基于ZigBee的防儿童误锁车内远程监测系统设计

关键词：车内环境监测；儿童安全；ZigBee

中图分类号：TP391 文献标识码：A

0 引言

随着汽车普及率的不断提高，儿童被误锁车内的事件时有发生，这可能导致儿童在车内面临高温、缺氧等危险[1]。在目前的汽车市场上，因为受到研发成本和投入产出比等各项因素的影响，汽车生产企业并未将防儿童误锁车内监测系统作为汽车的重要功能进行研发，现有监测系统存在数据采集不准确、无法进行远程实时监测等问题。例如，现有的车辆后座提醒系统是当车主关闭车辆电源后在显示屏上显示提醒信息，提醒车主检查后排座位情况，但这种提醒方式较为温和，特别是当车主急于离开车辆时，其容易被车主忽略。一些车辆的监测系统仅使用热红外传感器监测车内的人体活动迹象，监测的数据不全面、不准确。为了解决上述问题，本文设计一种数据采集准确全面且能进行远程实时监测的防儿童误锁车内监测系统。

1 系统总体设计

本文设计的防儿童误锁车内远程监测系统主要由车辆行驶状态检测系统、车内信息采集系统和STM32 单片机组成，图1 为基于ZigBee 的防儿童误锁车内远程监测系统。其中，车辆状态检测主要负责判断车辆处于运动状态还是静止状态，全球定位系统（global positioning system，GPS）模块通过检测某一时间段车辆的位置变化来判断车辆是否处于移动状态；加速度检测模块通过检测车辆加速度的变化判断车辆是否处于行驶中；霍尔开关模块负责检测车门的打开或关闭。当STM32 单片机检测到车辆停止移动并且车门由打开转为关闭状态时，车内信息采集系统才开始采集车内的环境数据，即利用CO 浓度检测模块和温度检测模块分别实时监测车内的CO浓度和温度数据，由微波雷达模块和震动检测模块负责判断车内有无人员活动，由摄像头实时抓拍车内的图像数据，并将采集的各项数据传输至STM32 单片机。采用STM32 单片机进行数据分析和处理，判断是否有儿童滞留车内，如果监测到有儿童滞留车内则触发蜂鸣器报警（模拟汽车鸣笛）以便吸引旁人的注意，同时将采集的车内环境数据和分析结果通过ZigBee 通信模块和Wi-Fi 模块（Wi-Fi 模块采用ESP8266 作为控制器）的消息队列遥测传输（message queuing telemetry transport，MQTT）协议上传到云端，最终传输到手机APP，用户可通过手机APP 远程查看是否存在车内儿童滞留的情况。

2 硬件系统设计

2.1 温度检测模块电路设计

本设计采用DS18B20 数字温度传感器进行温度检测[2]。该传感器采用单总线接口方式，与单片机的接口连接简单。图2 为温度检测模块电路，其中OUT 引脚为DS18B20 传感器的温度值输出引脚，该引脚与STM32 单片机的PA11 相连，负责将检测的温度数据发送给STM32 单片机进行分析和处理。STM32 单片机接收到DS18B20 传感器传来的温度数据后会立即将其显示在液晶显示器（liquid crystaldisplay，LCD）屏幕上，供用户实时查看。同时，当检测的温度值超过提前设定的温度阈值时，系统会触发蜂鸣器进行报警。在电路设计中，VCC接+5 V 电源，为温度CILM0k0UXziMql/csCWBGB6VP15/ju5GEX8M/4L2y14=传感器提供稳定的工作电压；GND 接地，确保整个电路的稳定性和安全性。

2.2 CO浓度检测模块电路设计

本设计采用SGP30 气体传感器检测车内的CO浓度。SGP30 气体传感器是一款结合电化学气体传感技术和光学测量技术的先进传感器，主要用于检测CO 和挥发性有机化合物的浓度[3]。图3 为CO浓度检测模块电路。在模块通电后，首先进行初始化，然后开始检测车内的CO 浓度并通过TX_B引脚输出，该引脚与STM32单片机的PA3引脚相连，并且将检测的车内CO 浓度数据传送给STM32 单片机进行分析和处理。此外，VCC 接+5 V电源，GND接地。

2.3 ZigBee 通信模块电路设计

本设计选用CC2530 ZigBee 模块[4]，支持ZigBee2007/Pro 协议规范，工作频段为2.4 GHz，其具有功耗低、传输距离远、网络容量大等特点，能有效降低车内各种信号的干扰，提高系统可靠性。在本设计中ZigBee 起到协调器的作用。图4 为ZigBee 通信模块电路，其中RXD 引脚与单片机的TXD 引脚相连，负责接收STM32 单片机实时采集的车内环境数据，而TXD 引脚与Wi-Fi 模块的RXD 引脚相连，用于将采集的车内环境数据发送给Wi-Fi 模块。此外，VCC 接+5 V 电源，GND 接地。

3 软件系统设计

3.1 采集端软件系统设计

图5 为采集端主程序流程，当系统检测到车辆停止后，首先进行软件和硬件的初始化，并将ESP8266 Wi-Fi 模块配置为终端站点（Station，STA） 模式， 当配置完成后连接Wi-Fi 模块和MQTT 服务器，连接成功后利用多种类型的传感器采集车内的环境数据，并将这些数据发送给STM32单片机进行分析和处理。最后，利用ZigBee 模块作为协调器，将采集的数据发送给ESP8266 Wi-Fi模块[5]，并且将数据上传到MQTT 服务端和手机APP 上供用户远程实时查看车内的状况。

3.2 客户端软件系统设计

本设计采用ZigBee 技术和Wi-Fi 模块将各种类型传感器采集的车内环境数据上传至云端和手机APP 上。该系统以ZigBee 协调器为核心，负责接收来自各种传感器采集的数据，采用ESP8266 芯片作为Wi-Fi 模块连接至互联网，Wi-Fi 模块利用MQTT 协议将采集的车内环境数据上传至云端，实现与客户端手机APP 的通信。图6 为手机APP 监测界面，连接和断开按钮分别控制网络的连接与断开，滞留框用于显示是否有儿童滞留车内，布防与撤防用于控制开启和关闭车内儿童滞留监测系统功能，界面的最下方用于显示摄像头采集并上传的车内现场图像。

4 结论

本文以STM32 单片机为控制核心，设计一个基于ZigBee 的防儿童误锁车内远程监测系统，利用DS18B20、SGP30 等多种类型传感器对车内环境状况进行全面和准确的信息采集，利用ZigBee 技术、Wi-Fi 通信模块和MQTT 通信协议将监测数据传送至手机APP，用户可通过手机APP 远程实时查看是否存在儿童误锁车内的情况。本研究具有重要的应用价值。