红外线车内安全监测系统的设计

2021-02-02杨喜莲

科技视界 2021年3期

杨喜莲商杰赵健

（泰山学院<物理与电子工程学院>，山东泰安 271000）

0 引言

近年来，随着人们生活水平的进一步提升，汽车在日常生活中的使用越来越普遍，随之而来的是时常会发生一些车内安全事故。比如，有些成年人粗心大意误将自己的孩子或者宠物锁在车里，或者是某些小孩子不懂事贪玩将自己反锁于车中，如果家长未及时发现可能引发窒息死亡的惨案。

红外线车内安全监测系统借助热释电传感器来监测车内是否有儿童或者宠物被反锁其中，如果有则发出警报，同时发送警示信息到驾驶员手机的安全监测平台软件，通知驾驶员及时处理危险情况。系统再利用温度传感器和气敏传感器对车内环境温度和氧气浓度状况进行检测，当有窒息危险时，驾驶员未及时赶到进行处理，系统的车窗驱动器会适当降低车窗来通风，并启动更高级别警报；在引发高级别警报后，系统会通过STM32F407单片机发出控制指令开启指纹或密码锁来解锁车门，以防驾驶员因钥匙反锁车内无法打开车门。这样可以防止意外的发生。

1 系统总体结构

该系统由STM32F407单片机总体控制，各个模块单独工作，系统整体结构如图1所示。

2 系统硬件组成

红外线车内安全监测系统由主控制模块、数据采集模块、报警模块、无线通信模块、指纹解锁以及车窗驱动模块等组成。

图1 整体结构框图

2.1 系统主控制模块

系统主控制模块采用STM32f407单片机。该单片机是意法半导体公司使用了ARM最新的Cortex M4内核设计的高性能芯片，采用了三级流水线技术，工作频率可以达到168MHz，芯片内部资源丰富，具有定时器、串行接口、实时时钟、AD转换、DA转换、GPIO、大容量的RAM和Flash存储器，可以胜任高速精准控制和大量运算。

2.2 数据采集模块

2.2.1 热释电传感器

人体的体温一般在37℃左右，会持续辐射出波长10微米左右的红外线。热释电传感器采用被动式红外探头探测人体发出的红外线而进行工作。人体发出的红外线通过菲泥尔滤光透镜增强后聚集到红外感应源上。红外感应源采用热释电元件，在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，经过检测电路处理后就能产生报警信号。热释电传感器框图如图2所示。

图2 热释电传感器框图

2.2.2 温度传感器

温度传感器用来检测车内温度值，采用DS18b20芯片。该温度传感器芯片能够检测-55℃—+125℃温度范围，精度0.0625℃，转换时间0.75 s，采用单总线数字化输出，工作电压宽泛，可以多点组网，方便使用且成本低，完全满足车内温度检测要求。

2.2.3 气敏传感器

气敏传感器用来检测车内氧气浓度，采用深圳市新世联科技有限公司的O2-A2氧气传感器。该传感器测量氧气浓度范围（%）：0-30，工作寿命：>24达到初始信号的85%时的月数，尺寸：φ20.3 mm×16.8 mm，方便安装在车内。

2.3 无线通信模块

系统的无线通信模块选用具备GPRS功能的SIM300。SIM300模块设计了三频/四频GSM/GPRS通信模式，可以通过GPRS无线方式传输数据。该模块体积小、成本低、可以利用太阳能供电。利用该模块将系统与智能手机无线连接，实现应急处理的同时向驾驶员发送信息，以便及时发现并处理可能的危险情况。

2.4 指纹解锁模块

指纹解锁采用ZN-600半导体指纹模块，该模块集成了指纹识别传感器和指纹算法芯片，接口简单，干湿手指均能识别，成功率高性能稳定可靠。模块采用半双工串行通信方式与单片机STM32f407通信，通信速度可达57 600 bps。模块实物图如图3所示。

图3 指纹识别

2.5 车窗驱动控制模块

热释电传感器在检测到车内有人或动物时，且温度过高、氧气不足的情况下，对车窗适当降低。驱动电路如图4所示。

图4 车窗驱动控制电路图

3 软件设计

对于STM32系列单片机，可以使用的编程语言有汇编和C语言，汇编语言执行效率高编写难度大，适合于编写启动代码；C语言比汇编语言执行效率略低但编写难度小，借助于意法半导体的STM32固件库使得程序设计高效快捷。因此，系统程序设计采用了C语言。以分模块方式，将各功能电路的软件程序分开独立编程、调试，通过各模块的接口连接，实现设计功能。主要由主程序、读取温度子程序、读取氧气浓度子程序、热释电传感器子程序、车窗升降驱动器子程序、指纹解锁子程序以及远程数据通信子程序等部分组成。