(1.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原 030051； 2.山西省北斗導航與位置應用協(xié)同創(chuàng)新中心，太原 030051； 3.泉州職業(yè)技術(shù)大學，福建 泉州 362000)

0 引言

近年來，全球發(fā)生多起高溫天氣下兒童被滯留于車內(nèi)中暑、死亡的慘劇。據(jù)統(tǒng)計，2018年將近52個兒童死于車內(nèi)高溫的情況，自1998以來，將近有800名兒童死于車內(nèi)中暑事故[1]。對于此類安全問題，解決途徑包括宣傳教育及技術(shù)手段[2]，技術(shù)方面主要通過車載終端監(jiān)測并通過無線通信發(fā)送短信或APP進行報警[3,4]，車載終端中常見的有紅外檢測，采用聲光報警和車窗升降[5]，但人體紅外輻射易受遮擋，且紅外傳感器一般放于固定位置，無法穿透及辨別塑料、衣物等物體且容易受熱源、光源干擾，環(huán)境溫度和人體溫度接近時，探測和靈敏度下降；有采用壓力傳感器或電容傳感器設(shè)計的兒童安全座椅[6]，但是坐姿不正確容易導致傳感器工作不正常且安全坐椅體積大；有采用聲音檢測及常閉震動檢測人員滯留[7]、采用有機物傳感器車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測，但容易受車內(nèi)高溫、周圍聲音及震動影響。

針對上述問題，本設(shè)計使用毫米波雷達和北斗定位技術(shù)，融合多傳感器檢測算法，實現(xiàn)了車輛運動檢測、車內(nèi)人員狀態(tài)及車內(nèi)環(huán)境實時監(jiān)測，對解決兒童滯留車內(nèi)的安全問題有重要的現(xiàn)實意義。

1 車內(nèi)監(jiān)測原理及系統(tǒng)方案

1.1 監(jiān)測原理

通過分析引發(fā)車內(nèi)遺留人員安全問題發(fā)生的實際情況及其對人員監(jiān)測系統(tǒng)的實際需求，本系統(tǒng)采用FMCW體制的MIMO雷達人體探測技術(shù)監(jiān)測車內(nèi)人員的狀態(tài)。人體目標探測技術(shù)主要是對人體生理參數(shù)的檢測與提取，人體微動、呼吸及心跳都能作為微多普勒特征[8]。FMCW體制的MIMO毫米波雷達可發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波信號，在車內(nèi)環(huán)境中，毫米波雷達發(fā)射的信號不受衣物、溫度等條件的影響，可用來測量出目標的距離、速度和角度，由于人體微動與車內(nèi)其它物體和車外的物體運動、車體震動回波信號不同，可將其與外界干擾區(qū)分開。監(jiān)測原理如圖1所示。

圖1 雷達探測原理

1.2 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)分為車載終端和上位機測試軟件。車載終端主要完成對車輛運動狀態(tài)信息、車內(nèi)人員狀態(tài)信息、車內(nèi)環(huán)境信息的采集、處理和上傳，上位機測試軟件主要完成對車載終端進行功能配置、監(jiān)測狀態(tài)的顯示及報警功能的顯示，車載終端和上位機之間采用串口通信或4G通信模塊進行傳輸，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框圖

1.2.1 車載終端方案

車內(nèi)防遺監(jiān)測系統(tǒng)車載終端主要包括多傳感器監(jiān)測前端、控制單元、通信單元。如圖3所示，其中多傳感器監(jiān)測前端分別由雷達天線、雷達收發(fā)模塊、北斗定位模塊、加速度傳感器模塊、溫/濕度傳感器模塊、氣體傳感器模塊組成；通信單元采用現(xiàn)有4G通信模塊。

車載終端工作流程為：終端使用STM32作為主控，首先接收上位機的配置指令，然后對傳感器進行讀寫操作、讀取加速度傳感器信息及北斗模塊的位置信息，再啟動雷達模塊、溫度傳感器、氣體傳感器進行信號采集及數(shù)據(jù)分析，并將處理后的數(shù)據(jù)通過串口或4G通信模塊上傳到上位機，上位機再對數(shù)據(jù)進行顯示。

圖3 車載終端硬件系統(tǒng)框圖

1.2.2 測試軟件方案

車內(nèi)防遺監(jiān)測系統(tǒng)測試軟件用于對系統(tǒng)功能進行測試及演示，功能包括3個部分：車載終端參數(shù)設(shè)置、下位機信息的解析、信息實時顯示，軟件整體框架如圖4所示。

圖4 上位機測試軟件框架圖

參數(shù)設(shè)置包括端口配置、閾值配置及配置加載，該部分用于對車載終端的各傳感器的報警閾值及雷達信號的調(diào)制方式、采樣精度等參數(shù)進行配置；下位機信息解析主要用于測試車載終端上傳的各傳感器信息；信息實時顯示部分主要包括雷達人體回波動態(tài)顯示、多傳感器數(shù)據(jù)實時顯示、報警信息顯示。

2 車載終端硬件電路設(shè)計

2.1 毫米波雷達模塊

毫米波雷達信號不受外界高溫影響，且可穿透衣服、塑料等物品，因此選用毫米波雷達用于對車內(nèi)人體多普勒信息進行探測，本系統(tǒng)采用TI公司的AWR1642雷達傳感器設(shè)計，該傳感器具有內(nèi)置PLL和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，集成了發(fā)送器、接收器、基帶和AD，且集成了DSP子系統(tǒng)和基于ARM R4F的處理器子系統(tǒng)，能實現(xiàn)77 GHz的FMCW雷達載波信號發(fā)射、接收以及信號處理，傳感器功能框圖如圖5所示[9]。

圖5 雷達傳感器功能框圖

使用基于AWR1642雷達傳感器搭建毫米雷達前端，外圍電路不需要過多外設(shè)，布局階段要注意發(fā)射與接收隔離開來，還要盡可能將射頻信號傳輸線的路徑減小到最小，布線時需要注意將射頻信號輸出線阻抗控制在50歐姆，傳輸線的設(shè)計使用ADS的linecalc計算。參考數(shù)據(jù)手冊設(shè)計出的外圍電路主要部分如下。

圖6 雷達傳感器電路圖

2.2 北斗定位及加速度模塊

監(jiān)測系統(tǒng)的汽車運動狀態(tài)監(jiān)測及定位功能主要采用北斗定位及加速度模塊實現(xiàn)。北斗定位模塊選用東方聯(lián)星的定位芯片CC50-BG，芯片體積較小，支持B1和L1雙頻點，且為標準NMEA0183數(shù)據(jù)輸出[10]。該芯片速度精度為0.1 m/s，位置精度3m，結(jié)合加速度模塊可準確得到車輛運動信息及定位信息，其外圍電路如圖7所示。

圖7 北斗定位芯片電路圖

加速度傳感器模塊用于精測車輛運動狀態(tài)，本設(shè)計使用MPU-6050傳感器，其內(nèi)部集成3軸陀螺儀和3軸加速度計，可將加速度和旋轉(zhuǎn)運動以及航向信息組合成一個單一的數(shù)據(jù)流用于應用，具有體積小，精度高等優(yōu)點[11]，適用于小體積、高精度運動測試環(huán)境中。其外圍電路如圖8所示。

圖8 MPU6050電路圖

2.3 溫/濕度及氣體模塊

溫/濕度模塊使用HDC1080傳感器，這是一款帶有集成溫度傳感器的數(shù)字濕度傳感器，可在極低功率下提供出色的測量精度，HDC1080相對濕度的測量范圍是0～100%RH，分辨率為0.03%RH，精度是±2%RH；溫度的測量范圍是-40～125 ℃，精度是±0.2 ℃[12]。其外圍電路設(shè)計如下圖所示。

圖9 溫濕度傳感器電路圖

氣體檢測部分采用了CCS811氣體傳感器，該傳感器具有超低功耗，內(nèi)置微控制器，可通過片上集成的MCU檢測各種揮發(fā)性有機化合物，用于室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測。片上MCU通過ADC對模擬數(shù)據(jù)進行采樣，然后通過I2C接口將數(shù)據(jù)發(fā)送至主設(shè)備。CCS811這種板載處理功能降低了總體系統(tǒng)的功耗，延長了便攜式應用中的電池續(xù)航時間，并減少了主系統(tǒng)所需進行的處理。其外圍電路如圖10所示。

圖10 氣體傳感器電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 車載終端程序

3.1.1 主程序

車載終端以STM32F103作為主控芯片,通過該芯片與毫米波雷達模塊、北斗定位模塊、加速度模塊等傳感器進行通信，該部分主要對多傳感器進行控制，具體涉及MCU與傳感器通過UART、SPI、I2C總線相連[13]，其中I2C總線理論上最多可以同時掛載127個器件，每個器件通過不同的器件地址進行區(qū)分，完全滿足終端的多傳感器控制的情況。

車載終端的主程序工作流程為：

1)車載終端上電后，系統(tǒng)對各模塊進行初始化；

2)開啟加速度和北斗定位模塊進行檢測；

3)當檢測到車輛靜止時，開啟雷達模塊檢測車內(nèi)人員；

4)當車內(nèi)有人時，進行溫度、濕度及氣體檢測，當各傳感器達到報警閾值時，采用分級報警機制(根據(jù)不同溫度、濕度、氣體情況，采用短信、撥打電話、自動報警上傳定位信息)進行報警上傳，報警閾值可根據(jù)實測情況進行配置。

主程序的控制流程圖如圖11所示。

圖11 車載終端主程序流程圖

3.1.2 雷達人體微動探測

系統(tǒng)使用MIMO雷達探測人體微動信號，信號處理主要在AWR1642的DSP上執(zhí)行，雷達前端收到回波信號后，經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號進入DSP，在DSP完成幀處理后，將結(jié)果格式化并寫入共享內(nèi)存中再通過ARM R4F通過串口傳輸?shù)缴衔粰C，整個處理流程為：

1)雷達回波信號進入DSP，經(jīng)過距離-FFT、多普勒-FFT處理，對雷達信號進行距離維和速度維的計算，得到目標距離和速度二維反射熱圖；

2)基于minimum variance distortionless response (MVDR)的direction of arrival(DoA)估計方法，提取特征并估計目標的角度；

3)將檢測信息傳輸?shù)紸RM。

圖12 雷達信號處理流程

3.1.3 北斗定位及加速度融合的運動狀態(tài)檢測

系統(tǒng)統(tǒng)采用北斗定位及加速度融合的方法來實時監(jiān)測車輛運動狀態(tài)，車輛在行駛過程時加速度變化最劇烈，可將正常行駛過程與停車過程區(qū)分為劇烈運動過程和非劇烈運動過程。若檢測到車輛非劇烈運動，說明車輛停止行駛。

本系統(tǒng)采用雙級檢測算法來判別車輛停止行駛。雙級檢測算法主要分為兩級，每一級算法都獨立地進行一次狀態(tài)檢測，第二級算法只針對第一級已經(jīng)判斷為停止后的過程進行輔助驗證[14]。本系統(tǒng)運動狀態(tài)檢測流程為：

1)將獲取到定位信息的利用兩點間距離公式計算得到坐標變化量。

2)選擇滑動窗內(nèi)各軸向加速度變化值超過門限值的總個數(shù)以及定位坐標變化量作為車輛運動狀態(tài)參量。

圖13 運動狀態(tài)檢測流程圖

3.2 上位機軟件

車內(nèi)人員智能防遺監(jiān)測系統(tǒng)測試軟件用于對系統(tǒng)功能進行測試及演示，采用Matlab的APP Designer進行設(shè)計，該軟件工作流程為：首先創(chuàng)建主界面，開啟串口向車載終端加載配置，車載終端接收到指令后，向上位機軟件發(fā)送消息，上位機軟件的主線程對上傳的信息進行輪循并實時解析數(shù)據(jù)，將解析后的數(shù)據(jù)進行動態(tài)顯示。主程序流程圖如圖14所示。

圖14 上位機軟件程序流程圖

4 實驗結(jié)果與分析

在室內(nèi)演示靜止車輛，系統(tǒng)將放于PC機前桌面上，正前方為人，加速度傳感器和導航定位結(jié)果顯示其為停止狀態(tài)，當靜止狀態(tài)判定后，開始啟動雷達傳感器檢測，如圖14所示的車內(nèi)人員狀態(tài)窗口所示，燈(人員報警)顯示出紅色。當檢測到有人的存在，設(shè)定溫度35、濕度30為報警界限，使用打火機靠溫度傳感器，用HDC1080實時測定CO2濃度，設(shè)定CO2濃度報警界限為2 000 ppm。當氣體傳感器、溫濕度傳感器達到報警閾值時，啟動通信模塊上傳報警信息(包括車內(nèi)情況、車輛位置)至測試軟件。

圖15 實驗測試結(jié)果1

圖16 實驗測試結(jié)果2

在車輛運動檢測中，當車停止時，會受到周圍路面震動的影響，且北斗芯片在定位時精度雖然可達到3米，雖然數(shù)據(jù)波動還是較大，但結(jié)合加速度傳感器和定位信息，基本可以滿足本設(shè)計的車輛運動檢測要求。人體微動檢測時，當人蓋上衣服處于幾乎靜止的狀態(tài)，此時人體的微動特征十分的微弱，雷達仍可以檢測到車內(nèi)人員的存在。

5 結(jié)束語

針對近年來人員遺留車內(nèi)造成的安全問題，設(shè)計了基于MIMO雷達及北斗定位的車內(nèi)防遺監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)可獨立放置于車前、車后或側(cè)門，可實現(xiàn)車輛駐停后的車載生命探測，實時獲取車內(nèi)環(huán)境及車輛位置信息，并將采集信息存儲、上傳至軟件平臺，同時根據(jù)車內(nèi)情況分級向用戶發(fā)送報警信息，保證了車內(nèi)遺留人員的人身安全。整個系統(tǒng)較好的實現(xiàn)了功能性指標，為后續(xù)車內(nèi)人員微多普勒特征識別提供了技術(shù)支撐。