程报警电路发出报警指令，启动防护功能。

2 硬件电路设计

2.1 微控制器模块

微控制器模块以STM32F103型单片机为控制核心，与外围信号检测模块和防护报警模块电路相连，如图2所示。

图2 微控制器模块接口电路

2.2 信号检测模块

2.2.1 车辆驻停检测电路

车辆驻停检测电路采用多传感器多项数据融合的方法判断车辆是否真实驻停，电路原理图如图3所示，主要由GPS+北斗双模定位模组S1216F8-BD、三轴加速度计MPU6050、原车电源开关状态和门锁开关状态检测电路组成。原车电源开关状态和门锁开关状态通过电压方式检测，光耦隔离器PC817起到电压转换作用的同时，隔离了检测装置对原车电器的影响。

2.2.2 摄像头人脸检测电路

摄像头人脸检测电路采用嵌入式OpenMV机器视觉模块，利用内置Haar Cascade 特征检测器实现人脸检测功能。Cascade分类器将Haar特征分为25个阶段进行级联检测。图4为OpenMV实物和人脸检测效果。

2.2.3 车内温度检测电路

参照职业卫生标准《职业性中暑的诊断》（GBZ 41—2019）[2]，当体温超过38 ℃时身体开始热衰竭。由于高温环境下红外传感器测量人体体温误差较大，本文暂以环境温度达到38 ℃作为报警阈值。温度传感器选用DS18B20，单总线结构，只需占用一根端口线与微处理器通信，节省了大量引线和逻辑电路。

2.3 防护报警模块

2.3.1 车窗升降控制电路

儿童滞留车内发生危险时，首要措施是降温通风。车窗升降控制电路使用原车车窗升降机构，当微控制器启动防护功能时，继电器吸合，接通车窗升降机构电源使车窗下降。

图3 车辆驻停信号检测电路

图4 OpenMV实物及人脸检测效果

2.3.2 声光报警电路

儿童滞留车内发生危险时，路人是最直接有效的救助人员。声光报警电路采用原车闪光灯和防盗喇叭，当微控制器启动报警功能时，发出控制信号使继电器吸合，接通闪光灯和防盗喇叭电源，声光报警提醒路人注意。

2.3.3 远程报警电路

儿童滞留车内发生危险时，需及时通知车主返回。远程报警电路采用安信可公司的工业级四频GSM/GPRS A6模组，工作频段850/900/1 800/1 900 MHz，可低功耗实现短信数据信息的传输。电路如图5所示。

图5 远程报警电路

3 软件程序设计

本文设计的儿童滞留车内主动防护系统的程序流程如图6所示：系统初始化后，首先通过GPS模块检测车辆的速度，当车速低于某一值时基本可以判断车辆处于静止状态；然后再辅以三轴加速度计，对空间X、Y、Z三个维度的加速度进行矢量合成，形成与重力加速度方向一致的矢量和a，当矢量和在1个重力加速度左右时即可判断车辆处于静止状态[3]；最后通过检测原车电源开关状态和门锁开关状态判断车辆是否处于真实停驻状态；如果车辆驻停，摄像头人脸检测模块执行人脸检测算法，当检测到车内有滞留儿童时，读取温度传感器温度，若超过设定阈值，降下车窗通风降温，声光报警提醒路人注意，同时GSM短信通知车主速速返回。