太阳能车载乘客监测与报警系统开发

杨均悦,杨艺璇,袁喆

(1.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028；2.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)①

据公安部统计，2019年全国机动车保有量达3.48亿辆，汽车保有量达2.6亿辆，小型载客汽车保有量达2.2亿辆，其中，私家车(私人小微型载客汽车)保有量达2.07亿辆；机动车驾驶人达4.35亿人，其中汽车驾驶人3.97亿人.机动车及驾驶人数量迅速增长，给人们生活带来便捷的同时，也带来不容忽视的行车安全隐患.在各类行车事故的报道里，多起事故是因为车主将宠物或儿童遗忘在车内导致悲剧发生，其中不仅有私家车，校车也有发生过这样的事故.很多人对夏天封闭车内的高温危险并不清楚，尤其是儿童的身体状况对这样的高温更是难以抵抗，在同样的温度情况下，儿童面临的危险要远远高于成年人.研究发现，在外界温度达到35℃时，封闭的汽车内温度将迅速升高，十几分钟后车内的温度就会达到65℃，而人在这样的温度下，30 min就会失去生命.

因此,本文提出一种太阳能车载乘客监测与报警系统，其能有效感应车内是否有生命体存在以及车内温度，发出报警信号，并采取降温措施，避免事故发生.同事太阳能的蓄电方式，更加清洁环保，为城市环境减少一份负担，保障行车安全的同时，还有很好的市场推广价值.

1 系统功能要求

设计的总体思路是系统可以在危险情况发生时做出报警提示功能，报警功能要求有两个方面：一是要让离开的驾驶员得到报警信号，二是让行人得知报警信息.据此可设计出如图1所示的系统功能要求.

图1 系统总体框图

如图1所示，系统功能运行过程为，通过人体传感器，分别检测车内驾驶位与乘客位的人体信号：若驾驶位无人而乘客位有人时，进入一级报警状态，向驾驶员手机发送报警信号，提醒驾驶员返回，同时检测车内温度；若车内温度达到40℃以上，则进入二级报警状态， 启动声光报警系统， 报警灯闪烁并发出蜂鸣声，提醒路过行人，同时启动应急风扇，进行暂时的物理降温，给救援争取时间.系统的功能流程图如图2所示.

图2 系统的功能流程图

2 系统硬件组成

系统的硬件组成主要由输入模块与输出模块两大部分构成，其中输入模块包括：电源电路、晶振复位模块、人体感应模块、温度感应模块、按键模块；输出模块包括指示灯模块、数码管显示模块、风扇电机模块、报警模块，以及无线接收模块.系统硬件总体框图如图3所示.

图3 系统总体框图

(1)太阳能电压源

系统的供电模块采用DC12V太阳能电压源，并为单片机、传感器等其他元器件进行供电，不依赖与车内电源系统，搭配电池可以实现充电功能.

(2)单片机控制器

单片机的选择，首先考虑要满足系统功能控制需求，I/O口的数量要有足够裕量；其次，温控风扇电机部分的方式是通过PWM来控制电机转速，由于PWM是通过调节占空比来改变电机两端的电压从而实现调速目的，所以选择的单片机要有计数器和定时器的功能[1].考虑系统使用过程中可能出现的突发情况，单片机要具备中断的功能.该系统是车载设备，在成本上要尽量控制，价格方面选择满足功能要求的低价产品.在使用操作上，如STM32单片机是32位的嵌入式单片机，本系统的功能要求比较简单，不需要使用编程复杂的单片机，会增加编程难度.STC89C52单片机足够满足该系统的设计需求，且编程容易.综合以上整体考虑因素，选择了价格便宜、有定时中断功能、编程简单容易的89C52单片机作为系统的主控制器[2].

(3)人体感应模块

本系统选用HC-SR501红外技术自动控制模块进行人体感应，感应模块的探头采用LHI778 的探头设计，是德国设计技术，HC-SR501在探测时感应灵敏，在很低的电压模式下依然可以进行探测，是可靠的人体探测传感器，在很多自动化的电气设备里被选择使用[3-4].直流工作电压范围在4.5～20 V之间的直流电压，输出方式为高电平3.3 V或者低电平0 V，满足整体电路的电压需求.通过感应透镜扩大感应范围，感应角度小于100°锥角，覆盖后座乘客范围.采用两个HC-SR501感应模块，分别感应驾驶员和乘客，通过单片机判断两个输入信号的情况，发出报警信号[5].

(4)温度感应模块

在太阳能车载乘客监测与报警系统中，温度感应模块选用了DS18B20，它是一款单线温度传感器，传感器探测到环境温度后，可以把探测到的信号转化为数字信号送微处理器进行处理，在单片机到温度传感器的数据传输上，只通过一个接口就可以完成[6].该传感器在测量范围上是完全满足太阳能车载乘客监测与报警系统的要求，范围可以达到-55～+125℃，精度也足够，DS18B20在-10～+85℃时精度可以达到±0.5℃.

(5)风扇电机模块

风扇电机模块的主要功能是实现无驾驶员，车内锁有乘客的情况下，启动直流风扇电机，给乘客一个保护的作用，为救援赢得时间.在风扇控制部分设计了两个挡位，根据温度传感器测到的温度值，自动调整风扇风力大小.直流电机风扇部分选择使用PWM来控制电机驱动电路，单片机输出信号后，经过三极管电路进行电机驱动，控制实现大小不同的转速[7-8].

(6)报警模块

报警模块采用报警灯和报警器两种报警器件，其作用为在人体感应传感器检测到驾驶位无人，乘客位有人，且温度达到一定数值时的情况下，报警灯进行闪烁报警，报警蜂鸣器发出求救声响.这样的功能设计是为了防止驾驶员有特殊情况需要暂时离开驾驶座，报警系统如果发出警报声光，会影响到周围环境，此时只启动一级报警，给驾驶员发送消息；只有当车内温度达到设定值时，该温度是人体不适温度，确认危险发生，启动第二级报警系统，报警灯蜂鸣器开始响应.

(7)无线通信模块

本系统的无线通信模块主要实现在检测到驾驶员位无人、车内有乘客的情况下，给驾驶员手机发送报警信息，提醒驾驶员危险情况，及时避免事故发生.本系统选用了ESP8266无线串口模块.ESP8266无线串口模块有着低功耗、通讯距离远、体积小巧、价格低廉等优势，该模块支持标准的 IEEE802.11b/g/n协议，完整的TCP/IP 协议.模块的工作电压是3.3V，在供电上单片机的电压可以满足该模块供电需求.跨阵M4物联模块搭载ESP无线传输模块，可以进行远程系统开关控制，也可以实现手机短信报警发送的功能.

3 微型处理器软件代码设计

(1)主函数设计

在主函数里设定了温度的上下限值，该值控制风扇两个挡位.接着调用定时器初始化程序，打开总中断，定时器0的工作方式为方式1，打开定时器0中断，允许定时器0定时.然后调用延时函数，延时20 s.初始化单片机的I/O口为高电平，进入while(1)循环，循环体里调用红外报警函数，运行后续代码功能.主函数流程图如图4所示.

图4 主函数流程图

(2)人体感应报警函数设计

人体感应由两个人体红外传感器HC-SR501进行检测，分别连接单片机P1.1和P1.2的两个I/O口，其中P1.1对应乘客位，P1.2对应驾驶员位.从主程序进入红外报警函数后，对P1.1和P1.2两个I/O口接收到的信号进行判断，当P1.1口的信号为高电平，即有信号，P1.2口接收到的信号为低电平时，即无信号，启动报警模式，无线通信模块接口由低电平转换为高电平，向驾驶员手机发送报警信息.人体感应报警函数图如图5所示.

图5 人体感应报警函数图

(3)APP控制端软件代码设计

上位机的控制端界面主要实现系统运行的提示、报警灯的提示、短信下发的任务设置.上位机的控制端使用物联模块“跨阵M4”平台，在物联平台基础上进行二次开发设计，优化界面.控制端使用JavaScript语言进行开发，选择了WebStorm编辑器.

4 仿真与实验分析

利用Keil软件进行电路功能运行测试，系统的单片机最小系统、人体红外传感器、温度传感器、电机风扇、数码管显示电路、报警电路都在仿真软件上设计出来，单片机代码加载后测试.仿真电路图如图6所示.

图6 仿真电路图

通过系统仿真，检测所设计线路的可行性，并以此为基础设计硬件电路板. 电 路 板 设计尺寸为18 cm×10 cm.再根据前文所述,试验装置研制如图7所示,将系统集成于该装置内.

图7 系统集成装置

进行人体检测功能，将试验装置放置于人体不同距离处，人体红外传感器X1是探测乘客的传感器，探测位置调整到2 m范围内，传感器X2是探测驾驶员的传感器，调整探测距离为0.5 m内.为验证系统稳定性，对两个传感器有人状态下分别测试其输出电压信号、延时时间，以及探测距离，并做数据记录，由于测量条件等因素影响，电压的测量精度可达到0.01 V，时间的精度达到1 s，感应距离的精度达到0.05 m.

利用人工热源在系统温度模块附件加热，检测不同温度下，人体处在人体红外传感器区内的不同检测效果，如图8所示.图8 (a) 为 温度 10℃左右，无人状态的手机APP接收信号界面.图8(b)为温度40℃以上有人状态.

图8 手机报警接收界面

经测试，开始报警至手机app接收报警信号，延时时间为40～50 s之间，满足救援时间.

5 结论

本文提出的太阳能车载乘客监测与报警系统以STC89C52单片机为主控核心，通过构建合理的控制系统与软件编程，设计并实现了一种实用型简易车载监测与报警装置.其中HC-SR501红外传感器的选用大大减少了汽车空间的使用率，使系统的整体体积更小.温度传感器DS18B20集成度高，单总线编程，减少了系统电路的复杂程度.报警模式准确.有电机风扇防护措施的设计，为救援争取时间.并经过目多次检测，检测结果表明，该装置工作性能稳定、准确率高、报警时间短.