一种智能车载儿童求救装置的设计与实现

曲云鹤，于 源

（1.西南交通大学机械工程学院，四川 乐山 614202；2.北京化工大学机电工程学院，北京 100029）

1 引言

家用轿车带给人们方便快捷的同时，也带来了不同程度的社会问题，如交通堵塞、空气污染、儿童被留车内事故等[1-2]。据不完全统计，2015 年上半年我国至少发生12 起儿童被留车内事件，其中造成5 名孩子意外死亡。不仅在我国，历年来世界各地频发这类事故。以统计数据相对完整的美国为例，每年总有几十个孩子成为这类事故的牺牲品，平均每9 天发生一起。据调查，超过87%的孩子是被无意之中遗留在车内的。杜绝这类意外事故的发生，可以采用提醒法或报警法[3]。设置提醒装置可以利用车内仪表盘或者使用手机应用软件，在家长离车时，提醒家长检查后座是否留有儿童。美国田纳西州12 岁的安德鲁·佩拉姆设计了一种提醒彩带，将其绑在车门把手和驾座椅上，不仅不妨碍开车，还能提醒家长们下车时带上坐在后座的儿童。但是，如果提醒装置没有起到作用，家长如果已经锁门离车，就需要报警装置及时通知家长车内还遗留有儿童，这样就会大大提高车内儿童的生还几率，降低其死亡率。人们对于儿童乘车安全比较重视，已有避免因儿童滞留车内窒息死亡的相关装置的专利以及研究报道[4-7]。旨在设计一种非汽车中控的模块化控制方式，且具有低功耗、低成本、误报警率低的智能车载儿童求救装置，第一时间给设定手机号发送求救信息，为营救车内被遗忘儿童争取宝贵时间，最大可能地避免这类惨剧发生。

2 智能车载儿童求救装置设计

该装置首要解决的问题是检测车中有无儿童。常用的生命探测仪器主要有三类[8]。第一种基于音频声波获取呼吸声、心跳声等来发现被困者，这类探测仪存在的局限性主要在于容易受现场噪音的影响；第二种利用雷达信号发送器连续发射电磁信号，感应人体所发出的超低频电波所产生的电场（如心跳、呼吸、肠蠕动等）来发现生命体征。这类探测器的技术难点是当目标移动时，信号会有差异，则需要侦测杆锁定目标，并通过计算机辅助手段与不断训练，找到人体目标；第三类则是利用红外感应器探测被困者身体的热量。当红外感应器的热电元件检测到人体的热辐射能量，则把热电元件的输出信号转换成电压信号，发现目标并进行施救。由于这种红外传感器本身不发任何类型辐射，器件功耗小，占用空间小、价格低廉，适用于家用轿车，所以本装置选用红外传感器检测车内是否有被遗忘儿童。考虑到儿童主要在后排座位，因此在后排侧门各安装一个红外探头，并在后排车顶处安装一个红外探头。

第二个需要解决的问题是触发后排红外探头开始检测。采用一种智能触发方式，降低有驾驶员时产生的误报警率。设定触发方式为：车门关闭且驾驶室无人。本装置采用门磁开关检测车门是否关闭，门磁开关由两部分组成：较小的部件为永磁体，内部有一块永久磁铁，用来产生恒定的磁场，较大的是门磁主体，它内部有一个常开型的干簧管，当永磁体和干簧管靠得很近时（小于5mm），可发送高电平。安装在驾驶室旁侧的红外感应器用来检测驾驶室是否有人，当检测到有人，发送高电平，检测无人则发送低电平。触发条件为车门关闭且驾驶室无人即为：门磁开关发送高电平，驾驶室区红外感应器发送低电平。这时触发后排红外探头开始检测。

第三个问题是向家长发送求救信息。向设定手机号码发送短信或者致电是最直接有效的方法。GPRS 无线数据传输模块式比较成熟的技术，可插入SIMS 卡，支持短信息和语音通话等信息传输功能。本装置选取该方式向设定手机号码发送短信或者致电。

由上述分析，该车载求救装置主要包含五个模块：第一个模块是后排座区域的红外检测模块：家用轿车内部空间有限，可在后排左右车门内侧上方各布置2 个红外感应探头，在车顶中间部位布置1 个红外感应探头用于检测车内后排是否有儿童。第二个模块是触发模块：包括门磁开关与驾驶室区域红外检测。车门关闭时，发送高电平信号，车门打开时，发送低电平信号；驾驶室侧门上方布置1 个红外感应探头，用于检测是否有驾驶员，如果检测有人，发送高电平信号，如果无人，发送低电平信号。当车门关闭且驾驶室无人，则触发后排座区域红外检测模块。第三个模块是供电模块：采用2 节锂电池对装置进行供电；第四个模块是微控制单元模块：采集由红外感应传感器信号，有人，则为高电平，无人则为低电平，同时接收门磁开关的关门触发信号。第五个模块是GPRS 无线传输模块：将信息发送至设定手机号码。装置的设计构架，如图1 所示。

图1 智能车载儿童搜救装置设计构架图Fig.1 Architecture Map of Intelligent Vehicle-Based Child Help Device Design

3 智能车载儿童求救装置实现及测试

3.1 智能车载儿童求救装置实现

装置所需主要硬件模块包括：

（1）门磁开关 CS-9D，4 个；

（2）HC-SR501 人体红外感应模块和探头，4 个；

（3）电源：18650 锂电池，2 节；

（4）GPRS 无线数据传输模块，1 块；

（5）STM32F103 单片机，1 块。

图2 车载搜救装置实物图Fig.2 Physicle Map of Vehicle-Based Child Help Device

装置中的一色灯是指示灯，接收到高电平信号则亮，接收到低电平信号则灭；另一色灯的是电源指示灯，通电后亮，未通电灭，如图2（a）所示。驾驶室旁侧安装的红外感应器（1＃）用来监测是否有驾驶员，当检测到驾驶室有人，则发送高电平，红灯亮，否则发送低电平，且红灯灭。当4 个门磁开关分别检测四个车门是否闭合，则分别发送高电平，对应的红灯亮。否则红灯灭。4 个门磁开关均为高电平，同时红外感应检测模块1 为低电平，则触发后排座位区域红外检测模块，红外感应器（2＃、3＃、4＃）启动。检测到有人时发送高电平，相应的红灯亮，无人发送低电平，相应的红灯灭。只要红外感应器（2＃、3＃、4＃）向单片机发送一个高电平，则启动GPRS 模块，如图2（b）所示。向设定手机号码发送求救短信或者致电。预设每隔50s 检测一次触发条件（车门关闭且驾驶室无人）是否满足，如满足，则后排座位区域红外感应器（2＃、3＃、4＃）进入检测状态；如不满足，则重新检测车发条件，循环进行，直到装置电源关闭。

3.2 智能车载儿童求救装置测试

测试结果如下：

（1）红外感应器（1＃、2＃、3＃、4＃）测试：探头距人体 0.01m 时可感应，单片机上对应红灯亮，人体离开，红灯灭；探头距人体0.1m 时可感应，单片机上对应红灯亮，人体离开，红灯灭；探头距人体1m 时可感应，单片机上对应红灯亮，人体离开，红灯灭；探头距人体2m 时可感应，单片机上对应红灯亮，人体离开，红灯灭；探头距人体3m 时可感应，单片机上对应红灯亮，人体离开，红灯灭，红灯的响应延时（1～2）s 不等。

（2）对门磁开关的测试：门关闭，单片机上对应红灯亮，门打开，红灯灭。测试正常。

（3）发送短信及致电测试：满足触发条件即车门关闭且驾驶室无人时，红外感应器2＃红灯亮或红外感应器3＃红灯亮或红外感应器4＃红灯亮，在程序中预设的手机号码可以即时收到求救短信或者致电提示。

图3 车载搜救装置测试图Fig.3 Test Chart of Vehicle-Based Child Help Device

该车载搜救装置测试图，如图3 中，利用纸箱模拟轿车，对该车载搜救装置进行测试。测试结果表明，单片机控制程序的逻辑合理，可以有效控制装置的触发并进行电信号的采集；红外感应模块可以正常工作，通过探头检测到是否有人；无限数据传输GPRS 模块可以向设定手机正常发送短信或者致电。

4 结论

该车载搜救装置综合运用了红外检测技术、自动控制以及远程通信，为儿童这类弱势群体的安全提供了保障。项目中单片机控制设计逻辑合理、可行，所选择使用的红外感应器、门磁开关以及GPRS 无线数据传输模块等元器件均具有低功耗、低成本、可靠性好、安装简便且使用安全等特点。本装置采用非中控的控制方式，不必与汽车中央控制器进行通信，即插即用，模块化使其具有安装简便，普适性好的特点；本装置采用智能触发方式，在检测到驾驶室无人，且车门闭合的状态下，才触发求救装置，可大幅降低了误报警率；此外，装置对设定手机号码同时进行短信且致电报警，确保了信息传递的及时性。项目具有很好市场前景。