鐘唯威，金昱，梁文熙，吳開(kāi)榮，李俊斌

（北京師范大學(xué) 珠海分校，廣東珠海， 519000）

0 引言

汽車的普及給絕大多數(shù)人的生活都帶來(lái)了便利，但也不時(shí)會(huì)在新聞報(bào)道中看到車內(nèi)滯留人員窒息的悲劇，其中受害群體大部分是兒童。而對(duì)大眾的調(diào)查中，有26.63%[1]的家長(zhǎng)曾有過(guò)把孩子單獨(dú)留在車內(nèi)的經(jīng)歷。兒童相對(duì)于成年人，自救能力有限，最終釀成悲劇。本文針對(duì)該現(xiàn)象提供一種解決思路及設(shè)備。主要是利用微波雷達(dá)及OBD端口等技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。下文將就裝置本身的作用和使用場(chǎng)景進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，后提供相應(yīng)的設(shè)計(jì)思路，結(jié)合軟、硬件部分作一個(gè)介紹，探討本思路和裝置的可行性和準(zhǔn)確性。

1 裝置概述

裝置的外形呈長(zhǎng)方體，體積偏小，避免給駕駛員的視線帶來(lái)干擾。此產(chǎn)品主要由頂部的太陽(yáng)能板供電，遇到陰雨天也可以直接連接車內(nèi)USB接口充電。產(chǎn)品底座采用橡膠材料，防止產(chǎn)品因?yàn)閯x車而掉落。使用者可將它放在車內(nèi)前窗中間位置，該產(chǎn)品大部分的模塊都安裝在一個(gè)主機(jī)上，使用者操作方便，僅需自己安裝OBD分機(jī)，操作簡(jiǎn)明易上手。檢驗(yàn)車內(nèi)是否有人利用的是微波雷達(dá)感應(yīng)模塊，此模塊受環(huán)境影響小，且測(cè)量角度大，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)死角的檢測(cè)。在車門關(guān)閉后，若五分鐘之內(nèi)車門沒(méi)有再被打開(kāi)，且微波感應(yīng)模塊檢測(cè)到有人后，開(kāi)始實(shí)時(shí)記錄車內(nèi)二氧化碳的含量及溫濕度的變化情況，并顯示到顯示屏上。當(dāng)檢測(cè)到二氧化碳濃度過(guò)高或車內(nèi)溫度過(guò)高時(shí)，產(chǎn)品通過(guò)GSM通信給緊急聯(lián)系人發(fā)短信提示，同時(shí)利用OBD技術(shù)控制車窗下降，蜂鳴器開(kāi)始報(bào)警，引起周圍人的關(guān)注，也可以使車內(nèi)的人及時(shí)向外人呼救。達(dá)到自救及被救的效果，讓整個(gè)救人過(guò)程的效率提高，減少不必要的悲劇的發(fā)生。擁有三重保障，在檢測(cè)到二氧化碳濃度臨近危險(xiǎn)值或車內(nèi)溫度過(guò)高時(shí)，有三種方式救人：發(fā)信息給緊急聯(lián)系人（家人救）、窗戶自動(dòng)降落（自救）、蜂鳴器報(bào)警（路人救），爭(zhēng)取用最短的時(shí)間達(dá)到救人的最高效率。

2 裝置的應(yīng)用場(chǎng)景分析

在車門車窗關(guān)閉的環(huán)境下，車內(nèi)有效空氣無(wú)法循環(huán)，二氧化碳含量隨著耗氧量的增加而增多，若意外將兒童滯留在車內(nèi)，高溫將使兒童代謝速度加快，耗氧量與二氧化碳濃度都隨時(shí)間急速上升，當(dāng)密閉車內(nèi)二氧化碳達(dá)到一定濃度時(shí)，人體將受到重大損害。

同時(shí)，酗酒后的成年人也是主要的受害群體之一。在快節(jié)奏多應(yīng)酬的都市生活下，不少成年人會(huì)在酗酒后前往車內(nèi)休息，由于酒精作用，即便是成年人也難以在短時(shí)間內(nèi)缺氧情況下找到車輛鑰匙降下車窗通風(fēng)透氣。目前市面上檢測(cè)空氣中各類參數(shù)的儀器很多，但也只是停留在測(cè)二氧化碳濃度、PM2.5等指數(shù)上，缺乏可以在檢測(cè)這些參數(shù)的同時(shí)真正去實(shí)現(xiàn)“救人”這一環(huán)節(jié)。在汽車普及到每個(gè)家庭，越來(lái)越走進(jìn)人們的生活當(dāng)中時(shí)，在車輛上額外安裝一個(gè)車載安全裝置顯得意義重大。

3 硬件設(shè)計(jì)

■3.1 整體設(shè)計(jì)

本裝置模型外觀大小為160mm×112mm×45mm，材質(zhì)為耐熱塑料，頂部利用太陽(yáng)能板給內(nèi)部電池充電，正面左側(cè)為OLED顯示屏顯示溫濕度和二氧化碳濃度，正面右側(cè)為點(diǎn)陣屏，提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘顯示。底部為防滑橡膠。

圖1 產(chǎn)品整體模型

各個(gè)傳感器封裝在盒子里，其中電池為實(shí)時(shí)時(shí)鐘供電，微波傳感器探頭放置在點(diǎn)陣和OLED屏幕之間，實(shí)時(shí)傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)給單片機(jī)，從而完成程序設(shè)置的動(dòng)作。

■3.2 硬件各系統(tǒng)控制

本產(chǎn)品運(yùn)用多項(xiàng)智能感應(yīng)技術(shù)，控制系統(tǒng)由微波人體檢測(cè)感應(yīng)系統(tǒng)、二氧化碳檢測(cè)系統(tǒng)、溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、蜂鳴器、GSM通訊系統(tǒng)、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)、點(diǎn)陣屏顯示、OLED顯示系統(tǒng)、無(wú)線通訊等多部分組成。

在電路設(shè)計(jì)方面，本產(chǎn)品由AVR單片機(jī)ATMEGA328P作為主控。MH-Z19E二氧化碳傳感器使用異步串口UART協(xié)議與主控通訊，該傳感器利用非色散紅外對(duì)空氣中二氧化碳濃度進(jìn)行檢測(cè)，能得到精度較高的二氧化碳濃度測(cè)量值。OLED顯示器使用I2C協(xié)議與主控通訊，因I2C為總線通訊協(xié)議，因此能同時(shí)掛載多個(gè)I2C地址不一樣的設(shè)備。本產(chǎn)品使用的溫濕度傳感器、OLED顯示器均使用I2C通訊協(xié)議。用于發(fā)送短信的GSM使用軟件異步串口與主控通訊，在無(wú)需發(fā)送信息時(shí)進(jìn)入休眠模式減少電池電量的損耗。

本產(chǎn)品由外接電源以及18650鋰電池供電，因此需要電源管理系統(tǒng)。使用SY7088 DC/DC升壓管理芯片對(duì)鋰電池電壓3~4.2V進(jìn)行升壓，獲取穩(wěn)定的5V電源。鋰電池保護(hù)電路使用精工S-8261芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。鋰電池充電電路使用TI的BQ21040充電管理芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)充電電流的500mA，充電截止電壓為4.2V。

3.2.1 微波人體感應(yīng)系統(tǒng)

圖2 主機(jī)原理圖

圖3 PCB

人體智能微波雷達(dá)感應(yīng)開(kāi)關(guān)模塊，是小型化5.8G 雷達(dá)人體傳感器，外圍搭配小型化平面天線，在保證傳感器性能的同時(shí)大大減小了整體尺寸。該傳感器可用于檢測(cè)人體存在或移動(dòng)目標(biāo)感應(yīng)的各種場(chǎng)景。與使用熱釋電紅外檢測(cè)的不同，微波可以檢測(cè)人體存在或移動(dòng)目標(biāo)感應(yīng)的各種場(chǎng)景，該模塊靈敏度高，感應(yīng)距離遠(yuǎn)，感應(yīng)角度大，供應(yīng)電壓范圍寬，基本上車內(nèi)每個(gè)角落都可以檢測(cè)到。且該模塊可以穿透玻璃，座椅和薄木板，也不受溫度、灰塵、風(fēng)力等外界因素的影響。搭配433MHz無(wú)線透?jìng)髂K，在433MHz應(yīng)用環(huán)境下，靈敏度可以達(dá)到-107dBm,同樣的高集成度高頻信號(hào)接收功能全部集成于片內(nèi)以達(dá)到用最少的外圍器件和最低的成本獲得最可靠的接收效果。此模塊受環(huán)境影響小，且測(cè)量角度大，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)死角的檢測(cè)，檢測(cè)到有人才會(huì)運(yùn)行下一步程序。

3.2.2 二氧化碳檢測(cè)系統(tǒng)、溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

采用MH-Z19E二氧化碳傳感器，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)UART數(shù)字接口通訊，二氧化碳濃度量程為400ppm~5000ppm，分辨率為1ppm。采用SHT30溫濕度傳感器能使用不同引腳讀取溫濕度值。該傳感器IIC總線通訊，最低功耗僅為4.8μW，電源供電范圍2.4~5.5V，s濕度測(cè)量范圍0~100%，溫度測(cè)量范圍-40℃~125℃。這也是本裝置采納上述傳感器的重要依據(jù)。當(dāng)二氧化碳含量接近危險(xiǎn)值或者溫度過(guò)高時(shí)將報(bào)警啟動(dòng)救人模式。

3.2.3 蜂鳴器

當(dāng)啟動(dòng)救人模式時(shí)，車窗降落的同時(shí)車內(nèi)蜂鳴器會(huì)開(kāi)始報(bào)警，發(fā)出較大音量的聲音，從而引起路人的注意，到達(dá)被救援目的。

3.2.4 GSM通訊系統(tǒng)

采用SIM800C是四頻的GSM/GPRS模塊。其性能穩(wěn)定[2]，外觀小巧，性價(jià)比高，工作頻率有四個(gè)擋位850/900/1800/1900MHz，信號(hào)覆蓋范圍較廣，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)低功耗的語(yǔ)音、 SMS和數(shù)據(jù)信息的傳輸，能適用于本裝置設(shè)計(jì)需求。用于把短信發(fā)送給事先錄入系統(tǒng)的緊急聯(lián)系人手機(jī)內(nèi)。在車內(nèi)有滯留人員的情況下，發(fā)生熱窒息的救援動(dòng)作時(shí)，GSM通訊系統(tǒng)遠(yuǎn)程給緊急聯(lián)系人報(bào)警，提醒聯(lián)系人有可能發(fā)生車內(nèi)熱窒息事件。

3.2.5 顯示系統(tǒng)

采用點(diǎn)陣屏和OLED兩種顯示模式，讓使用者在視覺(jué)上有更好地享受，顯示屏上實(shí)時(shí)顯示二氧化碳濃度、溫度、濕度及時(shí)鐘。DS1341/DS1342是低電流實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)，具有極低的待機(jī)電流，在電池供電時(shí)具有較長(zhǎng)的使用壽命，能夠持續(xù)計(jì)時(shí)。且電源電壓低至+1.15V時(shí)仍可維持計(jì)時(shí)，其總線超時(shí)支持無(wú)閉鎖工作，外部時(shí)鐘源用于參考時(shí)鐘同步，兩個(gè)定時(shí)鬧鐘，帶兩路中斷輸出。

3.2.6 無(wú)線通訊

主機(jī)部分與OBD分機(jī)完全采用無(wú)線通訊的模式，即藍(lán)牙通信模塊，減少車內(nèi)走線且零件體積小，美觀且整潔。

4 軟件設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品的軟件設(shè)計(jì)是基于ATMEGA328p單片機(jī)進(jìn)行的。系統(tǒng)采用ATMEGA328p作為主控單元，產(chǎn)品中內(nèi)置了溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘，以及安全裝置—人體智能微波雷達(dá)感應(yīng)模塊。各硬件部分搭配軟件邏輯協(xié)同工作。

微波人體檢測(cè)感應(yīng)系統(tǒng)：系統(tǒng)通過(guò)串口連接的24GHz微波雷達(dá)能探測(cè)出車內(nèi)是否有人員存在。微波雷達(dá)不斷循環(huán)掃描檢測(cè)與人體相近的波段，包括呼吸波段，微動(dòng)波段和移動(dòng)波段經(jīng)由內(nèi)部電路濾波后輸入單片機(jī)，由單片機(jī)與設(shè)定波段對(duì)比進(jìn)行人員是否存在邏輯判斷，若進(jìn)入設(shè)定區(qū)間，觸發(fā)后單片機(jī)置位。

二氧化碳檢測(cè)系統(tǒng)、溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：這兩個(gè)系統(tǒng)工作原理類似且硬件已整合在一起故作合并介紹。單片機(jī)ATMEGA328p通過(guò)UART串口通信獲取當(dāng)前二氧化碳傳感器MH-Z19E測(cè)量的二氧化碳濃度以及溫度和濕度。由單片機(jī)進(jìn)行當(dāng)前值是否超過(guò)設(shè)定閾值的判斷，溫度、二氧化碳濃度及濕度任一超過(guò)閾值都可配合人體存在程序進(jìn)入緊急狀態(tài)，若超過(guò)則認(rèn)定為緊急情況進(jìn)行下一步操作。這兩個(gè)的系統(tǒng)與微波人體檢測(cè)感應(yīng)系統(tǒng)一樣處于不間斷的循環(huán)檢測(cè)。在人體不存在的情況下也工作但不會(huì)進(jìn)入緊急狀態(tài)，超過(guò)閾值時(shí)僅利用GSM提供短信提示。

蜂鳴器、GSM通訊系統(tǒng)、無(wú)線通訊：在緊急情況下，利用單片機(jī)可做出一系列的救援動(dòng)作，首先通過(guò)OBD通訊配合藍(lán)牙控制車輛升降窗系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)降窗通風(fēng)、由于OBD接口是車輛內(nèi)置接口，通過(guò)該接口不但能夠讀取車輛內(nèi)置信息，還可以對(duì)車輛進(jìn)行非核心功能的操作，本裝置僅需升降窗功能即可。其次，通過(guò)單片機(jī)控制的GSM模塊利用內(nèi)置的SIM卡進(jìn)行短信通知車主，另外通過(guò)含放大電路的蜂鳴器發(fā)出警報(bào)引起路人注意并前來(lái)營(yíng)救，達(dá)到救人的目的。這里采用無(wú)源蜂鳴器可以結(jié)合程序設(shè)置出長(zhǎng)3s，短1s的特殊警報(bào)聲。

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)：系統(tǒng)通過(guò)獲取的二氧化碳濃度、溫度、濕度以及結(jié)合微波雷達(dá)獲取的車內(nèi)實(shí)際人員情況判斷當(dāng)前是否有人困在車內(nèi)，當(dāng)數(shù)據(jù)超過(guò)閾值時(shí)系統(tǒng)識(shí)別當(dāng)前為緊急情況。單片機(jī)作為信息處理的“大腦”，集成了多輸入/輸出的數(shù)模接口。主程序一經(jīng)寫(xiě)入即可開(kāi)始工作，該系統(tǒng)可由USB或電池組供電。

圖4 軟件主流程圖

圖5 顯示屏流程圖

點(diǎn)陣屏顯示、OLED顯示系統(tǒng)：ATMEGA328p通過(guò)IIC總線通訊將實(shí)時(shí)的CO2濃度和溫度信息反饋在OLED顯示器中做到一目了然。OLED顯示系統(tǒng)可利用arduino編寫(xiě)一個(gè)顯示函數(shù)，讀取特定接口的輸入量，這里選擇讀取二氧化碳檢測(cè)系統(tǒng)、溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)并設(shè)置輸出對(duì)應(yīng)的字樣，保證數(shù)據(jù)與輸出字樣單位對(duì)應(yīng)。點(diǎn)陣屏通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換與內(nèi)部時(shí)鐘保持一致顯示時(shí)間。在軟件部分設(shè)置上這兩個(gè)系統(tǒng)是不間斷工作，但在硬件電路上可以通過(guò)手動(dòng)關(guān)斷和接通電源實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的關(guān)閉和工作。內(nèi)部時(shí)鐘可以保證在重新啟動(dòng)硬件電路時(shí)這兩個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間可以與內(nèi)部時(shí)鐘保持一致，內(nèi)部時(shí)鐘為低功耗不間斷元件。另外如有需要可以設(shè)置低電量模式下這兩個(gè)系統(tǒng)關(guān)斷，以保障系統(tǒng)重要部分的正常工作。

5 結(jié)語(yǔ)

目前市場(chǎng)上存在許多車輛OBD升降窗裝置，已經(jīng)是成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，但是其作用僅是幫助車主在忘記關(guān)窗時(shí)進(jìn)行關(guān)窗。將升降窗功能應(yīng)用到防人員窒息等安全領(lǐng)域幾乎是空白。同時(shí)，將多傳感器與OBD協(xié)同工作控制車輛部分功能的原理，未來(lái)也將成為一種趨勢(shì)。在多傳感器的高效配合下，通過(guò)單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的處理，讓車主對(duì)車內(nèi)的一些參數(shù)了如指掌，對(duì)于自己的車輛有更清晰的認(rèn)識(shí)。未來(lái)的OBD將會(huì)作為車載產(chǎn)品內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)配置項(xiàng)，必將為我國(guó)的車聯(lián)網(wǎng)落地做出最佳的貢獻(xiàn)[3]。