智能防止车内窒息监测系统

郭昕 朱嘉林 程进 王一飞 任宝凯 顾明凯 赵奕鈇 刘靖宇 王晓岚 张天睿 李晓彤 邹小平

北京信息科技大学,北京市传感器重点实验室，北京 100101

0 前言

近年来，车内窒息的悲剧多次上演。夏季天气炎热，许多车主将车停在路边等人或休息时，通常会紧闭车窗打开空调，从而引发车内窒息[1]的安全事故。此外，还有多起儿童被锁车内导致窒息死亡的事件[2]。据统计，每年因被锁在车内[3]窒息死亡的案件将近300起。尤其是今年，国内暴雨洪水频发，因意外被困车内身亡的人员多达数十人。对于被锁车内[4]或是已经窒息昏迷的人员，最重要的就是第一时间开窗[5]通风并进行救助，所以制作出一款防止车内窒息的智能监测系统是非常必要的。车内窒息的主要原因包括：车内密闭导致氧气浓度不够；停放的密闭车辆开空调时，因为汽油燃烧不充分可能会产生大量一氧化碳导致人中毒，甚至死亡；夏季密闭时车内温度仅15分钟就可高达65℃，及易致人缺氧死亡。早至2016年就曾发生儿童被锁在车内导致窒息身亡的悲剧，起初，针对于车内窒息隐患的应对方案仅仅是呼吁车主提高安全意识，直至2019年才有团队设计开发防止车内窒息的安全系统。但是，目前关于防止车内窒息的智能系统的研究多数处于设计层面，而且形式单一，几乎市面上所能查到的防止车内窒息的系统都是针对儿童所设计的，功能也仅仅包含检测车内的二氧化碳浓度以及人体红外感应，而忽略了成年人也会因暴雨等自然灾害导致被困车内面临窒息危险的情况。

本款产品致力于检测车外水位深度、车内温度和各项气体浓度[6]。当车内有人且3项指标有任意一项不在正常范围之内时，系统可第一时间启动自救措施，并同时发出警报：自动摇下车窗，语音求救提醒路人，向第一联系人发送短信[7]求救。

1 系统设计

1.1 系统的总体框架

系统由检测模块、STM32单片机和功能报警模块3部分构成。检测模块由热释电传感器、水位传感器、一氧化碳传感器、温度传感器、LED灯组成；功能报警模块由直流电机、语音播报器、GSM通信模块组成。系统结构框图如图1所示。

1.2 系统硬件设计方案

1.2.1 检测模块

检测模块主要用于前端检测。首先启动热释电检测模块，热释电传感器能够通过红外感应检测到车内是否有人，当判定车内有人后向单片机发出信号，使LED灯亮起。则单片机控制剩下3个传感器启动，将一氧化碳传感器、水位传感器和温度传感器放置在车内外需要检测的地方，即使在人处于睡眠状态下，也能敏锐捕捉信号。一氧化碳传感器的接触端设计为圆柱形，增加与一氧化碳等有害气体的接触面积，当有一氧化碳气体与传感器接触时，会引起其表面电导率的变化，从而改变输出电阻，并最终影响输出电压。水位传感器的接触端设计为扁平状，增加与水的接触面积，若有水接触时便会触发响应。温度传感器接触端设计成块状，增大与空气的接触面积，实时检测车内温度，并通过串口输出数值。3个检测传感器工作后，只要捕捉到信号便向单片机返回信号，使单片机触发报警模块。检测模块所使用的3种传感器见表1所示。

表1 3种传感器的介绍

1.2.2 功能报警模块

功能报警模块由SIM900A、语音播报器、电机驱动板、直流电机和车窗玻璃组成。当单片机接收到检测模块返回的信号后，首先触发电机工作，使车窗玻璃降下，第一时间开窗自救；同时，控制语音播报器提醒路人该车辆出现异常，从而发现车内需要救助人员；系统的远程信息交互由SIM900A芯片实现，SIM900A芯片上集成了GSM和GPRS模块，芯片的RXD口与单片机的TXD口相连，芯片的TXD口与单片机的RXD口相连，构成串口通讯，从而使单片机通过AT指令集控制SIM900A芯片向预设的紧急联系人的手机发送报警短信。

1.2.3 整个系统电路设计

本系统检测模块的热释电、温度、一氧化碳和水位传感器分别连接在STM32单片机I/O口上。功能报警模块的YS-M3语音播报器与STM32单片机的输出端相连，SIM900A连接单片机TXD和RXD引脚，构成串口通信，电机驱动板与STM32单片机的输出端相连，从而控制电机转动摇下车窗玻璃。系统电路原理图如图2所示。

1.3 系统软件设计方案

本系统所用编程语言为 C 语言，系统的程序逻辑为：首先检测车上是否有人，当车内有人时，控制模块使其他各项检测传感器开始工作；通过检测车内一氧化碳含量、温度数值和车外水位深度，各检测传感器将数据传输给控制模块，控制模块根据逻辑进行判断，若有1项超过设定阈值则启动报警模块；报警模块实现车窗玻璃降下，语音播报器提醒路人车内发生危险，GSM模块发送短信求救。系统流程图如图3所示。

2 系统功能验证

将热释电传感器、一氧化碳传感器、温度传感器、水位传感器放置在车内外需要被检测的地方，实物连接如图4所示。系统验证过程中，实验者上车后分别开关空调各30次，其中58次均能自动摇下车窗，车外播放警示语音且发送短信给第一联系人。此外，测试车内是否有人，车外进气管和排气管是否进水时，热释电传感器和水位传感器均能够稳定响应，测试结果如表2所示。由此可见，本系统具有较高的可靠性。此外，测试结果显示，判断车内气体含量这一功能目前还存在误报的可能，因此，计划下一步改进系统时，将重点优化车内气体检测功能，进一步提高系统的可靠性。

表2 测试结果

3 结束语

在如今经济社会高速发展的情况下，中国有车一族数量非常庞大，车辆安全已经成为了社会热点问题。本产品针对夏季密闭车内使用空调过程中以及夏季暴雨洪水等恶劣天气下存在的安全隐患而设计，可应用于多种危险情况，拥有广阔的市场前景。

相较于其他功能简单的防止车内窒息的智能系统，本系统可以实时检测车内一氧化碳含量、温度和车外水位深浅等指标，在发生危险时能够第一时间开窗自救，并且立刻发出求救短信和语音播报提示，让车主尽快得到救援，从而大大降低事故发生的可能性。此外，也方便其他人员救助，减少人员和经济损失。同时，该装置结构简单，价格低廉，易安装，适用范围广。