基于Arduino的车载儿童防滞留系统模拟设计

王文乐 郑鑫 袁昊 胡一品 张轶 季惠

摘 要：汽车在给人们出行带来便利的同时也引发了一些儿童安全问题，尤其是由于成人的疏忽而导致儿童被遗忘在车内最终导致死亡的事件频发。针对该问题也曾有研究人员利用不同的软件设计出基于STM32F103、基于MCS-51以及基于ATmega16的防滞留系统等。文章则是基于Arduino系统的原理以及方法设计了一套用于防止儿童被滞留车内的报警系统，并通过模拟实验初步验证了该系统的可行性。

关键词：儿童安全;Arduino系统;防滞留报警;模拟实验

中图分类号：U462.1  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）06-56-03

Abstract： While cars bring convenience to people's travel， they also give rise to some children's safety problems， especially the frequent incidents that children are left behind in the car and eventually die due to adults' negligence. To solve this problem， some researchers have designed STM32F103， McS-51 and ATmega16 based anti-retention systems with different software. In this paper based on the principle and method of Arduino system， we designed an alarm system to prevent children from being trapped in the car， and preliminarily verified the feasibility of this system through simulation experiments.

Keywords： Childrens safety; Arduino system; Retention prevention; Simulation design

CLC NO.： U462.1  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）06-56-03

前言

儿童车内安全问题一直是广受关注的问题，尤其是由于成人的疏忽将儿童遗留于车内导致儿童死亡的案例频发更是加剧了该问题受关注的程度。据圣何塞州立大学的统计报告表明，在美国，儿童因为被滞留在车内而导致死亡的案例，1998年～2018年共发生了794起，平均每九天就会发生一起此类事件[1]。而在我国从2013年至今，据统计共有147名儿童被困车中，其中40%的儿童不幸死亡[2]。被遗忘在车中导致儿童死亡的直接原因归于“汽车热”。研究表明，在阳光照射下汽车的车内温度在2分钟内就可以上升到34摄氏度，在20分钟内就会上升到42摄氏度，此温度对成人亦可造成不可逆的伤害[3]。而儿童因为身体发育尚未成熟，体温上升速度是成人的三到五倍，而呼吸系统和耐热能力又远远不及成人;另一方面又缺乏危险意识，自救能力不足（婴儿甚至不能呼救），从而导致悲剧的发生。解决该问题的根本方就是避免将儿童长时间遗忘在车内。因此，设计一套防止儿童由于疏忽大意而被长时间滞留在车内的报警系统是很有必要的。

与此相关的研究也有很多。国外与此相关的方法有：提出了一种利用胶带和皮筋制成颜色醒目的绸带用于连接车门把手和驾驶座椅后背，当家长下车时就可以看到后排是否有滞留的儿童帮助提醒的方法;也有软件开发人员开发出应用软件，该软件会根据不同情况发出语音提示，提醒车主车内是否有滞留儿童;还有一些厂商设计出车内监测系统，当车门锁死，监测到车内有物体移动，系统就会发出警报，并向车主手机发送信息等等[4]。国内也有不少的相关研究：有人设计了基于STC89C52RC的防滞留系统，当红外传感器和声音传感器同时检测到车内有滞留人员时，车内就会发出声音报警;而有人设计了一套系统通过利用车内座椅传感器检测座椅上是否有滞留人员从而决定是否发出警报以达到防滞留儿童的功能;也有人设计了基于MCS-51单片机的防滞留系统，当检测到车内二氧化碳浓度过高就会发出警报，同时打开车窗进行通风[5]。

本文则是基于Arduino系统（软件平台及硬件器材）设计了一套用于防止儿童被滞留车内的报警系统。当系统监测到车内滞留的儿童或者其他生命体时会发出报警信号，并主动调节局部环境以保证车内滞留人员的安全，并通过模拟实验初步验证了该系统的可靠性。

1 Arduino简介及系统搭建

Arduino是一个简单快速的原型制作工具，其便捷的使用方式可以使任何人快速的上手，能够极大的节省学习时间，缩短产品的开发周期，从而更好的帮助开发产品。Arduino系统由一个可编程的电路板（硬件）和被称为IDE （集成开发环境）的软件部分组成。其硬件部分可以獨立的工作，也可以和其他传感器模块结合增加产品的功能[6]。

系统硬件部分以Arduino UNO开发板为核心控制器，包含三个主要单元，内含人体红外传感器、温湿度传感器、液晶显示器和继电器，整体设计如图1所示。

（1）人体红外传感器：该传感器能够探测到人体发出特定波长的红外线。安装在车载儿童防滞留报警系统中，主要用于监测车内是否有滞留的儿童，当模块检测到人体发出的红外线后，输出高电平，反之，输出低电平。Arduino主控模块接收到该感应模块输出的高电平后就会令汽车的灯光和喇叭开启帮助报警。

（2）温湿度传感器：由温度、湿度组合传感器输出的已经校准信号的传感元件。在车载儿童防滞留报警系统中，与人体红外传感器配合工作。当红外传感器检测到车内有被滞留的儿童，此传感器开始检测车内的温湿度是否处于人体感觉舒适的范围内，如果不在便会开启汽车空调，进行温湿度调节。

（3）继电器：由于Arduino系统所需要的传感器都是极其敏感的电子设备，只能产生很小的电流，因此需要借助继电器来驱动更大的电流装置。

（4）液晶显示屏：用于显示数字信号和温度信号。

2 系统工作原理

图2为基于Arduino的防滞留报警系统的工作流程图。其工作原理是：当汽车停驶一段时间时（30s或1min后），启动报警单元通过人体红外传感器监测车内有无滞留儿童，如果没有检测到任何信号系统便会自动关闭;如果检测到车内有儿童（或其它生命体）存在就反馈给Arduino UNO控制板，输出信号控制车灯和喇叭发出声光报警，同时温湿度传感器实时检测车内温湿度，将其控制在人体舒适度范围内，并持续直至车内滞留儿童被救出系统关闭。

3 模拟实验及结果

本系统需要各个模块单元相互协调工作，一旦某个模块单元出现问题就会影响整个系统的正常工作。模拟时首先将各个单元模块的元件安装到开发板上，需要注意引脚是否插紧，元件接口正负极是否正确;接着将开发板上的杜邦线，按照程序规定的接口连接好;最后连接电源，按照以下三种情况进行测试：

测试情形（1）：车内有滞留儿童，但车内温湿度在舒适范围内（温度：10℃-25℃，湿度：40%-60%）。

如图3所示。初始状态：将空调开启（温湿度正常），继电器开关指示灯熄灭，模拟车内有人状态。开始测试：模拟车门关闭（模拟开关关闭30s后，注意此时空调被关闭），观察人体感应模块是否发出高电平，蜂鸣器是否开启，以及空调是否开启。

测试结果：通电后（30s后），人体感应模块探测到了人体发出的红外线并将二极管点亮，蜂鸣器开启，液晶显示屏显示温度和湿度都在设定范围内，继电器模块开关指示灯点亮，即空调没有开启，测试成功，如图3所示。

测试情形（2）：车内有滞留儿童，车内温湿度数值都不在最佳的范围内。

如图4所示。初始状态：与情形1稍有不同，将空调开启到温度与湿度超过舒适度的范围，其它条件相同，然后开始测试。

测试结果：通电后（30s后），与人体感应模块相连的二极管被点亮，蜂鸣器开启，起初液晶显示屏显示的温湿度不在程序设定值之内，因此控制继电器模块工作，继电器开关指示灯关闭，即空调开启，1min后显示温度和湿度都在正常范围内，测试成功。

测试情形（3）：车内没有滞留儿童。

测试结果：人体感应模块没有探测到人体发出的红外线，二极管熄灭，蜂鸣器关闭，继电器模块开关指示灯点亮，继电器模块依然不工作，即空调不开启，测试成功，如图5所示。

4 结论

基于Arduino系统（软件平台及硬件器材）设计了一套用于防止儿童被滞留车内的报警系统。并通过三种情形的模拟实验初步验证了该系统的可靠性。Arduino系统的简单快捷为本文想法的实现提供了帮助。但是也正是由于该系统过于简单，因此將其真正用到实车上还面临些许困难（需要增加许多的元件连接以及接口匹配等），后续我们将会继续下一步的研究，同时也希望该模拟报警系统的设计能够给更多的人启发。

参考文献

[1] 苏妮娜，宋璠.基于Android系统的地质认识实习移动教学平台设计[J].实验技术与管理，2018，35（08）.

[2] 徐亚坤，李鸣，杨大勇.基于Android的动态称重数据检测系统[J].电子器件，2018，41（04）.

[3] 郭志涛，韩海净，孔江浩，杨革宇，曹小青.基于Android移动终端的多功能视频监控系统设计[J].现代电子技术，2018，41（16）.

[4] 丁超，杨永杰，潘睿，申红明.基于Android系统的可穿戴报警设备设计[J].现代电子技术，2018，41（16）.

[5] 李行，李波，韩燕.基于Android系统的数控机床实时监测研究[J].组合机床与自动化加工技术，2018（07）.

[6] 靳继来，谢艳新，钟成梁，郭俊志，李雨泽. 基于单片机的家用多功能加湿器设计[J].农业网络信息，2017，（2）：112-115.