基于安全温度控制的智能汽车报警装置设计

翟秀军，赵羽佳，刘晓明

（1.天津中德应用技术大学 汽车与轨道交通学院，天津300350；2.天津南开大学 医学院，天津300071）

媒体多次报道在炎炎夏日个别家长因一时疏忽将儿童遗忘在密闭的车内，从而造成孩子意外死亡的事件，本课题的任务旨在减少此类情况发生。本系统能在汽车熄火后分析是否有儿童遗忘在车内，一旦辨别可能存在危险时，自动声控报警并向车主手机发送信息，并能根据车内温度情况，调整车窗的高度，避免因车内温度过高或缺氧给车内儿童造成伤害。

目前防止将儿童遗忘车内的产品很少，较成熟的有Starfish的智能传感器和勿忘我SOS（汽车座安全提示器）。

Starfish 装置是将一个智能传感器放置在儿童汽车座椅垫下[1]，并通过蓝牙与父母的智能设备实现通讯。手机应提前下载安装好Starfish 应用软件并完成配对，当婴儿被放入座位，通过重力感应，Starfish 将自动激活，如果孩子被粗心的父母落在车里，父母或其他紧急联系人将会收到紧急信息。如果婴儿被抱离座位，Starfish 将解除工作，进入休眠省电状态。Starfish 适用体重为3.2磅至60磅重的婴幼儿，使用标准钮扣电池，存电量不多时，会提醒更换[2]。

勿忘我SOS（汽车座安全提示器）这款报警提示器包含接收器和发射器两部分。发射器直接安装在儿童座椅的安全带上，内部镶嵌蓝牙信号发射装置；接收器通过车载诊断系统与汽车发动机相连，两者互相配合发挥作用。当汽车发动，提示器便会提醒驾车人给孩子扣好胸夹系好安全带；如果小朋友不小心把安全带打开了，报警器就会响起，提醒驾驶人给孩子重新扣好胸夹系好安全带；当发动机熄火后，如果这个安全带没有打开，说明小朋友还独自在车里，报警器就会立刻做出反应，达到勿忘我SOS目的。

这两款已经上市的产品，考虑的比较完善，但是还存在一些不足。例如：Starfish 智能传感器，如果小孩没在车里，在安全座椅上放个等同儿童重量的物品可能也会激活；再如车内安装了勿忘我SOS 这款报警提示器，但是车里没有坐着小孩，也就是说每次开车，驾驶员都要去把安全座椅的安全带扣系上，每次停车都要去把安全座椅的安全带扣解开，十分繁琐。在这里需要特别指出的是这两款产品均具有防止儿童遗忘车内的预警功能，但是没有考虑到万一预警没有起到作用（产品一忘带手机），孩子仍然被留到车内造成危险[3]。

1 总体设计概述

课题的目的在于克服上述技术的不足，提供一种新型汽车报警装置，当儿童被遗忘车内时，能够自动报警引起周围人群的注意并向车主手机发送紧急提示信息，同时降车窗通风、降温。

新型汽车报警装置的技术方案其特征在于：包括AT89S52 单片机[4]、DS18B20 环境温度传感器、NS-THI 称重传感器、AD574 A/D 转换器、报警控制器及TC35i GSM模块。DS18B20 环境温度传感器与单片机输入接口连接，NS-THI 称重传感器通过AD574 A/D 转换器与单片机输入接口连接，单片机的输出接口分别连接汽车车窗控制端和报警控制器，单片机通过TC35i GSM模块与车主手机进行数据通信[5]。图1为新型汽车报警装置的硬件结构框图。

图1 新型汽车报警装置的硬件结构框图Fig.1 Hardware structure block diagram of the new auto alarm device

课题的有益效果是：与上两款产品相比不但有报警功能而且还能自动降车窗通风、降温为儿童的营救争取时间。当拔出车钥匙，发动机停止运转后开启系统。由DS18B20（环境温度传感器）[6]采集车内温度信号，NS-THI（称重传感器）采集座椅上的压力信号，当称重传感器的压力信号符合系统设定值时，判定可能有儿童遗忘在车座上，并且环境温度传感器采集车内温度值为37℃，后车窗自动下降5 cm，同时向车主手机发送求救信号；如果车主未回来，车内温度继续上升至40℃，后车窗再下降5 cm，继续向车主手机发送求救信号；如果车主仍未回来，车内温度继续上升至47℃，后车窗再下降5 cm，继续向车主手机发送求救信号，并开启声控报警器引起周围人群的注意，当儿童被解救后离开座椅，系统自动关闭。这种新型汽车报警装置性能稳定、能耗低，采用多种安全措施，极大地提高了儿童乘车的安全性。图2为装置的控制流程图。

图2 装置的控制流程Fig.2 Control flow chart of the device

2 具体实施方式

2.1 DS18B20 环境温度传感器

DS18B20 环境温度传感器与AT89S52 单片机输入接口连接。DS18B20是一种“一线器件”，是单线数字温度传感器，与微处理器的连接只需要一条口线就可以实现双向通讯，从而精度高、抗干扰能力强、使用便捷、经济性好。DS18B20 测温范围广，通常为-55℃～+125℃；当环境温度在-10℃～+85℃时精度可达到±0.5℃。将多个DS18B20 并联在唯一的单线上还可以进行多点测温。DS18B20 工作电压3.0～5.5 V，测量结果以数字量方式串行传送，无需外围元件。DS18B20是高速暂存存储器，内部由9个字节组成，第0 和第1个字节存放二字节补码形式的温度值。当有温度转换命令时，温度值被转换成补码并保存在第0 和第1 字节中。单片机可以通过与DS18B20的单线接口读取数据，读取顺序为先读取低位，后读取高位。温度计算方法依据符号位信息有所不同：当符号位S＝0时，二进制位被转换为十进制；当S＝1时，补码首先被转换成原始码，然后计算十进制值。具体数据实例如表1所示。

表1 温度值的二、十六进制转化Tab.1 Binary and hexadecimal conversion of temperature values

2.2 NS-THI 称重传感器

NS-THI 称重传感器通过AD574 A/D 转换器与AT89S52 单片机输入接口连接。选用额定载荷30 kg的NS-TH1 称重传感器，传感器材质为合金钢，防护等级IP65，配备标准变送器模块，构成通常包含组合式S型梁结构及金属箔式应变计。要求传感器具有过载保护装置，工作性能稳定。测量精度及输出灵敏度2.0+0.002 mV/V，温度特性符合课题要求，工作温度范围-25～70℃，工作电压5～12 V。

2.3 AD574A/D 转换器

AD574A/D 转换器是一种并行12 位逐次比较型A/D 转换器，可直接与各种微处理器连接，内置双极性电路构成的混合集成转换芯片，功耗低，无须附加逻辑接口电路，可与TTL 及CMOS 电平兼容。内部设置高精度参考电压源和时钟电路，只需外接少量的阻容件就能实现A/D 转换功能，可以进行自动极性转换和自动校零。AD574 A/D 转换器电源电压：±15 V 和15 V；转换速率：25 μs；数据输出格式：12 位/8 位；模拟电压输入范围有4种：0～10 V，0～20 V，0～±5 V，0～±10 V。

2.4 TC35i GSM模块

AT89S52 单片机的输出接口分别连接汽车车窗控制端和报警控制器，单片机通过TC35i GSM模块与车主手机进行数据通信[7-8]。TC35i GSM 目前应用广泛，在协议标准下能提供语音、中、英文短信、传真等数据的传送，使用者可根据需要完成电路的设计；模块在功能和使用方法上差异不大，通常采用双频段（GSM900 和GSM1800）工作[9]。模块电源电压：直流（DC）3.3～4.8 V，当电压低于3.3 V时自动关机；最大电流2.5 A，休眠时电流3.5 mA，发射时平均电流300 mA，空闲状态时电流为25 mA；频段在EGSM900 （4类） 功耗为2 W，频段在GSM1800（1类）功耗为1 W[10]；TC35i 预留外接天线接口，通过读卡器与外置SIM 卡建立通讯，SIM 工作电压为直流（DC）3 V/1.8 V。TC35i可以外接锂电池，通过外接负温度系数电阻NTC 对锂电池充电进行保护。TC35i通过AT 命令可以在数据接口上双向发送指令和数据，可选波特率为300 b/s～115 kb/s。自动波特率为1.2 kb/s～115 kb/s；重启和故障恢复时可以采用关断信号实现，也可采用AT 命令实现。TC35i模块具体调试过程如图3所示。

图3 TC35i模块通讯的调试过程Fig.3 Debugging process of TC35i module communication

2.5 AT89S52 单片机

AT89S52 单片机是CMOS 8 位单片机，功耗低、性能高，内含8 位中央处理器在系统可反复擦写1000次的Flash 存储单元，多应用于嵌入式控制应用系统[11]。具有以下标准功能：8 kB 在系统可编写Flash 存储器，256 B RAM，三级加密程序存储器，32个可编程I/O 口线，3个16 位定时器/计数器，8个中断源，全双工串行口，掉电后中断可唤醒，掉电标识符，双数据指针，看门狗定时器，单片机内有晶振和时钟电路。AT89S52可进行0 Hz～33 Hz 全静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式[12]。在低功耗空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作；在掉电保护模式下，保存RAM 内容，冻结振荡器，单片机停止所有工作，直到下一个中断或硬件复位为止。

图4 装置的I/O端口部分原理图Fig.4 Schematic of the I/O port part of the device

图5 装置的单片机控制TC35i模块部分原理图Fig.5 Device SCM control TC35i module part of the circuit diagram

3 系统工作原理

系统以AT89S52 单片机作为控制器，DS18B20环境温度传感器、NS-TH1 称重传感器作为输入信号，DS18B20 环境温度传感器实时采集车内温度信号，以此作为降车窗、报警条件之一，NS-TH1 称重传感器采集的压力信号要进行运算放大器放大，再进行A/D 转换，然后输入单片机处理并以此作为是否有儿童遗留座椅上的判定条件。当条件满足控制过程流程图所示的各种不同情况时，单片机发出控制信号控制执行器电机下降，报警器报警并通过TC35i GSM模块向指定手机发送紧急信息。

4 结语

对于媒体多次报道在炎炎夏日个别家长因一时疏忽将儿童遗忘在密闭的车内造成的惨剧，令人触目惊心。针对汽车报警技术领域，基于AT89S52单片机的汽车报警装置研究，利用DS18B20 环境温度传感器、NS-THI 称重传感器、AD574 A/D 转换器、报警控制器及TC35i GSM模块组成的新型汽车报警电路，当儿童被遗忘车内时，不仅能够自动报警引起周围人群的注意，并与车主手机进行数据通信，同时调整车窗高度通风，降温，为儿童的营救争取时间。

以上仅是课题汽车报警装置的优选实施方式，已经申请实用新型专利，专利号：201520764699.9。