基于单片机防儿童车内窒息系统的设计

董梅，陈武发，李国谦

（惠州经济职业技术学院，广东惠州，516007）

0 引言

近年来，儿童由于被遗忘于车内而造成受伤害、死亡的案例时有发生，非常令人心痛。自2017年以来，国内媒体共有35起相关事故报道，通过事故分析发现，事故多发生于5-7月等高温月份，儿童遗忘于私家车内死亡率为41%，而儿童遗忘于校车内死亡率为100%[1]。v绝大多数儿童车内死亡主要原因为“热射病”，除了“热射病”之外，还有窒息和甲醛中毒等伤害。因此，设计一款能够监测车内是否有儿童滞留，能发出儿童滞留车内警报，并且能联动相关机构动作的系统，对保障儿童生命安全有着重要意义[2]。

目前，针对儿童滞留车内的安全问题研究方案主要有：彭育强[3]等设计了一款语音监测报警系统，该系统将监测信号与事先录入的语音信息对比，通过GSM模块发送报警信息。李芯怡[4]等设计了温度监测、人体红外监测与语音识别三级信号单向递进识别，触发GSM 报警的系统。黄晶晶【5】等设计了通过车门锁传感器、红外线报警器和压敏坐垫探测信号从而控制声光报警器和车窗升降器的装置。文强[6]等设计了一款基于人脸识别技术的防儿童被锁系统。综上所述，基于多种传感器和远程报警的研究是解决儿童车内窒息安全问题研究的热点和重点。本文设计了一种基于温度和人体红外双重信号监测儿童是否滞留车内，并通过移动通信模块和联动执行机构动作，实施自救和他救，从而实现防止儿童因滞留车内而窒息的功能。

1 系统总体架构

系统以单片机为主控制器，搭载温度监测模块与人体红外监测模块进行车内监测，当系统监测到人体特征且车内温度达到设定阈值，触发执行装置，启动车窗控制器降下车窗、接通喇叭电子开关鸣笛、亮起危险警示灯从而引起过往行人注意，同时通过移动终端控制模块向系统关联手机终端发送报警信息。车主接到报警信息后，可通过网络视频监控器查看车内状况，通过声音模块与车内儿童对话，也可以发出指令控制车窗、车灯及喇叭动作，还能解除误报警信息复位系统，或采取有效救治行为。系统总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构

2 系统硬件设计

2.1 主控制器电路设计

主控制器选择STC89C52RC单片机，它是一款高速、低功耗、超强抗干扰的51内核的CMOS 8位单片机，指令系统兼容传统8051,但速度快8～12倍，内部集成MAX810专用复位电路，具有在线编程功能，使用简单且价格低廉，其控制方式对新手特别友好，主控模块电路原理如图2所示。

图2 主控制器电路原理图

2.2 信号采集模块设计

2.2.1 人体红外模块

人体红外模块选用可应用于各种单片机控制器上的红外热释电运动传感器，该传感器采用集成人体热释电红外探头AM412，该探头将数字智能控制电路与人体探测敏感元都集成在电磁屏蔽罩内。该模块尺寸仅有30mm×22mm；输入电压为3.3～5V，最大6V，工作电流为15μA；输出电压为高电平3V，低电平0V；输出延迟时间（高电平）为2.3～3s左右；感应角度为100°；感应距离为7米。具有体积小、可靠性高、功耗低、与单片机连接简单等特点。

在监测范围内监测到运动的生命体时，在输出引脚会输出高电平（3V），同时输出指示灯点亮，当监测到红外热释电信号消失时，延迟2.3～3s后，输出低电平（0V），输出指示灯熄灭。但是，该类型传感器在探测过程存在一些缺点，如易受各种热源或光源干扰，被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降等。

2.2.2 温度模块

温度模块采用常见的数字温度传感器DS18B20，该传感器可在各种单片机控制器上应用，供电电压为3～5.5V，尺寸仅有10.6mm×27.5mm，具有体积小，抗干扰能力强，精度高、接线方便等优点。

2.3 联动模块设计

2.3.1 车窗门锁控制模块

车窗门锁控制均需要借用车身自有的电子开关，车窗控制模块选用HK4100F-DC5V-SHG继电器，四个继电器配合工作可实现电机正反转，分别对前后左右四个车窗玻璃升降器电机进行控制，其电路工作原理如图3所示。

图3 车窗控制模块工作原理

2.3.2 车灯及喇叭控制模块

选用9012型PNP三极管作为自动控制开关，接收单片机发出的指令，控制车灯及喇叭的动作，工作原理图如图4所示。

图4 车灯及喇叭控制模块电路原理图

2.3.3 移动终端控制模块

移动终端选用移远EC20或者中移动的4G模组，4G模组搭载SIM卡通过移动网络与手机终端进行数据传输，只需要用单片机控制4G模组即可实现和手机的远程通讯。单片机与4G模组通信接口为UART串口，使用AT指令来配置工作模式来实现数据的透传。移动终端的组成架构如图5所示。

图5 移动终端架构图

2.4 硬件电路制作

使用Altium Designer软件进行PCB设计，采用单面走线方案。电源、温度采集模块、人体红外模块、声音模块、移动4G模组均采用外接电路，车窗控制模块用直流电机模拟进行控制，车灯控制模块采用发光二极管进行模拟控制，硬件效果如图6所示。

图6 硬件电路实物

3 系统软件设计

系统软件采用C语言进行结构化编程，流程图详见图7。系统上电初始化，在驻车状态下，没有移动终端中断信号请求时，执行车窗门锁信号、人体信号及温度信号的检测与判断，通过三重信号与逻辑判断减少系统的误报，提高系统动作的准确率。若车窗门锁关闭、检测到人体信号且车内温度高于设定阈值，联动车窗降下、门锁打开、车灯亮闪、喇叭鸣笛动作，同时通过移动通信4G模块向移动终端发送信息。移动终端安装有网络摄像机控制软件，可以主动或被动发出指令控制车窗、门锁、车灯、喇叭、摄像机等机构，还可以通过视频信号以及摄像机内置的拾音器与车内人员进行会话，从而确认车内真实情况，进而根据真实情况采取最有效的营救措施或终止程序。

图7 系统软件流程图

4 测试与结果

系统模拟测试环境为密闭的纸盒，测试情况如表1所示。测试结果说明该系统模拟运行正常，驻车状态下，车内温度过高且车内有人员滞留的情况下能准确报警，并能通过4G模组向手机终端发送信息，可有效避免由于儿童滞留车内而受到伤害或引发窒息的悲剧。

表1 测试结果统计表

5 结论

本文设计了一种防儿童车内窒息的系统，系统利用温度监测模块和人体红外探测模块共同进行车内是否有儿童滞留的情况监测，当该两个信号并存时，直接联动车窗下降、车灯亮闪、喇叭鸣笛，进行自救和引起他救，为抢救生命赢得了宝贵的时间。同时系统能够通过移动通信4G模块向手机发送报警信息，手机能通过网络视频监控器调取车内监控，并能与车内儿童进行语音通话，能实时掌握车内状况。该系统的优点是系统采用模块化结构，各监测模块体积小、连线简单、便于调试与更换，不需要对车身原有电子线路进行较大改装；该系统的改进方向是移动通信采用移动流量方案，需要注意流量资费，可考虑使用物联网解决方案。