基于超声波和车联网融合的车内儿童遗落智能预警系统

梁成成 杜嘉伟 李阳 宋勃冉

摘要：针对儿童滞留在密闭的乘用车内导致窒息或热射病等生命安全问题，文章融合超声波检测与车联网操作平台，研发车内儿童遗落智能预警系统。该系统主要由超声波探头、儿童遗落检测模块、车联网T-BOX及车联网服务云平台组成，对锁车后车内是否有儿童遗落进行智能监控，发现危险时能够及时实现自动预警和自适应联动处理，在第一时间救助被困儿童，避免发生意外，从而保证乘车儿童的人身安全。除此之外，该系统还具有车辆异动报警功能。该系统是一款安全、可靠、实用、性价比高的车载主动安全产品，具有广阔的应用前景。

关键词：乘用车；超声波检测；车联网；智能预警；安全

中图分类号：U495    文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）02-0026-04

0 引言

在过去的几年中，全球至少有300名儿童被父母有意或者无意单独留在车内而导致死亡。为了避免此类事件发生，人们研发了车内儿童检测预警装置，目前市场上存在不同类型的检测预警装置，例如在车内座椅上加装传感器、在车内加装可见光摄像头及毫米波雷达等［1］。通过对比发现，这些检测预警装置存在可靠性低、通用性差、技术不成熟、监测方式单一及普及率低等问题。为弥补以上产品的部分不足，并结合市场需求和相关法规要求，本文研发了一款基于超声波和车联网融合的车内儿童遗落智能预警系统，该系统既能实时监测车内儿童或者宠物的活动，对儿童或者宠物遗落车内进行预警和干预，保证其生命安全；还具有车辆入侵检测报警功能，能在一定程度上保证车辆及车内财产安全。

1 系统组成

车内儿童遗落智能预警系统由车载端、数据传输端和家长端组成。车载端主要包括车内儿童遗落检测模块、车联网T-BOX、车身控制单元BCM、空调控制器HVAC、车辆大灯及报警喇叭等模块；数据传输端主要是车联网服务云平台及相关通信模块；家长端指的是家长手机终端App。

车内儿童遗落智能预警系统组成框图如图1所示。

2 系统工作原理

当汽车处于熄火状态，司机离开汽车，车门锁闭30 s后触发系统开始工作，超声波探头启动，开始向车内发送40 kHz超声波扫描后排座位，利用多普勒效应检测是否有儿童或宠物活动。如果探头检测到有儿童或宠物活动，则触发报警，儿童遗落检测模块把报警信息通过CAN收发器上传给车内车联网T-BOX模块和BCM控制器，BCM控制器根据收到的报警信息，以一定的频率驱动大灯和喇叭进行声光报警，同时T-BOX内的无线通信模组将报警信息通过无线信号传输到车联网云平台，云平台可在收到车内报警信息后，进一步分析滞留乘员是否有危险，并及时将后台归纳分析的结论发送到车主手机App上提醒车主：“请确认是否有儿童被锁在车内。”若车主看到App推送的信息后点击“确认”，确认信息通过云平台下发到车内CAN网络、检测系统停止工作直至CAN网络休眠。若车主一直未确认收到此信息，为了保证有效提醒车主，手机App信息提醒将会一直持续，前5次提示时间间隔为2 min；5次后提示间隔时间为1 min，若第一次提示后15 min仍未收到确认信息或者车门、车窗打开的信息，系统将启动e-call紧急呼叫功能，同时系统支持车主通过App远程开启车窗、空调、大灯、报警喇叭，实现车辆自适应联动处理，必要时云平台自动联系110报警平台（告知时间、位置和具体乘员滞留危险等警情信息）［2］。该系统除了具有远程监控、预警功能，还具有车辆异动报警功能。当车辆熄火，超声波探头触发启动后，超声波探头扫描后排座位，当没有检测到活动物体时，儿童遗落检测模块进入低功耗休眠模式；当传感器扫描后发现有活动物体时，儿童遗落检测模块唤醒CAN网络，通过BCM驱动大灯和喇叭进行报警，同时把报警信息上传到车联网云服務平台，平台将报警信息发送至用户手机，App提醒车主：“请确认车辆是否被入侵。”

3 功能实现

随着物联网、5G、大数据、人工智能等新技术与智能网联汽车融合应用的深入，我国车联网产业在很多方面取得了积极进展。当前，车联网的内涵不断丰富，价值空间不断拓展，车联网应用技术和服务体系日益丰富，新车装载智能联网终端的比例不断提升，基于车联网平台的应用系统呈现蓬勃发展趋势［3］。

3.1 儿童遗落检测模块

3.1.1 儿童遗落检测模块架构

车内儿童遗落检测模块主要由超声波探头（超声波收发一体式结构）、MCU微控制器、AD模数转换器、CAN收发器等部分组成，该模块架构硬件组成框图如图2所示。

3.1.2 超声波检测工作原理

车内儿童遗落检测功能的实现主要依靠超声波探头，本研究中的超声波探头采用收发一体式结构。当超声波探头被触发后，微控制器MCU会发送控制使能信号，超声波发射器向车内发射40 kHz（对人体无害）连续超声波信号，超声波信号经障碍物后产生回波信号，回波信号被超声波接收器接收，回波信号处理单元对回波信号进行采样及处理，可以获取回波信号特征信息［4］。从发出超声波到接收到回波信号这段时间，即超声波路径，根据距离公式，此时测得的距离如下：

S=（Vt×（t2?t1））/2

其中，Vt为测速时温度对应的声速，Vt=340 m/s。

同时，AD模数转换电路测量回波信号包络，MCU通过提取包络值特征进行分析，综合判断是否存在移动的物体，继而触发报警。

超声波检测报警工作框图如图3所示。

采用超声波收发一体结构设计，体积小，既可以减少安装时间，又能够降低系统功耗。

3.1.3 关键器件选型及功能介绍

本研究的系统为一体化设计，所有元器件集成到一块 PCBA 电路板上，通过外壳和底板封装固定，组装过程简易。车内儿童遗落检测模块包含MCU微控制器、超声波探头、EMMC存储器、CAN收发器及DC-DC电源转换器、LDO移压器等器件，所使用的元器件需通过车规级测试验证，符合车规级标准，其关键器件及功能如下。

（1）微控制器MCU。MCU在车内儿童遗落检测模块中起着运算、决策的核心作用，它负责触发超声波脉冲信号、接收超声波回波信号，通过CAN总线与T-BOX进行信息交互，并发出预警信息。该设计方案中的MCU微控制器选用日本瑞萨半导体公司生产的16位高性能R5F10BGELFB单片机。

（2）超声波探头。超声波探头又称超声波传感器，它发出并接收超声波信息，用来检测车内移动物体。探头性能的好坏及探头选取是否得当，将直接影响系统检测结果的准确性和可靠性，本设计方案选用日本的株式会社村田制作所生产的发射接收兼用型MA40H1S-R传感器。

（3）CAN收发器。MCU微控制器通过CAN收发器与车内T-BOX和BCM控制器进行信息交互，CAN收发器选用NXP公司生产的TJA1043型芯片，该芯片具有性能优异、可靠性高等特点。

（4）DC-DC电源转换器。该稳压电源转换模块，选用美国芯源系统有限公司生产的MPQ4572型芯片，能够实现车内儿童遗落检测模块内部12～5 V、12～3.3 V的电压转换，可以得到平稳、可靠的输出电压。

（5）3.3 V LDO稳压器。该稳压器选用德州仪器公司生产的TLV70233QDBVRQ1型LDO稳压器，可以实现3.3 V稳压输出，保证电源的稳定性。

3.2 系统软件处理流程

系统软件处理主程序流程如图4所示。

3.3 报警策略

（1）车辆熄火并接收到锁车门信号30 s后，该系统启动开始工作，若满足关闭条件，则设备待机。

（2）当系统工作时检测到车内有移动物体，系统发出预警信号，信号通过后台传输至用户手机端。

（3）如果4 h后还没有应答，超声波传感器探测周期延长至1 s。

3.4 报警分级

（1）儿童遗忘车内报警：当车内儿童或者宠物等有移动动作时，超声波回波可进行探测并有效识别，然后上传报警信号。

（2）车辆破坏入侵报警：当有特定频率段的振动信号，其振动加速度在一定幅度内持续一段时间，则认为存在车辆被破坏、入侵风险。

（3）整车搬运报警：当车辆停车熄火后，车辆位置超过一定倾角阈值，则认为有整车搬运风险。

3.5 算法流程

应用层软件模块主要包含信号处理、特征提取及分类决策，算法流程如图5所示。

3.6 安装位置

本系统支持灵活的安装位置并适配不同类型的车辆，车内儿童遗落检测模块可通过插槽支架或螺丝锁付的安装方式进行固定，安装在车辆后排座椅上方车棚处正中央附近无其他物体遮挡的位置，原则上要保证超声波探头探测区域可以覆盖整个后排座位及地板，检测模块安装位置不合适，则会导致监测状态出现偏差。

3.7 通信总线

系统采用标准LIN、CAN总线及接口输出预警信号。LIN总线参照国标《LIN总线通信规范》。BCM是LIN主节点，儿童遗落智能预警系统是从节点。车联网T-BOX与儿童遗落智能预警系统之间通过CAN总线进行信息交互。

儿童遗落智能预警系统将报警信息通过CAN发给T-BOX，T-BOX通过无线信号转发到车联网服务云平台；同时，T-BOX将车身信息（车速、车门状态、发动机状态等）通过CAN总线传输给儿童遗落智能预警系统。T-BOX将车窗、车门、空调动作指令通过CAN总线发给BCM，BCM通过LIN线控制相关部件执行相应操作。

4 设计创新点

本系统是以车联网为平台的汽车车内儿童遗落智能预警系统，产品的创新点如下。

（1）本系统采用兼容式和功能最大化设计总体思路。目前的设计属于基础型方案，后期根据需要可扩展更多功能，基础型和扩展型采用同一个外形结构尺寸、同一块 PCB印制电路板，通过选择性焊接不同的模块，达到适应不同车型应用的目的，EMC电磁兼容性性能试验和环境试验只需要做一遍，可达到节省成本及缩短开发周期的目的。

（2）本系统采用R5F10BGELFB高性能MCU微处理单元作为主控制器，不需要外加AD数模转换单元，采用汽车自带的ABS速度传感器作为车速检测单元，绿色节能。

（3）本系统既可通过T-BOX、云平台、手机App向车主发短信息远程预警，又可通过车身自带的大灯和喇叭实现原地报警，可以向路人发出预警信息；必要时车联网云平台还可以自动联系110报警平台。车主可通过手机App、T-BOX和BCM实现远程开启车窗、车门或空调等操作，可以有效地帮助儿童脱离险情。除儿童遗落智能预警功能外，还兼具车辆入侵报警功能，当车辆有人非法闯入时，可快速实现车辆本地异动报警和手机App远程报警，大灯闪烁辅以声音警示，帮助车主及时化解風险，规避潜在损失。

依托国内外相关汽车安全法规的颁布和实施，国家和社会对车辆安全出行的高度关注，凭借本项目产品的高性价比，儿童遗落安全系统市场前景广阔。

5 结论

本研究所提系统是结合物联网新技术和车主实际安全需求进行设计的，为广大车主，尤其是为“有孩一族”车主设计的一款安全、可靠、高效、实用、低成本的车载主动安全装置。该装置可实现车内活物移动检测、预警信息上报、用户手机App远程报警和干预、车辆本地预警等功能，能有效解决儿童因被困车内而产生的安全事故问题，具有广阔的市场应用前景。

6 参考文献

［1］任恒.汽车车内生命监测装置和报警系统研究［J］.内燃机与配件，2022（18）：91-93.

［2］刘汇.基于互联网技术的汽车内儿童安全预警系统研究［J］.科技视界，2017（1）：234.

［3］李灵瑶，顾全根，王宇叶.5G环境下车联网关键技术及其发展趋势探讨［J］.中国管理信息化，2022，25（20）：195-197.

［4］严双利，符影杰.基于数字信号处理的超声波测距系统设计［J］.工业控制计算机，2022，35（8）：57-58，60.