基于无线传感器网络的车内儿童滞留检测系统的研究 ①

2021-01-13陈思维胡单辉

佳木斯大学学报（自然科学版） 2020年4期

林倩，陈思维，胡单辉

(青海民族大学物理与电子信息工程学院，青海西宁 810007)

0 引言

近年来，高温导致滞留于车内儿童死亡的新闻时常出现，这种悲剧大多都是因为驾驶员的粗心大意导致的。在炎热的夏季，室外气温很容易达到40℃，而我国的地下停车系统远远不能满足现有汽车的停车需求，大多数车辆只得在室外停放，因此加剧了儿童滞留悲剧的发生。面对这个问题，目前市场中并没有相应的设备或系统来有效解决。

提出一种基于无线传感网络的车内儿童滞留检测系统，可以有效的解决这种迫切的需求。该系统利用霍尔传感器、红外CO2探测模块、温度检测模块、语音模块、无线信息传输模块和LCD模块，实现当车主离车之后对车内是否有滞留人员和温度进行实时监测，达到预警的作用，从而减少潜在悲剧的发生。

1 系统总体设计

1.1 系统构架的设计思路

这里以STC89C52单片机作为数据处理与控制中心，以霍尔传感器、红外线CO2传感器和温度传感器作为信号控制电路，外接显示模块和语音模块及GSM模块共同组成整个系统。系统框图如图1所示，其中单片机负责接收控制信令和处理预设程序，二氧化碳和温度传感器来采集数据。当车内CO2浓度和温度超过设定的数值，通过微处理器对温度数据进行处理后发送给GSM模块，同时当车主离车之后对车内是否有滞留人员、CO2浓度和温度超限时，该系统利用语音模块实现车外语音播报求救同时系统通过GSM模块向车主手机发送报警信息。

图1 系统框架图

1.2 系统总体设计

通过功能要求分析，系统的设计方案如下：用四个按键控制二氧化碳和温度阈值的设定，设备的运行和暂停；具体采用霍尔传感器检测车辆是否停止，采用红外二氧化碳传感器检测二氧化碳的浓度判断车内是否有儿童滞留，采用数字型温度传感器DS18B20测量环境的温度。以上数据经单片机处理之后可通过LCD1602进行实时显示，将采集到的温度和二氧化碳浓度超过设定的阈值时该系统利用语音模块实现车外语音播报求救以及通过GSM模块以短消息的方式发送告警信息到用户手机。

2 硬件电路设计

2.1 系统硬件设计

硬件电路组成包括单片机主控电路，霍尔传感器、红外CO2探测模块、温度检测模块和、语音模块、车外报警模块、GSM报警模块和LCD模块组成。系统原理图如图2所示。

图2 系统原理图

2.2 单片机最小系统

该系统的单片机最小系统包括晶振、电源、复位等部分。最小系统原理图如图3所示。

图3 最小系统原理图

2.3 霍尔传感器电路

霍尔传感器选用ES3144，因其具有两种模式模块无触发和模块有触发，灵敏度可调可用于电机测速。首先将霍尔模块的VCC引脚接5V电源，GND引脚接地，保证模块正常工作。然后将霍尔模块的OUTPUT引脚与单片机的P2.3口相接，把获得的数据发送给单片机，实现单片机对后续CO2模块的控制,电路图见图4。

2.4 二氧化碳检测电路

CO2传感器选用MH-Z19，它是一个通用型，小型传感器，利用非色散红外(NDIR)原理对空气中存在的CO2进行探测，具有良好的选择性，是一种高性能的传感器。部分电路将模块的VCC引脚接5V电源，GND引脚接地，保证模块正常工作。然后将CO2模块的RX引脚与单片机的P3.1口(RXD)相接，把获得的CO2数据信息发送给单片机。将CO2模块的TX引脚与单片机的P3.0口(TXD)相连实现单片机对模块的控制。CO2模块电路图如图5所示。

图4 霍尔传感器电路图

图5 二氧化碳模块电路图

2.5 温度检测电路

设备使用数字集成型DS18B20温度传感器作为温度检测器。温度模块电路如图6所示，将温度模块的VCC引脚接5V电源，GND引脚接地，保证模块正常工作。然后将温度模块DQ引脚与单片机的P3.7口(RD)相连接，实现单片机对模块数据的读取。

2.6 语音模块

设备使用WT588D语音模块，这是一款具有单片机内核的语音芯片，模块功能多音质好应用范围广性能稳定，弥补了以往各类语音芯片应用领域狭小的缺陷。语音模块电路如图7所示，将语音模块的VCC引脚接5V电源，GND引脚接地，保证模块正常工作。然后将温度模块通过 P01 拉低I/O 口的电平或相关 I/O 口输入脉冲，就可达到控制触发语音播放的效果。实现单片机对语音模块数据的控制，使语音模块工作，向车外行人求助。

图6 温度模块电路图

图7 语音模块电路图

图8 SIM800C通信模块电路

2.7 GSM无线传感电路

设备采用的是SIM800C作为无线通信模块。该模块由SIMcom公司生产的新型的具有双频GSM/GPRS通信的模块，通信模块是建立在GSM移动网络基础上的，可以实现远距离通信。

SIM800C通信模块电路如图8所示，首先将模块的VCC引脚接5.5V电源，GND引脚接地，保证模块正常工作。其次将SIM800C模块的RX引脚与单片机的P3.1口(RXD)相接，把远程位置信息获取指令传输给单片机。再将SIM800C模块的TX引脚与单片机的P3.0口(TXD)相连实现单片机控制SIM800C发送位置信息。

2.8 LCD显示电路

系统选用LCD1602进行温度和信息的显示。该LCD液晶显示器具有体积小、低功耗等优点。LCD1602最多能显示出两行字符，且每行只能显示出16个字符。稳定工作电压为4.5V到5.5V之间，共有8个进行双向数据交换的引脚D0-D7，一个数据使能引脚E，一个读写选择引脚RW，以及其他接电源、接地和调光引脚。LCD1602显示模块电路如图9所示。

图9 LCD1602显示模块电路

3 系统的软件设计

3.1 系统主程序设计

系统主程序流程图如图10所示。首先进行整个系统初始化，具体包括LCD1602初始化、串口初始化、CO2模块初始化、温度模块初始化、SIM800C初始化、中断初始化。

系统初始化完成后霍尔传感器负责触发整个系统，当车内CO2浓度超过设定的数值时温度传感器启动反之则继续检测CO2浓度，同时当温度超过设定的数值时通过微处理器控制语音模块实现车外语音求助以及对温度数据进行处理后发送给GSM模块，这样就可以借助GSM的短消息业务将测量到的温度发给用户手机。

图10 主程序流程图

4 系统调试与功能演示

根据图2焊接好相应的FCB电路，进行系统软硬件测试。首先将设计所要求的C程序写入Keil中进行编译，最终编译、仿真无误后对实际电路进行调试。实物测试和短信接收如图11和12所示，由图11可以看出模拟车辆停靠时实际电路工作正常， LCD实时显示车内二氧化碳浓度和温度，当超过两者的阈值时成功启动车外语音报警功能同时触发GSM模块发送求救短信。如图12所示，求救短信成功发送给车主并间隔一定时间重复发送。测试结果表明，该系统能实现车内儿童滞留预警、发送求救短信等功能，达到预期设计目标。