车内儿童防滞留系统的设计与实现

王星宇，李康伟，张 帆，孙海峰，杨 蟠，李春华

（合肥工业大学计算机与信息学院，安徽合肥 230601）

0 引言

随着社会经济的快速发展，汽车已普及到千家万户。汽车的大众化，也让与其相关的问题不断出现，例如：儿童滞留车内窒息而亡，多是由于父母或其他监护人的疏忽，在停车离开后无意将儿童锁在车内，或为了方便暂时将儿童有意锁在车内，进而引发儿童车内意外伤亡事故[1]。儿童被锁车内带来了大量的安全隐患，可能会脱水、中暑、体温热、窒息甚至死亡。儿童滞留车内的安全事故已经占到车内非交通死亡相当大的比例，儿童乘车安全成为汽车安全领域新的重要课题[2]。

经过前期研究调查，总结出当前国内外针对儿童滞留车内安全问题的研究主要有三大类：

（2）基于车门锁的检测：如通过检测车门是否被锁，同时结合座椅压力传感器判断车内是否有儿童滞留车内[4]。

（3）基于多种传感器的检测：如通过二氧化碳、红外传感器等检测儿童是否被滞留车内[5]，并通过报警模块实现报警功能，将二氧化碳、压力、温度等传感器等集成于一体，通过传感器检测儿童滞留，通风控制器实现自救功能[6]。同时利用GSM 模块报警，用户手机可以及时接收到报警短信[7]。

上述各种研究中基于多种传感器的检测，同时具备远程防遗忘和自救功能是研究的热点。因此开发基于温度、二氧化碳等传感器检测儿童滞留车内，并通过通信、执行等模块，实现预防儿童被锁车内的功能。

1 系统分析

1.1 系统简介

基于上述研究的启发，利用STM32 单片机，通过二氧化碳传感器、温度传感器、压力传感器等，实现对车内二氧化碳浓度、温度以及车窗是否被拍打等方面的监测，通过发送信息的方式完成报警。希望通过这样一套系统，能实现更精确的检测，减少安全隐患。

1.2 工作原理

儿童是否已被锁车内并存在危险，需要检测以下4 个关键量：①车辆行驶状态；②车内有无滞留人员；③车内环境情况（包括温度、二氧化碳浓度）；④车窗振动情况。

整套系统工作流程如图1 所示。本系统拟采用GPS 北斗模块，通过判断车速是否低于5 km/h 来判断车辆是否停止。若车辆处于停止状态，再利用人体红外传感器检测车内是否有滞留人员，若存在滞留人员，则将OLED（Organic Electroluminescence Display，有机电致发光显示器）屏开启，并将各传感器初始化，开始使用传感器进行数据采集，采集到的车内二氧化碳浓度信息和车内温度信息，通过OLED 屏实时显示。若车内温度低于30 ℃且二氧化碳浓度较低、振动传感器采集到的振动频率较低，则判断此时为安全状态，并重新检测车辆运行状态，开启下一轮检测；若车内温度高于40 ℃或二氧化碳浓度过高，则判断此时车内滞留儿童存在危险，系统向监护人发送危险短信，直至车门打开或温度下降至30 ℃以下，则可认为车内滞留儿童获救，系统结束工作，否则系统重新检测车辆运行状态，开启下一轮检测；若车内温度30～40 ℃或者振动传感器采集到的振动频率过高，则判断此时车内滞留儿童存在安全隐患，进入警告状态，并开始计时，若警告计时超过5 min，则发送警告短信通知监护人，重新检测车辆运行状态，开启下一轮检测，否则直接重新检测车辆运行状态，开启下一轮检测。

图1 系统工作流程

2 系统设计

2.1 总体设计

根据工作原理，绘制该系统的总体状态转移图（图2）。基于原理图及状态转移图设计出的实物如图3 所示。

(4)保留um弧线，连接mn线段，ny线段，yx线段，保留xv弧线，再将除A 、B中心线及φe圆以外的线删除，再在x处倒Rs=1.5的圆角，得图6。

图2 项目状态转移图

图3 系统实物

2.2 系统组成模块说明及测试

2.2.1 人体红外检测模块

人体红外检测模块采用HC-SR602，HC-SR602 模块具有灵敏度高、响应快、静态功耗小、体积小、安装方便等特点。镜头、引脚已焊接，电源无需调试即可使用。

对人体红外检测模块进行测试。初始化时，人体红外感应模块输出无人信号，LED 灯灭。当检测到有人时，人体红外感应模块输出有人信号，LED 电平翻转（亮），如图4 所示；当人体静止不动或者未检测到人时，人体红外模块输出信号保持上一个状态。

图4 检测到有人时，传感器灯亮

2.2.2 温度、二氧化碳浓度检测模块

温度检测采用HDC1080。HDC1080 是一款具有集成温度传感器的数字湿度传感器，其能够以超低功耗提供出色的测量精度。

二氧化碳浓度检测采用MHZ19B。MHZ19B 二氧化碳气体传感器是一个通用、小型传感器，利用NDIR（Non-Dispersive InfraRed，非分散红外技术）原理对空气中存在的二氧化碳进行探测，具有很好的选择性，无氧气依赖性，寿命长。

该模块通过串口与单片机进行通信，能够同时监测环境温度和湿度及二氧化碳浓度。当前状态温度、湿度及二氧化碳浓度值如图5 所示。

图5 当前环境的温度、湿度及二氧化碳浓度值

2.2.3 振动采集模块

振动采集模块采用SW-18010P。SW-18010P 为弹簧型、无方向性振动感应触发开关，具有信号干净、波形好、驱动能力强等特点。

当按压振动传感器，累积一定次数，蜂鸣器会发出响声，同时LED 灯会闪烁，如图6 所示。

图6 按压一定次数，LED 灯闪烁

2.2.4 GSM 模块

GSM 模块采用YH-SIM800A。YH-SIM800A 是高品质串口GSM/GPRS 模块，可通过串口传输标准的AT 命令对模块进行控制，可为产品提供简单方便的GSM 语音、短信、GPRS 的数据通信。

插入SIM 卡后，可以对指定的手机号码发送短信。如图7所示，手机收到了来自车内反馈回的报警信息。

图7 手机收到来自GSM 模块发送的报警短信

2.2.5 GPS 北斗模块

GPS 北斗模块采用BH-ATGM332D。BH-ATGM332D 是高性能、低功耗GPS、北斗双模定位模块，可以通过串口向单片机系统和电脑输出GPS 及北斗定位信息，使用简单方便。

GPS 信号良好时，板载的液晶屏会显示出实时的定位信息，显示的信息依次为：当前日期、当前时间、纬度、经度、正在使用的GPS 卫星、可见的GPS 卫星、正在使用的北斗卫星、可见的北斗卫星、海拔高度、速度、航向等。当前位置信息如图8所示。

图8 GPS 模块定位当前位置信息

3 创新点及应用前景

基于上述原理设计出的车内儿童防滞留系统，利用GPS 定位实现对车辆运行状态的判断；采用红外探测器检测车内是否有人员。拥有更加完善的检测系统，充分考虑到各种不同的情况下儿童是否遇到危险，避免误报情况的同时，也能尽可能减小安全隐患。

随着车辆保有量的不断增加，车内儿童防滞留系统潜在市场的规模不断扩大。此外，车内儿童防滞留系统不限于运用在家用轿车上，还可以运用在校车和客车上，可在一定程度上减少了安全事故的发生，同时提高乘车的舒适性。如果车内儿童防滞留系统得到广泛应用，可彻底解决车辆驻停后车内儿童人身安全没有防护措施的问题。

儿童滞留车内的安全事故已经占到车内非交通死亡相当大的比例，解决儿童滞留车内的安全问题有重要的现实意义，因此该系统的应用价值和成果推广前景较为可观。

4 结束语

介绍基于STM32 单片机设计的车内儿童防滞留系统，通过二氧化碳传感器、温度传感器、压力传感器、人体红外传感器等，从多个方面实现了对车内有无滞留儿童的监测和报警。拥有检测车内温度、二氧化碳浓度、GPS 定位、噪声和振动检测等功能。系统经过初步验证已经达到设计的基本目的。本产品以人为主体，特别是婴幼儿群体，可以与车内婴儿座椅相结合，真正起到对滞留儿童生命健康的保护作用。