校车智能安全监控系统

2022-06-06高明亮

沈阳工程学院学报（自然科学版） 2022年2期

高明亮

（沈阳工程学院自动化学院，辽宁沈阳 110136）

随着社会的发展，越来越多的学生选择校车作为上学的主要交通工具，导致校车的数量迅速增长。但是由于技术与管理的落后，校车的事故频发，引起了社会各界的强烈关注［1-2］。发生事故的原因：①校车安全带佩戴情况堪忧，导致了当校车发生碰撞、侧翻等事故时，乘员无有效防护措施，死伤率较高；②由于校车工作人员工作疏忽，导致学生被遗忘在车内的事故占校车事故比重很大，该类事故死亡率极高［3］。因此，本文开发了一个实用的校车智能安全监控系统，该系统主要分成两个模块：校车安全带集中监测与控制模块和防止儿童遗漏模块。

1 安全带实时监测与集中控制

校车安全带集中监测与控制模块包括1 个主机和若干个安装在乘客座椅上的分机，可实现以下功能：

1）乘客可以利用每个座椅分机单独操控安全带；

2）驾驶员可以利用主机集中操控安全带；

3）当发生紧急情况时，可以根据预定条件自动打开安全带，防止孩子在紧急事故时因为紧张而打不开安全带；

4）每个座椅都能检测乘客安全带的佩戴情况，并将信息传输给主机。

主机和分机都可以采用51 系列单片机：主机的输入端分别连接操作键盘、碰撞传感器、水压传感器和烟雾传感器，用于监测接收操控信号与各传感器传来的突发情况信息；主机的输出端连接报警电路、显示电路和通信模块，用于在特定条件下发出报警信号和向各个分机发送指令；分机部分含有分控单片机和若干个安全带监控电路，分控单片机输出端接驱动马达，用于控制安全带开锁。安全带实时监控模块结构如图1所示。

图1 安全带实时监控模块结构

1.1 各类传感器信号获取

各类传感器的信号包括与主机相连的传感器信号和与分机相连的传感器信号。主机上的传感器信号主要监测车的整体情况，当发生碰撞、侧翻、着火和进水等紧急情况时，相应的碰撞传感器、烟雾传感器和水压传感器会发送信号给主机。分机上的传感器信号用来监测座椅情况，主要利用座椅和座椅压力传感器，当压力传感器监测到信号时才对安全带传感器信号进行提取，两个信号都采集到后，主机发送安全带信息。

1.2 安全带实时监测与集中控制模块工作过程分析

开机后，分机对所管辖的座位情况进行监测，当采集到压力传感器和安全带传感器信号时，分机向主机发送信息，当主机发现某座位有人但没有插入安全带时，视为不正常信号，启动报警，驾驶员根据情况进行相应操作。

当驾驶员需要打开某座位安全带时，可以通过键盘输入指令，分机接收到相应指令后对驱动马达供电，使安全带扣自动打开。

当车辆遇到碰撞、侧翻、着火和进水等紧急情况时，主机根据预先设定的子程序，自动向各个分机发送开锁信号，自动打开安全带。

2 儿童滞留校车监测与报警模块

儿童滞留校车监测与报警模块主要由单片机最小系统、声音检测电路、热释红外采集电路、继电器控制电路、报警电路和GSM 模块组成。此模块的核心功能是监测儿童滞留情况，这里采用热释红外采集电路和声音检测电路联合监测［4］。当监测到相应信息后，启动报警电路，并把相应报警信息发到司机手机中，同时校车自动打开车门。

2.1 儿童滞留的监测

对滞留的儿童采用热释红外采集电路和声音检测电路联合监测。热释红外感应模块选用HCSR505，主要原理是通过外界采集的电信号与设定的电压进行比较，控制此模块输出高低电平。如果有人进入感应区，out引脚会输出高电平，直到人离开感应区，out引脚会延时输出低电平［5］。具体接口电路如图2所示，该模块输出引脚与单片机P1.1相连。

图2 热释红外采集电路

声音检测电路如图3 所示，该电路中采集的声音信号经整流电路与放大电路后，送入LM393 电压比较器，通过电压的比较，控制整个电路输出高低电平。此电路可以根据需要调节阈值，从而调节灵敏度，如果声音强度没有达到阈值，电路输出高电平；若超过阈值，则电路输出低电平。此电路输出引脚可以和单片机P1.0 引脚直接相连，单片机根据收到的检测信号来控制GSM 模块和报警电路进行后续处理。

图3 声音检测电路

2.2 GSM模块

这里选用SIM800A 芯片实现GSM 网络报警信息的发送。此模块的RXD 口与单片机的RXD引脚相连，TXD口与单片机的TXD引脚相连，形成GSM 模块与单片机的串行通信［6］。这样，单片机可以通过AT指令集控制GSM 模块发送报警短信。该模块是比较成形的模块电路，主要问题是与单片机的接口，用单片机控制模块中报警短信的发送。

2.3 继电器控制电路

在此电路中，用三极管9012 的基极与单片机的P1.2 引脚相连，当之前的监测模块检测到有人时，P1.2输出低电平，三极管导通驱动继电器通电，从而使衔铁的动静触点吸合，车门开启电路启动，实现继电器控制车门的开启。继电器控制电路如图4所示。

图4 继电器控制电路

2.4 系统的软件设计

系统的流程如图5 所示，当司机插入钥匙时，系统进入安全带监控；当司机拔下钥匙时，系统进入滞留监测，滞留监测启动后，红外与声音模块实时监测，当两个模块都监测到异常后，单片机控制GSM 发送报警信息，同时单片机控制继电器通电，车门自动打开。

3 测试与结果分析

3.1 安全带监控的测试

这里主要测试3 种传感器分别监测出突发情况时，安全带是否自动开启；无突发情况时司机能否手动控制主机，从而命令各从机开启所管辖的安全带。测试结果如表1所示，当有任意突发情况时，安全带都能自动开启；当无突发情况时，司机能够利用主机集中控制各安全带打开。

3.2 儿童滞留监控的测试

该测试模拟9 种距离和不同音量的场景，在每种场景中测试车门是否开启和是否发送报警短信。测试结果如表2 所示，当声音过小时，容易出现漏报，这时可以根据实际需要调节声音检测电路的灵敏度；当距离过远时，系统也会出现漏报，通过测试可以得到系统的有效监测范围。在有效的测试范围内，测试距离越近，音量越高，系统的响应时间越短，准确率就越高。