防幼儿误锁车内自动报警系统设计

张艺越　王儒

摘  要：近年来，幼儿被误锁车内事件频发。由于夏季气温较高，阳光直射，密闭的车内温度会急剧上升，幼儿不具备自救能力，一旦被误锁车内，极易出现中暑，严重时会出现昏迷、休克甚至死亡。因此设计一套能判断幼儿被误锁车内，能自动报警提示用户，且能在车门被打开之前自动调节车内温度以保障幼儿生命安全的防幼儿误锁车内自动报警系统。将系统移植到试验车辆进行测试，测试结果表明，系统能够在锁车后自动开启，可利用重力传感器与热释电传感器判断车内幼儿遗留情况，并根据判断结果控制报警与提示模块。

关键词：嵌入式技术；微控制器；环境监测；自动报警功能；温度调控；试验验证

中图分类号：TP277；TN912.3  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）20-0027-05

Design of an Automatic Alarm System for Preventing Children from Accidentally Locking the Car

ZHANG Yiyue1， WANG Ru2

（1.Zhejiang Guangsha Vocational and Technical University of Construction， Jinhua  322100， China;

2.Anhui Institute of Information Technology， Wuhu  241199， China）

Abstract： In recent years， there have been frequent incidents of young children being mistakenly locked into their cars. Due to the high temperature and direct sunlight in summer， the temperature inside a closed car will sharply rise， and young children do not have the ability to save themselves. Once accidentally locked in the car， they are prone to heatstroke， and in severe cases， they may experience coma， shock， or even death. Therefore， a set of automatic alarm system is designed to prevent children from accidentally locking the car， which can automatically alert users and adjust the temperature inside the car before the door is opened to ensure the safety of children's lives. The system is transplanted to the test vehicle for testing， and the test results show that the system can automatically open after locking the car. Gravity sensors and pyroelectric sensors can be used to determine the situation of children left behind in the car， and the alarm and prompt module can be controlled based on the judgment results.

Keywords： embedded technology; microcontroller; environmental monitoring; automatic alarm function; temperature control; test verification

0  引  言

随着经济的发展与科技的进步，汽车由过去的奢侈品转变为如今的代步工具，使得中国国内汽车保有量逐年上升。然而，汽车的广泛应用也带来了一系列的问题，诸如夏季停车幼儿被误锁车内。美国平均每年将近40名儿童死于车内中暑[1-3]，中国自2015年以来也出现20余起因幼儿被误锁车内而中暑致死的事件。幼儿被误锁车内致使幼儿因夏季车内过高的温度而中暑或休克，幼儿受儿童安全座椅的限制，以及其自身并不具备自救的能力，使得被误锁车内幼儿的致死率高达70%。一旦幼儿被车主误锁车内，解救方法基本是靠路人砸窗或车主自己发觉车内有遗留幼儿[4]，因此设计一款能够在幼儿被误锁车内时自动发出警报，且能够在幼儿被解救前調节车内温度，以防幼儿因车内高温而中暑，保障幼儿生命安全的防幼儿误锁车内自动报警系统。该系统可有效降低幼儿被误锁车内等待救援的过程中因中暑而死亡事件的发生。

1  系统总体设计方案

1.1  系统功能需求分析

防幼儿误锁车内报警系统应具备以下功能：

1）能识别当前汽车车门开闭状态。

2）能识别儿童安全座椅承载的重量。

3）能识别儿童座椅上的物体是否为生物。

4）能在确定儿童被误锁车内时及时发出警报提醒车主。

1.2  系统总体设计方案

考虑到民用小型乘用车的内部空间较为紧凑，对于复杂的电路结构存在空间不足与布置困难等问题。为此，防幼儿误锁车内自动报警系统应以结构简单、便于布置、成本低廉等为设计原则，同时考虑到内燃机汽车在熄火状态下长时间通过汽车蓄电池供电会大量消耗蓄电池的电量，进而可能导致车主需要启动汽车时因防幼儿误锁车内自动报警系统消耗蓄电池过多电量，气缸内的工质（可燃混合气）无法在火花塞作用下燃烧而启动。因此，防幼儿误锁车内自动报警系统需配备独立的电源，避免因过多消耗汽车蓄电池电量而影响汽车的正常运行。综上，防幼儿误锁车内自动报警系统应包括微控制器、电源模块、显示模块、报警模块、环境控制模块等模块，系统结构框图如图1所示。

1）微控制器模块是防幼儿误锁车内自动报警系统的核心控制单元，负责接收信息采集模块采集的信息，对信息进行数字化处理，并通过显示模块实现车内幼儿遗留情况以及当前车内温度情况的实时监测与反馈。同时对车内温度进行判断，根据温度信息以及车内幼儿遗留信息，控制环境控制模块完成对车内温度的调控。

2）信息采集模块主要负责对车内相关信息进行实时采集，并将采集到的信息输送至微控制器进行后续处理。

3）环境控制模块主要负责根据微控制器的输出参数对车内环境进行降温作业，避免车内遗留幼儿因车内高温陷入中暑或休克等状态，进而确保幼儿在车内滞留期间的生命安全。

4）报警模块主要负责根据微控制器的输出参数实现声音报警与短信报警功能。

2  系统硬件设计

2.1  微控制器模块设计

由于小型乘用车内部空间有限，无法在如此紧凑的空间布置大型计算机及其配套系统，为不影响驾驶人员对汽车的操控，防幼儿误锁车内自动报警系统的控制器要尽可能小。STC系列微控制器具有体积小巧、性能可靠、成本低廉等特点[5]，应用较为广泛。因而采用STC89C52单片微控制器作为系统的控制单元，微控制器模块的最小系统如图2所示。

2.2  信息采集模块设计

系统需通过信息采集模块获取车内相关信息，并将信息转换为数字信号后输出至微控制器。这些信息包括儿童座椅端车门开闭信息、车内温度信息、儿童座椅承重信息以及座椅上物体生物性信息。

2.2.1  车门状态信息采集子模块设计

车门状态信息采集子模块主要负责配合微控制器判断儿童座椅端车门开闭状态[6-9]，其电路如图3所示。车门处于开启状态时，微控制器输出低电平，J2未接通；车门处于关闭状态时，微控制器输出高电平，J2接通。

2.2.2  车内温度信息采集子模块设计

车内温度信息采集子模块主要负责采集车内温度信息[10-13]，以DS18B20温度传感器为核心，该传感器具有精度高、工作性能稳定等优点，可准确测取车内温度信息，并将信息转换为数字信号后输出至微控制器。车内温度信息采集子模块的电路连接图如图4所示。

2.2.3  儿童座椅承重信息采集子模块设计

儿童座椅承重信息子模块主要负责采集儿童座椅上所承载物体的信息，以HX711重力传感器为核心，该模块安装于儿童座椅内部，用以测取儿童座椅上物体的重量。

2.2.4  座椅上物体生物性信息采集子模块设计

座椅上物体生物性信息采集子模块主要负责配合微控制器判断儿童座椅上物体是否为生物，该子模块的核心为HC-SR501人体红外感应模块[14，15]。若当前儿童座椅上的物体并非幼儿而是其他非生物体，无法制造与环境温度的温差，HC-SR501人体红外感应模块则不会对微控制器发出高电平[16-18]；反之，若儿童座椅上的物体为幼儿，由于其能够制造出与环境温度的温差，HC-SR501人体红外感应模块即可以对微控制器发出高电平。如此可避免系统因儿童座椅上与幼儿重量相似的非生物体物体导致的系统警报功能误启动。该子模块电路如图5所示。

2.3  显示模块设计

信息采集模块与微控制器采集与处理当前车内温度信息以及车内幼儿遗留信息，可以通过显示模块以可视化的方式反馈给车主，进而在车主离开汽车前即可获取相应的信息，进一步避免车内幼儿遗留情况的发生。选用LCD液晶显示屏作为显示模块的主要组件。

2.4  报警模块设计

报警模塊由声音报警子模块与短信提示子模块构成。在车主将幼儿忘记在车内并锁上车门后，系统会自动触发报警模块。其中，声音报警模块主要是通过蜂鸣器发出警报声，以提示车主或周围行人对幼儿进行解救。若车辆处于嘈杂的环境中，蜂鸣器声音可能受周围环境声音干扰，无法引起车主或周围行人的注意，这一情况下可通过短信提示子模块向指定手机发送短信的方式提醒车主此时车内有遗留幼儿。报警模块的电路如图6所示。

2.5  环境控制模块设计

2.5.1  环境控制模块构成

环境控制模块主要对车内温度进行调控，避免夏季车内过高温度危及遗留于车内幼儿的生命安全。如车内温度低于30 ℃，不对车内温度进行调控；若车内温度超过30 ℃，则对车内环境进行降温作业，以此改善车内温度环境质量。环境控制模块的执行器为5 V电制冷片与风扇。

2.5.2  环境控制模块工作原理

环境控制模块以继电器与NPN三极管共同构成开关。车内温度高于30 ℃时，微控制器输出高电平，NPN三极管导通，继电器闭合进行降温作业；如车内温度降低到30 ℃以内，微控制器输出低电平，NPN三极管截止，继电器断开，终止降温作业。环境控制模块的电路连接图如图7所示。

3  系统软件设计

系统通过信息采集模块获取车内信息，判断车门是否处于关闭状态，儿童座椅是否承重，座椅上物体是否为幼儿，车内温度是否超过30 ℃。若幼儿被遗留于车内，则启动报警模块，实现蜂鸣器报警并短信通知车主；若车内温度上升为30 ℃以上，则通过环境控制模块执行降温作业，避免幼儿因密闭环境内高温而中暑或休克，保障幼儿生命安全。系统工作流程图如图8所示。

4  试验测试

试验场地为吉林省长春市，试验车辆为2辆福特2013款三厢新福克斯汽车。1号试验车辆内部不配备防幼儿误锁车内自动报警系统，2号试验车辆配备防幼儿误锁车内自动报警系统并将系统开启。两辆试验车辆停放在同一地点，并处于阳光直射的角度，车门关闭、车内电源关闭状态下，车内温度变化趋势如图9所示。

由图9可知，防幼兒误锁车内自动报警系统在车内温度超过30 ℃时，其环境控制模块能够正常启动，在5 V电制冷片与风扇的作用下将空气制冷后输送至儿童座椅附近区域，实现在短时间内迅速降低该区域的温度。切实保障了儿童座椅区域附近的温度环境质量，避免幼儿因夏季车内密闭高温环境导致的中暑或休克。

试验车辆内部防幼儿误锁车内自动报警系统的可靠性试验结果如表1所示。

由表1可知，在车门关闭的状态下系统启动率为100%，报警模块启动率为100%，温度超过30 ℃时环境控制模块能够正常启动。车门开启后，即使此时车内温度为31 ℃（超过30 ℃），系统的报警模块与环境控制模块均不启动。

5  结  论

针对国内愈演愈烈的幼儿被遗忘车内致使幼儿死亡的问题，设计一套可以判断车门开闭状态、儿童座椅上物体是否为幼儿，以此确定自动报警与短信提示车主车内存在遗留幼儿的防幼儿误锁车内自动报警系统，并在车门开启前实时监测车内温度信息。在车内温度超过30 ℃时，自动开启环境控制模块执行降温作业，在幼儿离开车内之前尽可能保障车内温度环境质量，进而保障幼儿生命安全。研究中利用移植有防幼儿误锁车内自动报警系统的试验车辆对所开发的防幼儿误锁车内自动报警系统进行试验测试。测试结果表明，防幼儿误锁车内自动报警系统能够在相应的情况下正常启动和运行，且能够正确判断车门开闭状态以及座椅上是否留有幼儿。在试验过程中，系统能够在车门关闭、儿童座椅上留有幼儿的情况下自动启动蜂鸣器报警，并向指定手机发送短信提示；系统能够在车门关闭、儿童座椅上留有幼儿且车内温度超过30 ℃时，在启动报警模块的同时自动开启环境控制模块对车内执行降温作业。经过试验对照，温度超过30 ℃的试验数据从4组下降为2组，有效保证了车内温度环境质量，避免幼儿因夏季车内密闭高温环境导致的中暑、脱水或休克，做到车门开启前保障幼儿的生命安全。

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作者简介：张艺越（1994—），男，汉族，山东平度人，助教，硕士，研究方向：农业工程与信息技术（嵌入式技术及其应用）；王儒（1992—），男，汉族，安徽宿州人，助教，硕士，研究方向：机械设计与仿真。

收稿日期：2023-04-19

基金项目：黑龙江省自然科学基金项目（LH2019E073）