关于车载安全装置的构思与设计——防车辆滞留人员窒息的安全装置

钟唯威，金昱，梁文熙，吴开荣，李俊斌

（北京师范大学 珠海分校，广东珠海， 519000）

0 引言

汽车的普及给绝大多数人的生活都带来了便利，但也不时会在新闻报道中看到车内滞留人员窒息的悲剧，其中受害群体大部分是儿童。而对大众的调查中，有26.63%[1]的家长曾有过把孩子单独留在车内的经历。儿童相对于成年人，自救能力有限，最终酿成悲剧。本文针对该现象提供一种解决思路及设备。主要是利用微波雷达及OBD端口等技术进行设计。下文将就装置本身的作用和使用场景进行简要分析，后提供相应的设计思路，结合软、硬件部分作一个介绍，探讨本思路和装置的可行性和准确性。

1 装置概述

装置的外形呈长方体，体积偏小，避免给驾驶员的视线带来干扰。此产品主要由顶部的太阳能板供电，遇到阴雨天也可以直接连接车内USB接口充电。产品底座采用橡胶材料，防止产品因为刹车而掉落。使用者可将它放在车内前窗中间位置，该产品大部分的模块都安装在一个主机上，使用者操作方便，仅需自己安装OBD分机，操作简明易上手。检验车内是否有人利用的是微波雷达感应模块，此模块受环境影响小，且测量角度大，可以实现无死角的检测。在车门关闭后，若五分钟之内车门没有再被打开，且微波感应模块检测到有人后，开始实时记录车内二氧化碳的含量及温湿度的变化情况，并显示到显示屏上。当检测到二氧化碳浓度过高或车内温度过高时，产品通过GSM通信给紧急联系人发短信提示，同时利用OBD技术控制车窗下降，蜂鸣器开始报警，引起周围人的关注，也可以使车内的人及时向外人呼救。达到自救及被救的效果，让整个救人过程的效率提高，减少不必要的悲剧的发生。拥有三重保障，在检测到二氧化碳浓度临近危险值或车内温度过高时，有三种方式救人：发信息给紧急联系人（家人救）、窗户自动降落（自救）、蜂鸣器报警（路人救），争取用最短的时间达到救人的最高效率。

2 装置的应用场景分析

在车门车窗关闭的环境下，车内有效空气无法循环，二氧化碳含量随着耗氧量的增加而增多，若意外将儿童滞留在车内，高温将使儿童代谢速度加快，耗氧量与二氧化碳浓度都随时间急速上升，当密闭车内二氧化碳达到一定浓度时，人体将受到重大损害。

同时，酗酒后的成年人也是主要的受害群体之一。在快节奏多应酬的都市生活下，不少成年人会在酗酒后前往车内休息，由于酒精作用，即便是成年人也难以在短时间内缺氧情况下找到车辆钥匙降下车窗通风透气。目前市面上检测空气中各类参数的仪器很多，但也只是停留在测二氧化碳浓度、PM2.5等指数上，缺乏可以在检测这些参数的同时真正去实现“救人”这一环节。在汽车普及到每个家庭，越来越走进人们的生活当中时，在车辆上额外安装一个车载安全装置显得意义重大。

3 硬件设计

■3.1 整体设计

本装置模型外观大小为160mm×112mm×45mm，材质为耐热塑料，顶部利用太阳能板给内部电池充电，正面左侧为OLED显示屏显示温湿度和二氧化碳浓度，正面右侧为点阵屏，提供实时时钟显示。底部为防滑橡胶。

图1 产品整体模型

各个传感器封装在盒子里，其中电池为实时时钟供电，微波传感器探头放置在点阵和OLED屏幕之间，实时传输相关数据给单片机，从而完成程序设置的动作。

■3.2 硬件各系统控制

本产品运用多项智能感应技术，控制系统由微波人体检测感应系统、二氧化碳检测系统、温湿度监测系统、蜂鸣器、GSM通讯系统、单片机应用系统、点阵屏显示、OLED显示系统、无线通讯等多部分组成。

在电路设计方面，本产品由AVR单片机ATMEGA328P作为主控。MH-Z19E二氧化碳传感器使用异步串口UART协议与主控通讯，该传感器利用非色散红外对空气中二氧化碳浓度进行检测，能得到精度较高的二氧化碳浓度测量值。OLED显示器使用I2C协议与主控通讯，因I2C为总线通讯协议，因此能同时挂载多个I2C地址不一样的设备。本产品使用的温湿度传感器、OLED显示器均使用I2C通讯协议。用于发送短信的GSM使用软件异步串口与主控通讯，在无需发送信息时进入休眠模式减少电池电量的损耗。

本产品由外接电源以及18650锂电池供电，因此需要电源管理系统。使用SY7088 DC/DC升压管理芯片对锂电池电压3~4.2V进行升压，获取稳定的5V电源。锂电池保护电路使用精工S-8261芯片进行设计。锂电池充电电路使用TI的BQ21040充电管理芯片进行设计，设计充电电流的500mA，充电截止电压为4.2V。

3.2.1 微波人体感应系统

图2 主机原理图

图3 PCB

人体智能微波雷达感应开关模块，是小型化5.8G 雷达人体传感器，外围搭配小型化平面天线，在保证传感器性能的同时大大减小了整体尺寸。该传感器可用于检测人体存在或移动目标感应的各种场景。与使用热释电红外检测的不同，微波可以检测人体存在或移动目标感应的各种场景，该模块灵敏度高，感应距离远，感应角度大，供应电压范围宽，基本上车内每个角落都可以检测到。且该模块可以穿透玻璃，座椅和薄木板，也不受温度、灰尘、风力等外界因素的影响。搭配433MHz无线透传模块，在433MHz应用环境下，灵敏度可以达到-107dBm,同样的高集成度高频信号接收功能全部集成于片内以达到用最少的外围器件和最低的成本获得最可靠的接收效果。此模块受环境影响小，且测量角度大，可以实现无死角的检测，检测到有人才会运行下一步程序。

3.2.2 二氧化碳检测系统、温湿度监测系统

采用MH-Z19E二氧化碳传感器，通过标准UART数字接口通讯，二氧化碳浓度量程为400ppm~5000ppm，分辨率为1ppm。采用SHT30温湿度传感器能使用不同引脚读取温湿度值。该传感器IIC总线通讯，最低功耗仅为4.8μW，电源供电范围2.4~5.5V，s湿度测量范围0~100%，温度测量范围-40℃~125℃。这也是本装置采纳上述传感器的重要依据。当二氧化碳含量接近危险值或者温度过高时将报警启动救人模式。

3.2.3 蜂鸣器

当启动救人模式时，车窗降落的同时车内蜂鸣器会开始报警，发出较大音量的声音，从而引起路人的注意，到达被救援目的。

3.2.4 GSM通讯系统

采用SIM800C是四频的GSM/GPRS模块。其性能稳定[2]，外观小巧，性价比高，工作频率有四个挡位850/900/1800/1900MHz，信号覆盖范围较广，同时可以实现低功耗的语音、 SMS和数据信息的传输，能适用于本装置设计需求。用于把短信发送给事先录入系统的紧急联系人手机内。在车内有滞留人员的情况下，发生热窒息的救援动作时，GSM通讯系统远程给紧急联系人报警，提醒联系人有可能发生车内热窒息事件。

3.2.5 显示系统

采用点阵屏和OLED两种显示模式，让使用者在视觉上有更好地享受，显示屏上实时显示二氧化碳浓度、温度、湿度及时钟。DS1341/DS1342是低电流实时时钟(RTC)，具有极低的待机电流，在电池供电时具有较长的使用寿命，能够持续计时。且电源电压低至+1.15V时仍可维持计时，其总线超时支持无闭锁工作，外部时钟源用于参考时钟同步，两个定时闹钟，带两路中断输出。

3.2.6 无线通讯

主机部分与OBD分机完全采用无线通讯的模式，即蓝牙通信模块，减少车内走线且零件体积小，美观且整洁。

4 软件设计

本产品的软件设计是基于ATMEGA328p单片机进行的。系统采用ATMEGA328p作为主控单元，产品中内置了温湿度传感器、二氧化碳传感器和实时时钟，以及安全装置—人体智能微波雷达感应模块。各硬件部分搭配软件逻辑协同工作。

微波人体检测感应系统：系统通过串口连接的24GHz微波雷达能探测出车内是否有人员存在。微波雷达不断循环扫描检测与人体相近的波段，包括呼吸波段，微动波段和移动波段经由内部电路滤波后输入单片机，由单片机与设定波段对比进行人员是否存在逻辑判断，若进入设定区间，触发后单片机置位。

二氧化碳检测系统、温湿度监测系统：这两个系统工作原理类似且硬件已整合在一起故作合并介绍。单片机ATMEGA328p通过UART串口通信获取当前二氧化碳传感器MH-Z19E测量的二氧化碳浓度以及温度和湿度。由单片机进行当前值是否超过设定阈值的判断，温度、二氧化碳浓度及湿度任一超过阈值都可配合人体存在程序进入紧急状态，若超过则认定为紧急情况进行下一步操作。这两个的系统与微波人体检测感应系统一样处于不间断的循环检测。在人体不存在的情况下也工作但不会进入紧急状态，超过阈值时仅利用GSM提供短信提示。

蜂鸣器、GSM通讯系统、无线通讯：在紧急情况下，利用单片机可做出一系列的救援动作，首先通过OBD通讯配合蓝牙控制车辆升降窗系统实现降窗通风、由于OBD接口是车辆内置接口，通过该接口不但能够读取车辆内置信息，还可以对车辆进行非核心功能的操作，本装置仅需升降窗功能即可。其次，通过单片机控制的GSM模块利用内置的SIM卡进行短信通知车主，另外通过含放大电路的蜂鸣器发出警报引起路人注意并前来营救，达到救人的目的。这里采用无源蜂鸣器可以结合程序设置出长3s，短1s的特殊警报声。

单片机应用系统：系统通过获取的二氧化碳浓度、温度、湿度以及结合微波雷达获取的车内实际人员情况判断当前是否有人困在车内，当数据超过阈值时系统识别当前为紧急情况。单片机作为信息处理的“大脑”，集成了多输入/输出的数模接口。主程序一经写入即可开始工作，该系统可由USB或电池组供电。

图4 软件主流程图

图5 显示屏流程图

点阵屏显示、OLED显示系统：ATMEGA328p通过IIC总线通讯将实时的CO2浓度和温度信息反馈在OLED显示器中做到一目了然。OLED显示系统可利用arduino编写一个显示函数，读取特定接口的输入量，这里选择读取二氧化碳检测系统、温湿度监测系统所得数据并设置输出对应的字样，保证数据与输出字样单位对应。点阵屏通过信号转换与内部时钟保持一致显示时间。在软件部分设置上这两个系统是不间断工作，但在硬件电路上可以通过手动关断和接通电源实现系统的关闭和工作。内部时钟可以保证在重新启动硬件电路时这两个系统的时间可以与内部时钟保持一致，内部时钟为低功耗不间断元件。另外如有需要可以设置低电量模式下这两个系统关断，以保障系统重要部分的正常工作。

5 结语

目前市场上存在许多车辆OBD升降窗装置，已经是成熟的产业链，但是其作用仅是帮助车主在忘记关窗时进行关窗。将升降窗功能应用到防人员窒息等安全领域几乎是空白。同时，将多传感器与OBD协同工作控制车辆部分功能的原理，未来也将成为一种趋势。在多传感器的高效配合下，通过单片机对数据的处理，让车主对车内的一些参数了如指掌，对于自己的车辆有更清晰的认识。未来的OBD将会作为车载产品内标准配置项，必将为我国的车联网落地做出最佳的贡献[3]。