基于单片机的车内滞留人员安防系统的设计

李佳星，梁广彪，任博，刘同，冯雨航，李瑞英

（大庆师范学院机电工程学院，黑龙江大庆，163712）

0 引言

随着我国经济的持续稳定发展和我国人民生活水平的提高，越来越多的机动车辆正在成为现代的重要交通工具，车辆的安全已成为一个问题。对诸如安全保护，例如安全气袋、安全带和跟踪前的警报器，是防止车辆在行驶中发生个人事故的安全措施，在灭火后留下的儿童的人身安全没有保护;警报器是车辆车辆、噪音噪音、干扰和许可证不准确的主要原因。关于这两个点，已经设计了一个有效的儿童保护系统，使用低成本车辆，实用性较强的车载儿童安防系统“平安狗”，通过采用单片机控制和多种传感器融合的手段设计了一款智能的车载人员安防系统，即在感知到驾驶员驻车离开后，主动判断车内有无滞留人员，并自动监测车内的环境数据；当监测到车内的温度或者二氧化碳的浓度过高，车内儿童有窒息或者脱水的危险时，本系统会采取一系列措施主动解救车内被困儿童，还会自动向车辆联系人的手机发送求救信息，为救援抢救赢得时间，挽救被困儿童的生命。本装置还可以根据用户需求，修改车辆联系人的手机号。它非常实用，市场前景良好。

1 本系统的应用背景

目前，国内外的大小城市，汽车已经非常普及，这给人们带来了极大的便利，同时也带来了诸多潜在的安全隐患。由于家长们和看护者的疏忽大意，孩子被遗留并锁在车里并不罕见。被困在车内的儿童可能会脱水、中暑、过热、溺水甚至死亡。实践研究表明，如果车门关闭且环境温度超过37°C左右，则车内温度有55%的机会在5分钟内升高至15分钟内的最高温度，而从51°C升高至75%。上升到67℃。在某些情况下，婴儿会在5分钟内失去对体温的控制，而高温会在15至55分钟内发生。

据统计，在1999年至2007年之间，美国有231名儿童死于车温过高，其中80%以上是由于父母将孩子留在车里造成的。在2001年至2010年之间，在美国涉及儿童的非交通事故中，有58%被车辆热辐射致死。在夏季，在密封的汽车中容易中暑，这可能会导致多器官功能障碍或致命性衰竭。涉及卡在汽车中的儿童的安全事故占汽车非交通事故死亡的大部分。这表明解决安全问题具有很重要现实意义。基于上述基准，本文设计基本技术参数为：重量5千克，能耗10w/h。数据采集误差范围±0.05，工作环境在-35至65℃之间的安全系统。

表1 贴膜与不贴膜车内温度上升情况

2 车载儿童安防系统研究

■2.1 本系统基本功能及条件

针对被困车内人员安防和车辆防盗这两个社会关注度非常高的痛点问题，目前国内外主要研究为以下两类：一类是基于对门锁的检测，检测汽车门窗门是否关闭，同时配合座椅压力传感器来确定汽车中是否有小孩，但是此法不具有远程警报和防忘记功能，很难实现。一类是基于点火开关的检测，例如通过检测车钥匙是否在钥匙孔中以确定车辆是否停止；通过压力传感器和温度传感器进一步确定是否有人员被滞留在车内，但是此法不利于于产品的推广。此外，碎片可能会导致系统错误判断。而采用多个传感器的检测以及远程防忘和自救功能是我们研究的关键主题：系统自动化和智能营救被困儿童可以显着降低被困儿童死亡的可能性。

针对被困车内人员安防和车辆防盗这两个社会关注度非常高的痛点问题，目前国内外主要研究为以下两类：一类是基于对门锁的检测，例如确定门是否关闭以及结合座椅压力传感器来确定汽车中是否有小孩，但是这种方法不具有远程警报和防忘记功能，并且没有更复杂的中央控制门锁很难实现。一类是基于点火开关的检测，例如车钥匙是否在钥匙孔中以确定车辆是否停止；压力和温度传感器进一步确定是否有孩子被困在车内。但是，由于该设计结合了汽车的内部，因此对于产品的推广极为不利。此外，碎片可能会导致系统错误判断。总之，二氧化碳浓度传感器、光电传感器、霍尔传感器、温度传感器、压力传感器等多个传感器的检测以及远程的防遗忘和自救功能是此项研究的关键问题：系统自动化和智能营救被困儿童可以显着降低被困儿童死亡的可能性。

为了解决以上痛点问题，同时满足人们对安全、价格、可靠性等的需求，该系统的实施必须遵守以下限制和要求：(1)降低成本提高性价比：系统成本要低，除高精度检测元件外，要控制或降低成本；(2)要求设备易于操作，稳定性好，功耗低；(3)为了提高灵敏度和传输时效性，要求所采用的传感器具有较的高灵敏度，同时具有实时数据传输功能；(4)体积小巧，具有便携性，从而能够满足后续安装在车辆上的需要；(5)既可以自动营救被困儿童，同时能够主动寻求主人或警察等的帮助。

■2.2 本系统主要部件及功能

基于单片机的车内滞留人员安防系统如图1所示。监测装置主要包括检测：二氧化碳浓度传感器、光电传感器、霍尔传感器、温度传感器、压力传感器等，可用于实时检测车内二氧化碳浓度、温度、湿度、汽车座椅压力等等参数。中央处理器主要由原车电源供电，接收、计算、处理信号并驱动执行机构执行相应的任务。执行机构主要包括：短信通信模块、发光器、发声器、空调通风系统控制器、车窗升降电机等，可用于检测到有人员滞留在车内时，实时发送短信给车主或其他营救人员，同时驱动原车警示灯，发光警示的同时驱动器发出报警声，并自动打开通风系统，驱动原车配置的空调通风系统和原车车窗升降系统，从而避免由于温度过高或者氧气稀薄造成的车内滞留人员身体不适，甚至窒息死亡，达到保护滞留车内儿童的安全的目的。

图1 车内滞留儿童监测系统结构框图

3 系统详细设计

这次设计使用到的编程软件是MDK5，MDK5是一款非常适合开发STM32芯片的编程软件。 STM32系列的处理器是基于ARM公司设计的M系列内核开发的微处理器，我们设计中使用的STM32F103C8T6是基于M3内核的微处理器，与MDK5的兼容性非常强。同时MDK5还可以优化代码，减小代码占用的内存空间。在编程之前我们需要解压STM官方提供的固件，选择好芯片的型号以及芯片的flash的大小，把STM官方提供的库文件添加到新建的工程中，经编译无错误就可以编写我们的系统代码。

■3.1 系统硬件原理图

本装置是一种防止驻车后车内人员发生安全事故的报警装置，基于单片机的车内滞留人员安防系统硬件原理图如图2所示。

■3.2 系统硬件材料

在该系统中，中央微控制器STM32C8T6是整个设计的核心部分，系统的输入通道主要包括：安放在驾驶员座椅位置的人体的压力传感器、霍尔传感器和红外传感器模块。SIM800C和OLED屏幕，蜂鸣器，警告灯，窗户电机和空调系统是系统的后通道，用于信号输出。发生危险时，SIM800C会向目标手机号码发送警报信息，MCU发出可变电平的信号使警报响起并闪烁车辆LED警告灯，打开车窗和空调系统。OLED屏幕充当人类互动的中心，显示一些重要的系统参数。系统的控制参数和时间设置可以通过弹片按钮方便快捷的实现。此设计中的按钮主要用于更改系统时间。

■3.3 系统调试

（1）串口调试助手测试介绍

SIM800C支持AT指令集配置发送模式以及发送内容，下面就介绍一下SIM800C的AT指令以及串口调试助手上的验证。如果利用CH340，PL2302等，则直接连接gsm模块，模块的电源有5V和BAT ，只需要连接5V，bat引脚不用连接，这个是用锂电池供电时接4.2V锂电池的，串口模块5V接模块5V；串口模块地接模块gnd；串口模块T接模块R；串口模块R接模块T。

（2）打开串口调试助手，参数设置为如图3所示：参数设置完毕之后发送ATE1，返回OK则连接成功。

图2 基于单片机的车内滞留人员安防系统硬件原理图

图3 XCOM发送相关AT指令

（3）模块软件程序

printf("ATE1 ");//开回显

printf("AT+CMGF=1 ");//设置为文本模式

printf("AT+CMGS="17344098802" ");

//目标手机号

printf(“Auto theft warning”);

USART_SendData(USART1 ,0X1A); //发送结束符

程序中的” ”意思是回车换行，首先发送AT指令ATE1开回显，意思是你发送的命令会返回给单片机，这里我们设置为返回，其实这里开关都不影响。第二个发送AT+CMGF=1，设置模块为文本模式，只能发送英文短信。之后则发送目标手机号，随后发送需要发送的内容，最后发送查询指令16进制下的1A,如果模块向串口调试助手返回+CMGS则表明短信发送成功，等待短信到目标手机上即可。

4 系统工作流程图

基于单片机的车内滞留人员安防系统采用传感器作为监测装置，单片机来处理信号和驱动执行装置，系统的工作流程图如图4、5所示。

当驾驶员停车并离开时，该设备会自动启动，并使用传感器检测汽车的温度和二氧化碳浓度；当检测到车内人员有危险时，除了控制车辆自身解救儿童外，还会向车辆联系人的手机发送报警信息。短信号码我们通过上位机把它存储在单片机的flash存储器里。后期可根据需求，修改手机号码和拓展联系人。本装置最多可以向2个车辆联系人的手机发送报警信息，当向第一位联系人发送报警信息后，隔一分钟后，再向第二位联系人发送报警。

5 基于单片机的车内滞留人员安防系统功能测试流程

基于单片机的车内滞留人员安防系统功能测试流程的主要步骤如下：

图4 监测装置软件流程图

图5 报警装置指令软件流程图

（1）车内滞留人员安防系统硬件电路连接

首先要根据硬件接线图，执行物理连接，确认连接正确，然后向MCU提供3.3 V电源电压，传感器5V供电，SIM800C通信模块5V供电。

（2）系统功能测试

分别模拟车内有人，车内无人；驾驶员驻车离开，驾驶员没有驻车离开；车内环境危险，车内环境不危险等这些情况下系统的反应，记录实验数据，绘制表格。

（3）实验结束后，关闭MCU和传感器并整理实验设备。

图6 短信收发功能测试现场

表2 短信接收测试情况

6 任务完成情况

图7 实物外观图

图8 液晶显示图

测试所研究项目的运行和性能，本次设计的系统能够实现滞留儿童监测预警功能，可以实现自动解救儿童，车辆驾驶人报警提醒等功能，可后期加装在原车上，不改变原车性能，在实际的生活中可以真正做到解救儿童的目的。

7 结论

设计了一款通过采用单片机控制和多种传感器融合的手段设计了一款成本低、可后期加装、实用性较强的智能车载人员安防系统“平安狗”。在感知到驾驶员驻车离开后，主动判断车内有无滞留人员，并自动监测车内的环境数据；当监测到车内的温度或者二氧化碳的浓度过高，车内儿童有窒息或者脱水的危险时，本系统会采取一系列措施主动解救车内被困儿童，还会自动向车辆联系人的手机发送求救信息，为救援抢救赢得时间，挽救被困儿童的生命。本装置还可以根据用户需求，修改车辆联系人的手机号，方便快捷，可移植性强。