车内滞留儿童安防系统的设计

陈德志，吴小安，汪劲松，马园园，翁蓉

（东南大学成贤学院 电子与计算机工程学院，江苏 南京 210088）

0 引 言

随着中国当代社会科学的进一步发展，人们的经济水平也得到了显著提升，越来越多的人选择汽车作为自己的出行工具，汽车的产量在近年来又有了迅速的提高，成为了人们必不可少的东西。而与此同时，麻烦也接踵而至，因为监护人的过失，而造成孩子被遗弃在车内导致窒息身亡的案件也层出不穷。尤其在高温炎热的天气时车厢内温度可达65℃及以上，仅仅只需要30 分钟的时间就可令儿童窒息死亡。而由于害怕车内的儿童会不停的大叫，挣扎，哭喊，这些行为又会进一步加剧车内氧气的消耗，促使温度升高，从而导致生存时间缩短，悲剧发生。为了避免更多无辜的孩子丧生，消除家长的顾虑，针对车内滞留儿童安全问题的研究就显得尤为重要。

1 系统分析

1.1 系统简介

基于对社会背景与实际需要的研究与启发，我们利用51 单片机，通过红外人体传感器、压力传感器对车内是否有儿童存在进行正确判断，再利用温度传感器、二氧化碳浓度传感器等对车内环境进行检测，最够通过声光报警，并给车主发送短信进行求救。

1.2 目标功能

安防系统应该具备以下基本功能：

（1）能够通过压力检测和红外检测，对车内是否有儿童存在的进行正确判断。

（2）根据车内检测结果判断是否对儿童造成危害。

（3）在有儿童滞留车内并且车内环境造成死亡威胁的情况下，可以及时发出现场警报。

（4）通过GSM 模块发送短信，实现远程报警功能。

1.3 工作原理

通过对系统的进一步分析，我们得出要判断车内儿童是否存在危险需要有以下关键量：首先车内是否有儿童存在，其次是判断儿童身处的环境（车内温度、二氧化碳浓度等），最后在得知车内滞留儿童存在安全威胁时，及时发出警报。

系统工作流程如图1 所示，当司机停车熄火离开后，系统首先通过压力传感器对车内是否存在滞留儿童进行初步判断，接着系统通过人体红外传感器判断车内有没有滞留的儿童或其他人员，并自动通过温度检测模块和二氧化碳浓度检测模块检测车内的环境数据；如果检测到车内的温度过高或者二氧化碳的浓度过高，车内人员存在缺氧窒息或者脱水的危险时，系统会根据设定好的程序采取措施主动解救车内被困儿童，通过现场报警模块亮起警示灯同时播放警示音以引起路过行人的注意，并通过GSM 通信模块自动向提前设定好的车辆联系人的手机发送求救信息。

图1 系统工作流程图

2 系统设计

2.1 系统整体设计

本系统采用STC89C52 单片机作为处理器，具有操作简单、技术成熟、通用性强、造价低廉等优点。STC89C52 是一个低功耗，高性能的51 内核的CMOS8 位单片机。它具有以下标准功能：8k 字节的Flash，512 字节的RAM，32位I/O 口线，看门狗定时器，内置4 kB EEPROM，MAX810复位电路，3 个16 位定时器/计数器，4 个外部中断，一个7 向量4 级中断结构（兼容传统51 的5 向量2 级中断结构），全双工串行口。另外STC89C52 可降至0 Hz 静态逻辑操作，支持2 种软件可选择节电模式。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。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35 MHz，6T/12T 可选。

系统主要由压力数据采集、温度数据采集、二氧化碳浓度数据采集、声光报警显示模块和GSM 通信模块构成。系统整体原理图如图2 所示。

根据单因素试验可以发现，玉米秸秆淀粉添加量、聚乙烯醇添加量以及甘油添加量的改变对薄膜抗拉强度和变形率有着不同程度的影响，在此基础上选取适当因素水平，以薄膜的综合评分为指标进行正交试验。

图2 系统设计框图

2.2 系统模块设计

2.2.1 电源供电模块

采用9 V 锂电池为系统供电供电，因锂电池具有其体积小、储电量高、寿命长等的特点而被广泛应用于小系统供电，通过设计电路并利用AMS1117 电压转换模（9 V/5 V）块对9 V 电压进行转换，为单片机、各传感器模块供应所需电能。

2.2.2 压力传感器

压力感应器采用了HX711 模块，原理图如图3 所示。HX711 模块是一种专门为高精度压力感应器所设计的24 位A/D 转换器芯片。与同类型的其他芯片相比，该芯片整合了包括稳压电源、芯片内的时钟振荡器等，具备了集成度高、速度快、抗干扰能力强等优势。从而大大降低了操作系统成本，并增强了操作系统的性能与可靠性。

图3 HX711 原理图

压力感应器和嵌入式单片机之间类似于IIC 通信，读出来的AD 数据并不是实际数据，而是仿真数据经过AD 系统转换成数据信息，该传感器左右都有二个压力电阻，总共四个压力电阻，构成全桥型集成电路。

HX711 模块与单片机的通信由管脚Sck 和Dout 组成的串行通信模式。当Dout 从高电平变成低电平后，Sck一次输入25 个脉冲，将24 位A/D 转换数据读入单片机，并在第25 个时钟脉冲选择好下次转换的输入通道和增益。

压力传感器是用来初步检测车内是否有儿童的存在，通过设置压力的阈值，当检测到座椅压力达到阈值时，进行下一步的检测。

人体的红外线感应器主要使用于HC-SR501，而HCSR501 则使用了依靠红外线的主动控制系统，并且使用了LHI778 进行探测，同时具备了全自动感应，微功率小，灵敏度好，安全性好，工作电压宽等特点。我们现阶段项目的实验成果是以模型为主，所以使用的红外传感器灵敏度必须高，功耗也要更低，而HC-SR501 刚好满足这样的要求

人体红外传感器可以准确感应环境周围的物体，利用光学的性质，准确判断物体的行传，大小还有状态等，相较于单独的使用二氧化碳，红外传感器和二氧化碳的一起使用，更加准确，也有助于系统的判定。红外传感器的工作流程为初始化时，人体红外感应模块产出无信号，LED 灯灭。而当侦测到周围有人时，人体红外感应模块发出信息，LED 灯亮，当人静止不动或未侦测到人时，人体红外模块输出信号处于前一个状态。

人体红外传感器是为了进一步检测是否有儿童的存在，保证了检测的准确性。

2.2.4 温度传感器及二氧化碳传感器

科学研究已经证实，人的基础体温一直保持在36.2 ℃～37.2 ℃之间，当基础温度达到了30 ℃时人体就会开始产生热觉，同时体内的汗腺也开始启动。但如果体温高于41℃，就会出现意识模糊、晕厥等病症。本试验所使用的温度传感器为DS18B20，工作原理图如图4 所示，其温度检测区域为-55 ℃～+125 ℃，其实测显示分辨率最高可到达0.062 5℃，因此具备容积小，硬件费用少，抗干扰力量强，精确度高的优点。

图4 DS18B20 工作原理图

DS18B20 在出厂时设置为十二位数，当读取室温时共读取了十六位数，前面五个都是符号位，当前五位数为1 时，读出的室温是负号；当前五位为0 时，读出的室温是正数。读数为正时，读数时将十六进制转化为十进制；当读数为负时，读数时将十六进制取反后再加一，然后转换成十进制数。

由于汽车空气空间狭窄，所以一般情况下如果空气中的二氧化碳浓度大于百分之一，人就会有轻微的中毒反应，而在大于百分之三时，人就会呼吸困难，如果大于百分之六则会导致重度中毒甚至致死。因此基于此考虑，我们采用的二氧化碳含量传感器是SGP30，因为SGP30 能够即时监测汽车内二氧化碳含量，具有长期稳定性和低漂移的特点，原理图如图5 所示。

图5 SGP30 工作原理图

温度传感器与二氧化碳传感器是同时作用的，当它们同时到达界阈值就会驱动警报系统的工作，车辆发出警报声提醒路人及车主。

2.2.5 液晶显示模块

本设计在开始实时检测时能把检测到车内的环境数据显示在液晶屏上，LCD1602 液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点由于LCD 液晶屏价格低廉，性能良好，故采用LCD 屏。

2.2.6 GSM 通信模块

通信模块采用了GSM 通信模块TC35，它是德国西门子公司出品的一种通信设备。该模块是将GSM 射频芯片、基带处理芯片、存储器 、功放等期间集成在一块线路板上，具有发送SMS 短信，语音通话等功能，通过单片机RS232串口与GSM 模块通信，使用标准的AT 命令来控制GSM 模块实现各种无线通信功能。

2.2.7 报警模块

在装置检测到车内存在滞留儿童时，需要对外界进行报警，使儿童能够及时得到救援。由于考虑到停车位置和时间的多变性以及救援人员的不确定性，因此设计了蜂鸣报LED灯警模块和短信报警模块共2 个报警模块，蜂鸣器报警模块的执行由有源蜂鸣器模块完成，电路图如图6 所示，默认使用单片机上P1.0 口，LED 灯则由P2.0 口控制，蜂鸣器报警模块在收到中央控制单元的指令后可以发出蜂鸣信号提醒周边行人车内有紧急情况，由行人提供快速救援。

图6 蜂鸣器电路

3 系统软件设计

3.1 主程序设计

主程序设计流程如图7 所示，预先设置好报警的阈值和发送短信对象的号码，然后对各个模块进行初始化，包括：中断、定时器、GSM 模块初始化。

图7 系统主程序流程图

3.2 GSM 模块程序设计

模块设计流程图如图8 所示，本设计由单片机向GSM模块发送AT 指令进行判断完成读写短信操作。

图8 发送短信程序流程图

3.3 传感器及显示程序设计：

首先对LCD1602 液晶显示模块进行初始化，再对温度传感器模块和二氧化碳浓度传感器模块初始化，由DS18B20和SGP30 采集实时数据，由LCD 显示屏显示，流程图如图9 所示。

图9 检测温度与二氧化碳浓度程序流程图

4 测试结果与分析

云数据库储存芯片处理的数据如表1 所示。

表1 参数表

表2 数据记录表

测试结果分析可得：

（1）从第一次测量数据可看出：当压力达到阈值，但其他均为达到阈值时，不会发生警报。

（2）从第二次测量数据可看出：当二氧化碳浓度达到阈值，但其他均为达到阈值时，不会发生警报。

（3）从第三次测量数据可看出：当温度达到阈值，但其他均为达到阈值时，不会发生警报。

（4）从第四次测量数据可看出：当所有测量数据都达到阈值时，系统发出警报。

从以上数据分析可得，本系统基本完成了预期功能。

5 结 论

儿童因年龄过小，对危险的反应不够灵敏缺乏最基本的逃生自救能力，极容易发生危险。因此，本文以车内滞留儿童安全为背景，提出了一种基于51 单片机的车内滞留儿童安防系统的设计。本设计还包含了压力感知器，红外传感器，体温感应器，以及二氧化碳感知器等。具有检测车内温度、二氧化碳浓度和红外检测的功能。可以对车内环境进行全方位精准性的检测，判断出车内环境是否会威胁到孩子生命。该系统经过测试，已经到达了理想效果。本系统以人为主体，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。