一种车内智能防窒息系统设计

田德恒

（莱芜职业技术学院,山东济南，250000）

通过研究分析发现，在利用传感器进行监测的基础上，实施具备远程报警和车内自救功能的系统才是研究的关键所在。因此，本文通过GPS系统以及多种传感器的应用来检测车内是否有人滞留，同时解决了先前同类系统研究中功能不全的缺陷，真正提高了车内防窒息系统的可靠性和实用性，为解决儿童车内安全问题提供了新方案。

此类系统的设计主要通过对所处情景进行仔细研判，以此发出预警减弱或消除危险。针对因监护人的错误大意行为导致儿童被困在车内的危险情况，可根据如下条件来判断：①车辆是否处于熄火或停止状态；
②车辆内部有无人员逗留；
③车辆温度是否明显升高且超过人体耐受程度。根据上述条件，本系统的设计要涵盖监测模块、供电与控制模块以及执行与报警模块。其中监测模块又可以包含车辆状态监测、人员监测、车内温度监测、二氧化碳浓度监测四方面。对车辆状态的测定方式采取GPS软件监测法；
人员监测则摒弃压力传感器法，采用了人体红外传感器方案；
车内温度监测系统采用DS18B20传感器；
二氧化碳传感器采用MH-Z14A检测法。控制与执行报警系统核心运算器件分别采用STC89C52单片机与GSM处理器。通过各模块的协调配合，完成对车内防窒息的设计。其工作原理和具体模块介绍如下：

1.1 工作原理简介

本系统的基本工作原理为：通过GPS车辆状态监测、温度、二氧化碳、人体红外线传感系统所收集到数据信息变化，来测定车内是否存在滞留人员。当温度传感器、二氧化碳传感器测定车内温度异常、二氧化碳浓度异常时，反馈给单片机，在单片机经过信息处理之后，执行与报警模块发挥作用，报警器引起路人注意，GSM模块发送短信给监护人手机通知其车内异常状态。在监护人未及时回复或车内情况极度危险的情况下，单片机下达危险指令，通过了I/O口输出的脉冲信号传送给步进电机，开启车窗并拨打报警电话。具体工作原理如下图1所示。

图1 车内防窒息系统工作原理

1.2 供电与控制系统设计

本系统供电模块采用汽车本身所使用的蓄电池，利用变压器将汽车电源的电压转变为本系统运转装置所需的额定电压，从而实现装置的正常运转。

此装置控制系统以STC89C52单片机为核心运算器件。STC89C52单片机是一种COMOS8微处理器，这种微处理器本身具有8KB字节系统以及可编程的FLASH存储器，其内核为MCS-51，性能优异、集成度强、且性价比较高。具体STC89C52单片机数据如表1所示。

表1 STC89C52单片机具体信息

1.3 监测装置设计

（1）车辆状态监测装置

基于上述关于影响系统的关键因素的描述，需要集合不同的监测模块进行信息的收集和处理。首先，在测量车辆的运动状态时需要用到GPS模块，可通过GPS模块来大致判断车辆的速度以及是否正在运动。但是实验数据表明，GPS模块测量存在两大短板，一是适用条件限制性大，仅在开阔无遮挡地形适用；
二是车辆静止状态的判断区间过于模糊、不精确，慢速行驶的车辆也会被误识别为停止状态。因此，本模块选择采用GPS与三轴加速度计系统融合使用的方式，以GPS为主，三轴加速度计为辅，综合判断车辆行驶状态。其中三轴加速度计的工作原理是在避免单一维度易受坡度影响，综合计算X、Y、Z三个维度的加速度矢量和。在汽车处于运动状态时（不论是慢速运动还是快速运动），矢量和都会在车辆加速度的影响下产生一定波动，但是静止的车辆并不会导致波动的产生，因此来判定车辆的运动状态。同时，实验数据还表明，一般当加速度矢量和大小处于1到1.1个重力加速度之间时车辆是静止状态。通过上述理论依据与实验结果，通过在车辆中安装GPS模块以及安装三轴加速度计可以获取更多信息，从而更准确地判断车辆行驶信息状态。

（2）人员监测装置

本模块人员监测装置核心软件为HC-SR501人体红外传感器，其采用了超低电压运转方式。其中，HC-SR501是一款以热释电效应为核心的传感器，能够轻松捕获人体或动物体上发出的红外线。热释电效应与压电效应之间存在一些相同点，都能通过温度变化而引起晶体表面的荷电现象。热释电传感器由压电晶体元件组合而成，对温度变化极其敏感。其通过在两个元件之间构造电极的方式来测定监测范围内是否有人存在。在监测范围内，当温度变化ΔT时，两个电极上会产生电荷ΔQ，同时电压变化ΔV。这代表着当人体处于监测范围内时，在人体温度与环境温度无差别的情况下，此时ΔT为零，传感器无输出；
当人体温度与环境温度有差别时，产生温差ΔT，传感器则有输出。一般说来，当传感器不加菲涅尔透镜时，其监测范围较小，监测半径约为两米左右；
再与菲涅尔透镜组合之后，其监测范围大幅增加，监测半径可达七米。HC-SR501人体红外传感器具体指标表2所示。

表2 HC-SR501传感器具体指标

通过上述关于热释电传感器的工作原理可知，人员监测装置模块的设置即是通过对人体红外线的感知，产生报警信号。一般说来，人体体温在37度上下浮动，当人体体温为37度时，会散发出10UM左右的红外线，热释电传感器的被动式探头在发现人体所射出的10UM红外线之后，通过菲涅尔光学透镜将其聚集到感应源上，红外感应源的热释电元件在人体温度发生变化时就会失去电荷平衡，从而导致预警信息数据的产生。

（3）温度监测装置

易立辉等（2019）认为关于汽车温度监测功能的设计与实施，主要采用温度传感器、显示屏以及单片机等零件组成有显示功能的温度检测仪。基于车辆内温度上下限变化幅度大、各类电路和传感器产生的干扰繁多的特点以及测量车内温度的准确性需求，本模块选用DS18B20温度传感器，其优点包括测量范围广、抗干扰性强、准确度高等。温度传感器实际就是传感器监测的温度一旦超出预设的温度参数上下限，温度检测仪就会自动闪烁警告指示灯并发出报警铃声。其在车辆日常行驶中为驾驶员提供车内实时温度，能够作为驾驶员调节车内温度的参考数据。

在系统程序设计方面，根据程序设计思路将温度监测系统拆分成为温度测量收集、温度数据比较、温度数据显示和警报程序几个子程序的集合体。从竖向整体运行流程来看，通过温度测量程序收集到车内实时温度数据，再经由温度比较程序进行上下限比对，随后再通过温度显示程序显示在数显屏幕上或通过警报程序完成一系列预警。将上述子程序通过主程序按流程依次调用即可实现车辆温度检测功能。

（4）二氧化碳监测装置

通过对比各类二氧化碳传感器的优缺点，本模块的设计最终选择了MH-Z14A二氧化碳传感器。其是集红外吸收气体检测技术与电路设计于一身的一种高级传感器，能够对车内的二氧化碳浓度进行实时监测，并提供UART、PWM等多种输出方式，具有稳定性强、灵活程度高的特点。且这种传感器的功率相对较小，能够避免电瓶亏电现象的发生，延长电池的使用寿命。同时，为了进一步削弱突发情况对传感器的影响，对传感器进行了维修加固，比如，防止车内水汽会对传感器产生损害，对气室进行了镀金处理；
防止低温情况下传感器不能正常工作，设置了传感器的温度补偿功能等。

本模块通过串口通信技术，在采集车内气体数据之后，由MCS-51单片机进行判断、处理与控制。在此基础上，监护人可以独立设置二氧化碳上限，当车内二氧化碳浓度超过上限时，系统就会产生警示信息与数据。相比较来说，这种监测系统的精确度更高、更迅速、成本更低廉、性价比更高。

（5）执行与报警系统设计

此系统主要受监测模块的影响，只有当车内温度或者二氧化碳浓度超过特定阈值时，才会进入警戒状态。本模块设计的核心零部件包含步进电机、GSM以及声音警示系统等。首先，步进电机选用了DV-5V步进减速电机。步进电机主要受控于MCS-51单片机，单片机通过调整电机状态就可以达到控制车窗升落的目的。同时，为了满足被控元件的电压问题，本文采取以ULN2003晶体管阵列的功率电路与2.7KΩ基极电阻串联的方式，并在此基础上连接TTL和CMOS电路，以达到对信息数据直接、快速处理的目的。其次，在接受到单片机的控制指令之后，系统通过GSM完成对监护人的通知与风险预警。GSM模块核心运作零件为TC35，其设计主要涉及基带处理器、闪存系统、连接器配置等几大部分，其中，基带处理器的SIM接口应符合ISO标准。具体GSM模块的工作原理如下：在正常供电状态下，通过IGT脚本使TC35进入工作状态。同时，此时供电电压应不小于3.3V。ZIF连接器预留6个引脚给SIM卡，在完成SIM卡检测后，一旦SIM卡插入，系统就开始运转。最后，关于声音警示系统。闫鹏飞和冯乘龙（2018）[4]为了进一步增强系统的实用性以及出于对经济成本的考虑，在不变更车辆电路结构的基础上，采用声音警示法，引起周围人群的注意。

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