基于物联网技术的儿童滞留车内高温紧急报警求救装置设计与实现

田崇峰，徐 杨，闵玺润

（江苏农林职业技术学院，江苏 句容 212400）

1 研究背景

根据调查显示：在夏季高温天气环境中，儿童被锁车内导致的意外伤亡事故，引起了社会各方面的高度关注。在Roberts K B和Roberts E C研究的结果中显示，当车外温度达到31 ℃时，密封汽车车内的温度会在10分钟内上升到40~45 ℃，30分钟后便会达到50 ℃以上[1]。现有医学研究也表明，儿童呼吸系统和耐热能力不如成人，高温时身体水分散失和体温上升速度均较快。很容易引发脑肾损伤（俗称“热射病”）；当体温达到40 ℃时，儿童主要器官将停止工作；体温达到42 ℃，即可导致儿童死亡[2]。故而夏季高温天气用车对于带孩子的家长来说具有一定的隐患。基于物联网技术的儿童滞留车内高温紧急报警求救装置，利用红外检测装置、温度监测装置、物理降温装置、无线通信和声光报警等装置实现对于车主离车后车内温度和滞留人员的监测，达到车内降温和警示车主的作用，大大降低了儿童滞留车内造成人身伤亡的可能性。

2 系统设计

本装置的总体设计分为以下5个模块：中央控制模块、检测模块、物理降温模块、无线通信模块和声光报警模块。中央控制模块由Arduino UNO R3控制器作为主控单元，控制整个系统，通过一系列控制程序，将各个子模块连接起来。检测模块主要由人体红外热释电传感器和温度传感器组成，用以检测车内是否有滞留儿童存在和温度变化情况。物理降温模块由水循环制冷装置、雾化加湿装置和电子温度计组成，当车内高温时进行降温。无线通信模块由网络摄像头和路由器组成，用于家长远程观察车内情况和与车内儿童的交流。声光报警模块由有源蜂鸣器和爆闪灯组成，用来发出警告声音，提醒路人注意。上述各个模块协同工作，系统总体设计如图1所示。

正常情况下，本系统在汽车发动机和车门都处于关闭状态时，启动人体和温度检测装置，判断车内是否存在滞留儿童，并检测车内温度，若在五分钟内未检测到车内有滞留儿童存在，则关闭所有装置；若检测到车内有滞留儿童，启动无线通信模块，拨打预设的家长电话，摄像装置会将车内情况实时推送到家长的手机软件上，家长可通过手机端APP实时观察车内情况，了解受困儿童状态。另外，家长可利用装置的通信系统与儿童进行语音对话，缓解儿童紧张的情绪。当车内温度上升到预设温度值（默认为35 ℃）时，物理降温系统将开始运转，装置将利用半导体制冷风扇与超声波雾化装置进行降温，最大程度地阻止车内温度持续上升，为儿童的生命安全带来保障。当5分钟后儿童仍滞留车内且家长无任何应答时，启动声光报警装置，提醒周围路人注意该车内有被困人员。工作流程如图2所示。

图1 系统设计图

3 硬件设计

3.1 中央控制系统

本装置选用2个Arduino UNO R3控制器分别作为中央控制系统的主备控制器；第一、第二继电器的控制端与主控制器相连。Arduino通过对继电器输出高低电平信号，控制继电器被控制端的通断，实现各个装置的启动与关闭。

3.2 检测装置

检测装置包含热释电红外传感器、温度传感器、液晶显示屏；主控制器的数字端口分别连接人体红外热释电传感器，温度传感器；人体红外热释电传感器的主要功能是感知人体所产生的红外辐射[3]，以检测车内是否有人体存在，若存在，则输出高电平信号，此时装置将立刻启用无线通信模块；若不存在人体活动情况，则输出低电平信号给主控制器；此外，主控制器将传感器信息进行编码处理，发送给液晶显示屏，实时显示车内传感器情况，电路图是由热释电红外控制电路YX7603C和温度控制电路TC625组成，其中控制温度上下限电阻分别接在TC625的②和③脚上，温度控制电阻的电阻可根据公示计算得，计算公示 为：R=0.5997×（273.15+t）2.132，其 中t为 要设定的上、下限温度[4]。当检测到车内温度高于预设的35 ℃时，TC625的⑥脚输出高电平信号给主控制器，启用物理降温模块。 红外传感器与温度传感器电路图如图3所示。

图2 工作流程图

3.3 无线通信监控装置

无线通信监控装置由网络摄像头，路由器和通信芯片组成，网络摄像头使用5V直流电，与主控器相连并由主控制器提供电源；网络摄像头在与路由器的协同作用下，可在任何有无线信号覆盖的地点实时地将视频声音信息传输至网络，使用者可以使用移动端APP,随时随地观察车内情况，支持语音交流。通信芯片使用双频GSM/GPRS模块的SIM900A经典芯片，当检测模块检测到车内存在滞留儿童时，控制器产生AT指令控制内置芯片，通过预设的电话号码，向用户发送短消息，实现数据通信的功能[5]。

3.4 物理降温装置

物理降温装置由水循环制冷装置、雾化加湿装置和电子温度计组成；水循环制冷装置与雾化加湿装置由主控器控制运转，其供电正极连接继电器，负极直接连接变压器。电子温度计用于检测制冷温度，固定在半导体制冷片上。

雾化加湿装置由升压高频振荡电路和雾化片组成，升压高频振荡电路通过输出高频震荡脉冲使得雾化片进行水的雾化工作，保证汽车在阳光照射下，车内适当湿度，避免过于干燥的环境对皮肤产生灼烧伤害。

水循环制冷装置共包括两个制冷风扇、半导体制冷片、导温铝片、导热水盒、透明塑胶管道、铝片散热水道、散热风扇和微型水泵；半导体制冷片用螺丝固定在导温铝片与导热水盒之间；制冷风扇设置在导温铝片正前方；导热水盒上设有进水口和出水口；微型水泵和铝片散热水道用两根透明塑胶管道相连，可进行水循环散热。散热风扇设置在铝片散热水道上，可提高散热效率。半导体制冷片利用Peltier效应，当有电流通过不同的导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象[6]。实现制冷的目的，效果可靠。半导体制冷工作原理如图4所示[7]。

图4 半导体制冷工作原理图

为合理有效地选择制冷装置的制冷功率，以实现在阳光下对车内实施降温，需计算车辆在阳光下产生的热量Q，

式中：Qt为太阳辐射及太阳照射的热量，Qt=FK（tm-tn），F为车体外表面积，K为车身围护结构对室内的传热系数，t为日照表面综合温度；Qb为玻璃窗渗入热量，Qb=AK（tb-tn）+CAqbμ，A为玻璃窗面积，K为玻璃窗传热系数，C为玻璃窗遮阳系数，μ为非单层玻璃校正系数，qb为通过单层玻璃的太阳辐射强度；Qm为人体散热量，Qm=116(n-1)W,n为车内被困人数；Qa为新风热量，Qa=Gρ（hH-hB），G为进入车室内的风量，ρ为空气密度，hH、hB分别为车外空气和车内空气的焓值[8]。根据具体情况，调整装置的制冷功率，以实现最佳的制冷效果。

3.5 语音播报装置

语音播报装置由副控制器供电，用于播报车内信息情况；语音播报装置的控制接口连接主控的数字端口，用于触发信号；扬声器连接该模块的音频输出接口，将预先准备好的音频提前存入主控制器的存储块里，设定不同音频的触发条件，从而达到不同环境输出不同音频。

3.6 声光报警装置

声光报警装置由有源蜂鸣器和爆闪灯组成；当第一继电器闭合时，蜂鸣器开始运作，启动报警提示音，爆闪灯上的两个灯珠进行交叉闪烁。提醒路人注意。蜂鸣器电路结构如图5所示。

图5 蜂鸣器电路结构图

3.7 电源管理控制系统

电源管理系统由3个直流稳压降压模块、2节18650锂电池和220 V转12 V变压器组成，采用串联的连接方式。物理降温装置与声光报警模块均连接220 V转12 V变压器，通过降压稳压等处理后分别将12 V直流电转换成7 V和5 V直流电，用于主控和第一、第二继电器的供电。检测装置连接2节18650锂电池，可将两节锂电池产生的7.4 V左右直流电转换成恒定7 V直流电，用于副控的供电。

图3 红外传感器与温度传感器电路图

4 软件设计

装置在启动之后，在汽车发动机和车门均已关闭的情况下会启动人体红外热释电传感器和温度传感器。当中央控制器识别到人体红外热释电传感器信号时，会启动无线通信装置给预设的手机发送相关信息，用户可通过手机端进行相应情况的处理。当中央控制器接收到温度传感器的信号后，倘若当前温度大于预设值，会启动物理降温系统。当定时器信号大于预设时间值人员仍滞留车内时，会启动声光报警装置。总体软件设计如下：

5 实验测试与分析

为了测试儿童滞留车内高温紧急报警求救装置在高温天气下的真实工作性能，为此设置了一个对照实验，用一个带儿童滞留车内高温紧急报警求救装置的汽车模型与不带该装置的汽车模型同时放在室外进行对比，可以通过比较汽车模型车内的温度来观察分析儿童滞留车内高温紧急报警求救装置的工作性能。

5.1 实验的设计

设置两辆汽车模型，其应当最大程度地还原真实汽车的车身构造，即应具有：车身壳体、车门、车窗等等。同时，将其中一辆汽车模型安装儿童滞留车内高温紧急报警求救装置，达到35 ℃时启用物理降温模块。另一辆汽车模型作为对照组，其他参数保持一致。将两辆车同时放置在温度约为35 ℃的室外，模拟夏季用车环境。在相同时间过后，分别测量两辆汽车模型车内温度。

5.2 结果对比分析

实验结果如表1所示，可以观察到尽管车外环境温度并不是太高，在不带紧急报警求救装置的模型车内，其温度随时间呈指数型增长，若是车内存在被困儿童，这对于他们带来的伤害无疑是灾难性的。而带紧急报警求救装置的模型车在车内温度达到35 ℃时开始启动降温措施，最终将车内温度稳定在了28 ℃左右，效果优异。

表1 车内温度对照表（室外温度35 ℃）

6 结语

基于物联网技术的儿童滞留车内高温紧急报警求救装置在很大程度上减小了夏季儿童不慎滞留车内的危险性，具有极大的现实意义和推广价值。考虑到汽车种类的多样性，本装置各个模块可自由组装。在未来汽车的设计过程中，应尽量将本装置的相关功能嵌入到汽车的各个模块中，以更加智能的状态实现被困车内儿童的紧急求救，以减少各种可能的危险发生。