基于ZigBee的车载主动安全监控系统

李丽萍　王露

摘要：汽车密闭环境下，长时间驻留在车内的生命体极易因为疏忽而发生窒息、中暑等安全事故，针对这一问题，我们设计一种车载主动安全控制系统，其特征在于霍尔传感器检测车辆运动状态，人体红外感应模块决定装置是否开启，温湿度传感器、氧气浓度传感器、二氧化碳浓度传感器实时探测车内情况，蜂鸣器与闪烁的LED灯及其报警指示电路会在车内报警，天窗驱动控制可直接开启车窗，新浪云端使用三重DEs与Ecc混合加密算法有效保护数据传输安全，安卓客户端APP便于使用者随时接收报警信息及查看具体参数情况：所述系统在确定车辆静止且存在生命体后开启，用于实时监测车内情况系数变化情况并进行车内及短信报警，数据同时发送至云端服务器进行分析，记录在MysQL数据库中，手机APP可查。多重有效保障车内人员安全。

关键词：ZigBee；CC2530；GSM；车联网；安全

1.引言

目前，家庭拥有私家车数量日益增加，然而车辆的普及给人们带来便利的同时，也存在着很多安全隐患。

密闭条件下，车内的空气得不到更新，汽车发动机和空调运行会导致车内的一氧化碳浓度升高，一氧化碳无色、无臭、不易被察觉，被吸入后对人体造成极大危害。中国《工业企业设计卫生标准》指出：车间连续接触8h的最高容许浓度为300ppm。同时，车内人员呼出大量二氧化碳，导致车内氧气急剧减少，几小时就会使人恶心、昏迷，严重者甚至窒息而死亡。每年在车内密闭环境睡觉等原因导致人员缺氧窒息死亡的新闻屡见不鲜。

另外，人们对于封闭空间中暑事件的发生明显的认知不足，大多数人认为户外温度不高时不会发生中暑危险。但据国家公路交通安全管理局表示，车内中暑是乘车人员尤其是儿童在汽车非撞击事故中死亡的第一大因素。美国一项研究发现，当气温达到35摄氏度时，阳光照射15分钟，封闭车厢里的温度就能升至65摄氏度。

综合以上两种情况，我们提出设计一款监控车内人员安全的保障系统保障车内人员安全，减少车内人员窒息中暑死亡事件的发生。

2.车内人员安全监控系统设计方案

我们从汽车主动安全的角度出发，利用传感器、ZigBee组网、新浪云服务器和MySQL数据库和安卓等技术支持，设计了一款车载主动安全监控系统，实现对车内一氧化碳浓度和二氧化碳浓度以及温度等生命值信息的检测。车载主动安全监控系统结构如图1所示。

本系统由温湿度传感器DHTll，一氧化碳传感器MQ-7及其调理电路，霍尔传感器、二氧化碳传感器、人体红外感应模块HC.SR501、蜂鸣器及其报警指示电路、天窗驱动控制，新浪云端，安卓客户端APP部分组成。基于ZigBee的自组网络，在发动机长时间处于怠速状态和空调开启等情况下，该系统实时监测车内温度、CO浓度的变化情况，并记录、存储相关数据。首先通过霍尔传感器判断汽车运行状态，如果汽车处于怠速或者关闭状态，继而通过人体红外感应判断生命的存在，若有生命存在，则启动系统。系统通过测定温度或者CO浓度这两个参数来判断是否预警。超出设定在第一条安全防线进时行第一次蜂鸣器预警提醒车内人员注意通风保证空气流通，并给车主发送短信提醒；当超过第二条安全防线时，系统第二次蜂鸣器报警和发生安全预警短信，并在1min后自动开启天窗，保证车内人员安全。此外，传感器将收集的数据上传至新浪云端，用户可通过APP随时查看车内情况，给车内人员生命安全提供三重保障，具有其实用性。系统流程图如图2所示。

3.硬件设计

该系统的硬件模块是由人体红c应模块HC-SR501、温湿度传感器模块DHT11、电机模块、Zigbee节点模块、霍尔传感器、蜂鸣器报警模块、GSM模块组成，各个模块将采集到的信息通过ZigBee网络发送给协调器。协调器通过“串口调试助手”显示，并通过串口发送给电脑端，实现对于车内信息的实时监控和采集。硬件模块设计分为五部分：组建ZigBee网络、车内信息采集以及处理、汽车天窗的电机设计、车内蜂鸣器预警警、GSM信息预警。

3.1.1组建ZigBee网络

首先完成协调器节点和各个终端节点的程序编译、调试以及下载，每个节点设置独立的条件编译选项，代各部分完成后，组建ZigBee网络，使其成为一个相对独立的系统。给协调器上电，网络组建成功后输出协调器的物理地址以及网络地址。随后启动各终端节点加入网络，成功后通过串口看到接入的节点信息。

3.1.2车内信息采集以及处理

信息采集是实时将外界车内环境信息转变为机器可识别的信息，本系统重点采集信息为人体存在特征、温度等信息，使用的ZigBee模块为CC2530模块、温度传感器模块DHTl 1、人体红外感应器模块HC-SR501。

人体红外感应模块利用周期性点播定时器，间隔定时1s。程序自动判断是否开启整个监控系统。无人时终端节点显示“security”，串口显示“0”；有人进入感应范围终端节点“insecurity”，串口显示“1”。

3.1.3汽车天窗的电机设计

电机（车窗）动作是指当车温度、氧气浓度等生命值不在合理范围时触发动作，执行车载系统车窗控制，将车窗打开一条缝，避免车内人员危险的发生。

驱动控制由12V直流电机、电磁开关和行程开关组成。通过电磁开关控制电机的通断，行程开关作为车窗开关闭位置的反馈信号。

3.1.4车内蜂鸣器预警

采用有源蜂鸣器实现5HZ的急促鸣叫声，提醒车内人员氧气浓度不足的危险警示。

3.1.5 GSM信息预警

GSM模块使用TEXT模式，利用“AT+CMGW”“AT+CMSS”等指令预先存储好短信内容，一旦终端数据发送异常，系统自动发送事先编辑好的内容，进行远距离传输警报。

4.系统软件设计

软件部分分别使用新浪云服务器和MySQL数据库分析和储存数据，云服务器接口一端连接手机客户端，另一端连接底层硬件。云端服务器使用PHP语言编写，易维护。

安卓客户端一方面使用HttpClient提供的http网络访问接口，在登录按钮下开启子线程向新浪云端服务器发送post请求，将返回的数据解析进行处理让结果在界面显示；另一方面在达到安全临界值时后台可进行消息的推送，向用户发出安全预警信号，避免危险的发生。

5.系统测试

将编好的c语言程序烧录进个传感器模块中，完成ZigBee组网，开机进行测试。

测试情况一：将该系统进行打火机灼烧加热，系统设定在第一条温度的安全防线进行第一次蜂鸣器预警提醒车内人员注意通风保证空气流通，并发送短信提醒；当超过温度的第二条安全防线时，系统第二次蜂鸣器报警和发生安全预警短信，并在1min后自动开启天窗。

测试情况二：将该系统放入特定的CO环境中，系统设定在第一条CO浓度的安全防线200ppm时进行第一次蜂鸣器预警提醒车内人员注意通风保证空气流通，并发送短信提醒；当超过CO的第二条安全防线300ppm时，系统第二次蜂鸣器报警和发生安全预警短信，并在1min后自动开启天窗。

在两种测试情况下，传感器皆可将收集的数据上傳至新浪云端，用户可通过APP随时查看车内情况。以上测试结果表明系统功能测试成功。

6.结语

车联网作为一个新兴产业，带来了一个巨大的机遇。随着我国经济的快速发展，在市场需求带动下，车联网终端设备有望迎来爆发式增长。本设计顺应历史潮流，拥有良好的发展前景和具有较高的应用价值。采用ZigBee的CC2530模块及各种传感器，设计并实现了对车内环境的实时测控，测控精度高、可靠性高、系统成本低，易于集成到汽车安全辅助设备系统中，使得汽车安全系统更加完善，保证车内人员安全。