车内遗落幼童检测报警安全系统设计

洪懿琳

（长安大学，陕西 西安710054）

随着社会经济的发展，我国小汽车保有量逐步升高，然而，在享受快速便捷出行条件的同时，由汽车与人的关系衍生出的潜在危险也致使不少悲剧的发生，其中最令人痛惜的莫过于幼童被困车内致死事件。据美国儿童安全组织调查数据显示，1990年以来，美国至少有944 名儿童被困车内致死，此类事故平均每9 天发生一起[1]。每个孩子都是父母的希望、社会的未来，因此，解决车内遗落幼童的安全问题刻不容缓。

1 设计思路

1.1 国内外类似研究存在的问题

纵观当下国内外类似研究，大部分设计主要为依托儿童安全座椅设置的警报系统、基于单片机的小型报警装置、运用信息传输技术的远程报警系统等，然而，当前解决车内被困幼童安全问题的装置普及度依旧不高，其存在的问题主要包括：

1.1.1 对致死原因的理解存在偏差。目前大部分研究将儿童被困车内致死的原因归咎于“窒息”，其技术主要集中于通过检测车内二氧化碳、一氧化碳、氧气等浓度来实现报警。但事实上，密闭性再好的汽车也不可能完全隔断与外界的空气交换，这一点由“汽车落水后被水浸没”的现象可以证实。而据现代医学研究表明，在环境温度仅有26.7℃的情况下，受阳光直射的汽车车内温度在10 分钟内就可达37.2℃，又因幼童身体发育不完全，其体温升高速度是成人的3～5 倍，在持续太阳暴晒下，幼童在5分钟内便会失去对体温的调控，极易在短时间内引起电解质紊乱、多脏器衰竭甚至死亡等危害[2]。由此可见，车内高温的危害性远大于氧气不足。

1.1.2 传感器选择不当。目前部分研究使用压力传感器、人体红外传感器等检测车内是否遗留幼童，但是，压力传感器容易受到车内物体压力等的干扰，人体红外传感器容易受到光源、热源、遮挡物等的干扰，导致误报现象频发。多种传感器并行工作看似准确，实则造成不必要的浪费。

1.1.3 报警不及时。目前部分研究设置的报警模块主要为声光报警或远程信息报警，但一般情况下，当检测出车内险情后再报警时车主很可能已经走远，而车内温度升高迅速，很难保证车主能够在车内温度升至“致命温度”前及时返回，导致错过最佳抢救时间而造成悲剧发生。

1.2 本系统的设计思路

为改进现有技术方案以解决上述问题，本研究提出一种可以实现多级报警的设计思路，主要由单片机控制模块、传感器检测模块、声光报警模块、GSM 报警信息传输模块四部分构成，实施步骤为：当单片机控制模块检测到汽车熄火且车门落锁后，人体红外传感器开始工作。若检测到车内有人，此时无论温度高低，立即启动一级预警：LED 灯闪烁、蜂鸣器发出警报，以提醒车主关注车内异常状况，车主可以根据实际意图选择忽略或及时采取相应措施，该过程持续20 秒后自动停止。一级预警结束后，温度传感器、声音传感器开始工作，当车内温度到达报警阈值且声音检测模块判断车内存在遗落幼童时，启动二级报警：GSM 系统将警报信息发送至车主手机，同时LED 灯闪烁、蜂鸣器响，以提醒附近群众车内险情，便于过路热心群众协助施救。其中，LED 灯与蜂鸣器上设置有手动开关，为避免对大众造成干扰，当确认幼童解除危险后可手动关闭报警器。

图1 总体思路图

1.3 创新优势

1.3.1 规避“窒息致死”理论造成的检测偏差，以温度作为车内危险程度的判定标准，提高系统准确性、安全性。

1.3.2 简化传感器的应用，以声音识别作为技术突破，通过区分幼童与成年人的声音来判断车内是否遗留幼童，协同温度检测器一起作为危险判断标准以启动警报装置，提高系统的高效性。

1.3.3 为避免抢救不及时、红外传感器易误报的缺点，设置多级报警系统，通过一级预警、二级报警的模式提高报警装置的可靠性，为幼童的安全保驾护航。

2 实验研究

2.1 数据获取

为探究“声音识别”的可行性，我们在车内对幼童（据美国学前教育协会的定义，本项研究中“幼童”的年龄为七岁及以下）与成人的音频数据进行采集。考虑到成人具有较强的自救能力以及幼童遭遇危险易哭闹的特征，本次采集的音频主要包括：幼童哭闹声、幼童说话声、成人说话声、成人唱歌声、背景声。

2.2 数据处理

由于音调高低与声音频率有关，为避免数据量过少造成的误差，我们从声音频率入手，比较不同声音的频谱图。又因成人清唱声与成人说话声区别不大，以下只列举四组频谱图进行说明。由以上可见，这四组声音数据的相同点为：声音强度均在5HZ-100HZ 频率范围内较突出；不同点为：背景声在1000HZ-10000HZ 范围内无明显波动，而其余三种声音的声强不仅在5HZ-100HZ 频率范围内波动较大，在1000HZ-10000HZ 频率范围内也有明显的起伏。由此得出初步结论：5HZ-100HZ 频率范围内的声音主要来源于背景噪音，而1000HZ-10000HZ 的声音主要源自哭闹声、说话声等人体发出的声音。因此，我们将研究范围确定在1000HZ-10000HZ 频率内。接着，为进一步明确差距，运用MATLAB 计算各组声音能量值，方法为：（1）对原始数据（时域图中的数据）进行快速傅里叶变换;（2）将变换后的数据平方后求和[3]。结果表明，在1000HZ-10000HZ 范围内，除背景声外，各组能量值均达0.0002Pa2以上，而背景声能量值仅有0.0000028 Pa2左右。考虑到各组声音在检测时均包含背景声，因此，我们以背景声为比较基准，计算1000HZ-10000HZ 范围内的各组声音能量值与背景声能量值的比值。

由图2 可见，幼童哭闹声（第1、4、5、6、7、8 组）的能量值平均高达背景声能量值的1000 倍以上，而其余声音数据（2、3 组为背景声；9、10组为幼童说话声；11、12、13、14 为成人说话声；15、16、17、18、19 为成人清唱声）与背景声能量值的比值较幼童哭闹声要小得多。由此可以明确，通过在1000HZ-10000HZ 频率范围内各声音与背景声能量值的比较，可以有效地区分幼童哭闹声与其他声音。

图2 1000HZ-10000HZ 内各组声音能量值与背景声能量值的比值

3 结构与安装

3.1 结构设计

本装置的连接方式分为有线与无线两种，有线连接包括单片机控制模块与传感器检测模块、GSM 系统，称为装置本体；无线连接为单片机控制模块与LED 灯、蜂鸣器报警模块，称为报警器。具体结构如图3 所示。

图3 装置结构图

3.2 安装位置比较论证

运用德尔菲法与模糊综合评价法对装置本体的安装位置进行比较，结果如表1 所示。

表1 装置本体安装位置比较矩阵

由上述结果得，将装置本体安装在车顶中央是最优选择。此外，为方便引起周围群众注意，由LED 灯与蜂鸣器构成的报警器宜安装在两侧车门底端。

4 结论

本文通过对国内外类似系统的研究分析，总结出目前该类研究普遍存在致死原因理解偏差、传感器选择不当、报警不及时等问题。针对上述缺陷，本文提出一种新的设计方案，以声音识别为技术突破，以多级警报为安全保障，在现有技术的基础上进行改进，进一步提高系统的准确性、安全性。