基于GPRS技术的防儿童被困车内救援系统①

王博 吴姝芹 苏文新 李佳 崔庆华 陈焕辉

(桂林电子科技大学建筑与交通工程学院 广西桂林 541004)

家用汽车越来越普及，给人们的出行带来了极大便利，同时也带来了某些安全隐患。近几年，儿童被困车内的报道时有发生，对于此类事件，国内外尚没有一种切实可行的检测救援装置，部分高校、公司提出一些研究方案，如：空气温度控制系统、座椅记忆检测系统，但均未在市场中得到验证。由此可见，研究一套能够实现智能检测、实时监控、精准定位、安全可靠的防儿童被困车内的紧急救援系统具有重大的现实意义。

1 系统总体设计

系统总体设计由数据采集部分，传输显示部分和车窗控制部分组成，本系统采用 STM32F103ZET6微处理器作为主控制器，采用温湿度、甲醛、CO、CO2传感器构成数据采集部分，实时采集当前车内环境参数。采用基于SIM800C 芯片设计的 GPRS 芯片和 TFT 电容屏组成传输显示部分，将采集到的数据及时传输到用户手机APP，将求救信息发送到车主手机及服务器后台。车窗控制部分是根据主控芯片STM32分析判断做出的控制信号和远程手机平台传输的控制信号，完成对汽车车窗的升降控制。

基于GPRS技术的防儿童被困车内救援系统具有以下三个功能。

1.1 防儿童被困紧急救援功能

系统装载四路热释电人体红外传感器，四个方向无死角对车内有无人员进行检测，同时结合等时间段二氧化碳浓度上升值辅助判定有无人员被困车内，若系统分析判定出有人员被困，将启动紧急救援功能，开启车窗通风换气，发送求救短信给车主， 声光报警器响应并自动拨号呼叫车主，同时上传报警信息及坐标信息到服务器后台，工作人员引导警方参与救援。

1.2 对车辆定位及车内状况实时监控功能

该系统带有GPS+BD定位模块，实时对汽车的位置、车速、车内各种气体浓度及有无人员状态进行采集，实时显示到客户端APP，用户可随时了解自己车辆状况。车内装有ZE08-CH2O甲醛传感器，确保车内甲醛不超标同时会对酒精浓度进行检测，一旦发现车内酒精浓度偏高，系统的声光报警器会做响应，提醒驾驶员勿酒后行车。

1.3 汽车预使用状态车内空气质量调控功能

车辆放在太阳下长时间暴晒，车内充满各种挥发性有机化合物和有毒有害气体，严重损害人体健康。车主使用汽车之前可通过手机APP查看车内空气质量状况，并且可以使用APP控制车窗升降，达到车内空气质量调控目的。

2 系统硬件设计

2.1 主控芯片

主控芯片采用意法半导体公司推出的STM32F103ZET6,其内核为ARM 32位的Cortex-M3，最高工作频率72MHz，具有睡眠、停机、待机三种低功耗模式；具有48路ADC通道，多达8个定时器，9个通信接口。这款芯片能够及时对车内环境参数进行采集，并做出相应的响应，同时能够上传车内信息到服务端和客户端；多个定时器开启多个中断请求，确保客户端控制车内设备的优先响应。

2.2 数据采集与控制部分

数据采集部分的主要功能就是通过传感器获取当前车内环境参数并传输到STM32微处理器中进行处理判断，本系统集成了温湿度、甲醛、一氧化碳、二氧化碳、人体红外传感器和GPS+BD双模定位模块、车窗驱动模块、逆变电源模块。系统能通过多种传感器及多个模块对车内环境实时监测并传输到服务端，协助完成防儿童被困紧急救援功能。

人体红外传感器采用加装菲涅尔透镜的热释电人体红外传感器HC-SR501，感应模块采用双元探头，加圆形透镜，人体检测可重复触发，自带RT温度补偿电阻。本系统加装四个HC-SR501模块，分别布点在车里四个对角位置，同时对人体红外进行重复性检测，提高检测准确性。

图1 CO2随时间变化曲线图

二氧化碳传感器采用MH-Z14传感器，利用非色0散红外（NDIR）原理对车内的CO2进行检测。通过成人多次在晴朗天气（室外温度32℃左右）、静止汽车内采集的数据进行分析，得出如下结论：当一人被困在密封车内时，车内CO2浓度每分钟持续上升78(±0.2)PPM时可以初步判定出有人被“困”在车内。CO2浓度随时间变化情况如图1所示。从图中可以看出，当车身周围环境固定，有人在停止的封闭的车内，随着时间的增加，CO2浓度近似呈直线上升，如图1所示。

车窗驱动模块，系统实测时通过同时控制汽车后驾驶两扇车窗完成测试。测试发现，同时控制两扇车窗，瞬间启动电流需要18A左右，故采用硬限流、软启动结合的方式控制车窗。驱动模块电源输入端串入0.25R水泥电阻和330uh磁环电感对输入端进行“硬限流”；在控制车窗启动程序中采用控制80KHz的PWM占空比从0逐渐上升的方式对车窗电机实现“软启动”，实现对普通车窗升降的控制。对于车窗升降总成具备霍尔器件及防夹算法功能的车俩，需要同时控制防夹模块的继电器，以实现对车窗升降的控制。

3 软件设计

3.1 GPRS通信

整套硬件装置上电后进行初始化系统，车载端SIM-800C模块向服务器发送连接请求，连接成功后系统进行正常工作。如果发送 5 次连接请求均没有收到应答信号，提示网络连接失败并重新发送连接请求。服务端开启广播监听状态，以便随时发现新的终端连接请求信号。

GPRS数据传输中应用TCP/IP协议，利用STM32通过USART2发送“AT+CLPORT="TCP","8086"”指令控制SIM-800C与服务器8086端口建立TCP连接，连接过程中TCP提供一种面向连接的可靠的字节流服务，TCP将用户数据打包构成报文段，通过“AT+CIPSEND”指令发送到服务器8086端口。TCP连接成功后具有心跳检测功能，确保长连接、超时重传功能。因此，TCP在传输中提供了可靠的通讯保障，同时对于这种小数据传输，成本极低。

采用GPRS技术对车内环境进行监控，其最大的优点就是GPRS支持Internet上应用最广泛的IP协议和X.25协议，GSM网络覆盖面极广，手机有信号的地方，用户都能通过手机APP实现对车内环境监测和调控。

3.2 C/S架构

基于GPRS技术的防儿童被困车内救援系统采用C/S架构，主要由服务端(Server)和客户端(Client)组成。

远程服务器的主要配置为Windows10＋Apache＋MySQL，主要作用如下。

(1)接收采集端的数据，完成采集端数据的收集、保存、整理、绘制图表等；

(2)通过HTTP协议实时发送数据到手机客户端，并接收来自手机客户端对车内终端执行控制请求，并下发控制指令到车载终端。

客户端是基于Linux内核的操作系统开发的Android手机APP，采用 XML 文件布局和Java语言控制功能的混合方式完成APP设计，XML文件主要进行APP的UI界面设计，是整个软件的躯壳。Java代码完成网络数据接收，存储和处理等一系列数据处理任务，是整个软件的大脑。本系统客户端开发采用Android Studio软件,使用Socket套接字链接网络服务器和获取服务器数据。

4 结语

通过多次实验测试，该系统能够通过四路人体红外探头结合MH-Z14二氧化碳传感器对车内环境参数进行精准快速的分析，判定出有无儿童被困车内；系统功能稳定、准确性高，对车内环境温湿度的测量较为精准，对污染气体有较高的精准度，且系统造价低廉，结构紧凑，适合推广应用。同时利用GPRS无线传输技术，还能通过远程手机APP实时读取并远程控制车内环境，不仅保护了儿童，也改善了车内环境的舒适度。