基于ESP32 的智能儿童安全座椅设计

邵 浦，徐 豪，王 朗

（1.宁波宝贝第一母婴用品有限公司，浙江宁波 315100；2.浙大宁波理工学院，浙江宁波 315100）

随着家庭汽车在我国的普及，人民出行安全问题，特别是儿童出行安全问题日益成为了大众百姓的关注焦点[1]。普通的儿童安全座椅具备的功能有限[2]，已无法满足当前社会儿童出行的安装需求、安全性要求以及舒适性等，功能更加丰富、系统更加智能和自动化的智能儿童安全座椅越来越受到消费者的喜爱和选择。

该文基于ESP32 低功耗WiFi 和蓝牙芯片，设计并实现带有压力传感器、温度传感器、风扇散热系统、座椅加热系统以及手机移动端的智能儿童安全座椅系统。

1 系统总体设计

为了更好地指导用户正确地安装和使用儿童座椅，提高儿童座椅的安全性、舒适性和便捷性，使儿童座椅朝着人工智能方向发展[3]。该智能儿童座椅系统通过WiFi 和BLE 蓝牙用手机进行通信交互，将座椅上的压力传感器状态、温度传感器、ISOFIX[4]、上拉带状态值、电池电量等信息在手机App 上显示，也可以通过App 反向控制座椅的风扇和加热，然后App 再通过移动网络将数据上传给云平台服务器，保证数据的完整性和安全性。系统的总体设计框图如图1 所示。

图1 系统总体设计框图

1.1 主控制器

智能儿童安全座椅控制系统的大脑是主控制器，该系统的主控制器主要有以下功能：采集座椅上的压力传感器状态、温度传感器、ISOFIX 状态值、上拉带状态值、电池电量，将数据通过WiFi 和BLE 蓝牙发送到手机上，可以接收手机端发送的数据信息，与手机进行实时交互，控制风扇和加热模块执行相应的动作。控制系统集成在儿童汽车座椅上，座椅环境空间对电池有较高的要求，所以主控制器对系统运算、硬件资源的实时交互能力以及通信能耗有较高要求[5]。目前嵌入式开发逐渐成为潮流，在WiFi和蓝牙低功耗领域的产品设计中，使用嵌入式的WiFi 和蓝牙低功耗集成芯片逐渐替代了单独模块组合的开发模式。

ESP32集成Wi-Fi和Bluetooth 4.2(BR/EDR+LE)，搭载Xtensa® 32 位LX6 单/双核处理器，主频高达240 MHz，内置520 kB SRAM 和448 kB ROM。它具有34 个可编程GPIO，支持UART、SPI、SDIO、I2C、I2S、PWM、ADC、DAC、Ethernet、Touch Sensor 等，具有行业领先的射频和低功耗性能[6]。该文使用乐鑫公司的ESP32 芯片作为智能儿童安全座椅控制系统的主控器。

1.2 压力传感器

智能儿童安全座椅系统通过压力传感器实时监控儿童是否离开座位。在电池供电状态下，需要压力传感器来开启供电，让系统进入智能工作状态，连接手机App 后，App 界面能实时看到入离座的图标闪烁和告警声。

传统的压力传感器多为大体积的机械结构样式，通过弹性器件的弹性变化来表示压力大小，这种压力传感器普遍较为笨重，且输出信号为模拟信号，不利于单片机电路对信号的采集[7]。儿童安全座椅的空间有限，不适用这种传统压力传感器。

该设计采用薄膜型座椅压力传感器，如图2 所示，该压力传感器采用环保PET 软材质超薄设计，只要给它一个合适的压力，它就会自动发出一个电阻信号，系统采用简单的外接电路，即可获得它的开关状态。

图2 压力传感器

1.3 温度传感器

智能儿童安全座椅系统需要实时采集座椅臀部的温度值[8]。三种主流的温度传感器种类及其优缺点如表1 所示。

表1 温度传感器对比

由表1 可知，热偶简单但稳定性和灵敏度较差；RTD 稳定、精度好，但测量较慢且测量电路复杂；NTC 热敏电阻速度快，测量电路简单[9]，虽然温度范围有限，但能满足智能儿童汽车座椅控制系统的测温需求[10]。

1.4 风扇和加热

由于儿童在幼儿时期身体结构发育不完整，各种器官较为脆弱，对环境的温度反应敏感。夏天，儿童在座椅上久坐，会导致接触座椅的部位容易出汗，可能引起痱子等常见的皮肤病；初秋，会出现打开汽车空调十分燥热但不开空调又有些冷的尬尴情况[11]。可见儿童安全座椅的舒适度问题非常重要，亟待发展进步。

基于以上功能分析，该文智能儿童汽车安全座椅通过吸风式的风扇进行通风散热[12]，智能加热温控。在工作模式下，实时采集周围的温度，控制座椅温度到合适的状态，跟手机App 互联后，可通过App实现风扇和加热的开关。

2 系统硬件设计

2.1 硬件设计框架

整个智能儿童座椅系统的硬件由座椅ISOFIX模块、上拉带模块、压力传感器、温度模块、两个风扇模块、加热模块等组成，系统采用两种供电方式：干电池和汽车点烟器电源，ESP32 作为主控制器对信号进行分析和处理，并通过自带的WiFi 和BLE 跟手机通信交互。系统的硬件设计图如图3 所示。

图3 系统硬件设计图

2.2 各模块硬件电路设计

2.2.1 最小系统电路

ESP32 能嵌入实时操作系统，并且功耗低、性能强大、处理信息快、开发简单方便，将天线开关、RF balun、功率放大器、接收低噪声放大器、滤波器、电源管理模块等功能集于一体。ESP32 只需极少的外围器件，即可实现强大的处理性能、可靠的安全性能以及WiFi &蓝牙功能[13]。所以使系统设计更加简单、稳定、经济，并满足开发功能要求。

该最小系统主要包括主控芯片ESP32、编程下载口、各个电源接口的滤波电容、板载2.4 G 天线等。最小系统电路如图4 所示。

图4 最小系统电路图

2.2.2 电源管理电路

智能儿童安全座椅控制系统采用12 V 车载点烟器和三节5 号干电池组作为组合供电电源，由于ESP32和部分接口电路需要3.3 V 供电，所以用DCDC降压电路将12 V 和4.5 V 降压到3.3 V。

2.2.3 风扇和加热控制电路

风扇和加热控制电路分别都通过一个NPN 三极管驱动PMOS 对12 V 电压进行开关从而驱动风扇和加热模块[14]。在风扇电路中，在风扇两端加入续流二极管防止在开关风扇过程中产生反向电动势损害PMOS 管。风扇和加热控制电路图如图5 所示。

图5 风扇和加热控制电路图

2.2.4 接口检测电路

在接口检测电路中，主控芯片ESP32 使用ADC口检测NTC 的值，通过公式将其转换为温度值；使用另外的ADC 口检测干电池的值，通过公式将其转换为电压值；使用四个IO 口来检测两个ISOFIX、上拉带、12 V电压输入的状态。接口检测电路如图6所示。

图6 接口检测电路图

3 系统软件设计

智能儿童安全座椅系统软件设计主要包括座椅端对供电、安全和温度状态的读取和通过WiFi 和蓝牙BLE[15]与手机端App 通信交互，App 可显示座椅各类状态并控制座椅的风扇和加热。

智能儿童安全座椅系统上电后，首先初始化蓝牙BLE 协议栈和WiFi、开启广播；读取供电状态，判断是干电池供电还是汽车点烟器电源供电，当干电池供电时，需要读取电池电量，安全状态实时检测包括对压力传感器、ISOFIX、上拉带的开关状态检测，分别判断儿童是否入座，ISOFIX 和上拉带是否安装正确，保证行车安全；当手机App 连接时，各个传感器采集到的信息均可发送至手机端被用户查看，App界面上实时显示儿童入离座、ISOFIX、上拉带、电池电量、温度值，当检测到各个状态与预设不相符时，App 会发出声音，相应图标会闪烁；当使用汽车点烟器供电时，用户可通过App 界面对座椅的风扇和加热进行反向控制，保证儿童乘坐的舒适性。系统软件流程如图7 所示。

图7 系统软件流程

4 系统测试与分析

4.1 工作电压测试

使用可编程DC 稳压电源为主板供电，调整稳压电源的供电电压，验证模块在过压和欠压情况下，是否正常工作。

测试过程中，选用两台座椅，使用可编程DC 稳压电源分别以4.5 V 和12 V 给主板供电，调整至标称电压的±10%，观察主板能否正常工作，操控手机App 监控主板工作状态。工作电压测试范围结果如表2 所示。

表2 工作电压测试范围结果

4.2 功耗测试

将可编程DC 稳压电源调至4.5 V 为主板供电，中间串联万用表监控实时电流，记录不同状态下的主板供电电流。

测试过程中，选用两台座椅，将可编程DC 稳压电源调至4.5 V 给主板供电，分别记录上电电流、最大电流、最小电流、平均电流。功耗测试结果如表3所示。

表3 功耗测试结果

4.3 主板功能测试

使用自制的主板产测工装给主板进行功能测试，并通过产测App 软件，验证主板软件上各个功能的完整性。

测试过程中，使用12 V 适配器给工装供电，工装常亮供电指示灯为蓝灯，工装压合主板，使用产测App，该软件自动搜索设备，搜索到设备后，进行连接，成功后自动进入产测界面，在界面上会显示座椅的MAC、信号强度信息、当前温度值、电量，并同步进行风扇加热和检测各个安全状态，测试各个功能完成后，产测App 会输出产测结果。

5 结论

该研究设计的智能儿童安全座椅系统能够为用户在安装ISOFIX 和TT 带时，提供正确指导，避免错误的安装导致座椅形同虚设；在行车过程中，智能检测孩子的入座状态和一举一动；座椅温度和电量实时预警，保障儿童舒适使用座椅；配置双驱动的吸风式散热功能，及时有效地将儿童背部的闷汗由里向外抽离，营造舒适的坐感；智能的座椅加热功能结合温度变化，保持座椅的温度处于合适范围。智能型儿童汽车座椅目前还处于发展起步阶段，还有很大的改进空间。未来，随着科学技术的进步，必将会有更多更加安全、舒适、可靠的智能型儿童汽车座椅涌入大众的视野，给孩子提供更加优质的出行体验[16]。