高明亮

（沈陽(yáng)工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

隨著社會(huì)的發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)生選擇校車作為上學(xué)的主要交通工具，導(dǎo)致校車的數(shù)量迅速增長(zhǎng)。但是由于技術(shù)與管理的落后，校車的事故頻發(fā)，引起了社會(huì)各界的強(qiáng)烈關(guān)注［1-2］。發(fā)生事故的原因：①校車安全帶佩戴情況堪憂，導(dǎo)致了當(dāng)校車發(fā)生碰撞、側(cè)翻等事故時(shí)，乘員無(wú)有效防護(hù)措施，死傷率較高；②由于校車工作人員工作疏忽，導(dǎo)致學(xué)生被遺忘在車內(nèi)的事故占校車事故比重很大，該類事故死亡率極高［3］。因此，本文開(kāi)發(fā)了一個(gè)實(shí)用的校車智能安全監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要分成兩個(gè)模塊：校車安全帶集中監(jiān)測(cè)與控制模塊和防止兒童遺漏模塊。

1 安全帶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與集中控制

校車安全帶集中監(jiān)測(cè)與控制模塊包括1 個(gè)主機(jī)和若干個(gè)安裝在乘客座椅上的分機(jī)，可實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）乘客可以利用每個(gè)座椅分機(jī)單獨(dú)操控安全帶；

2）駕駛員可以利用主機(jī)集中操控安全帶；

3）當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，可以根據(jù)預(yù)定條件自動(dòng)打開(kāi)安全帶，防止孩子在緊急事故時(shí)因?yàn)榫o張而打不開(kāi)安全帶；

4）每個(gè)座椅都能檢測(cè)乘客安全帶的佩戴情況，并將信息傳輸給主機(jī)。

主機(jī)和分機(jī)都可以采用51 系列單片機(jī)：主機(jī)的輸入端分別連接操作鍵盤(pán)、碰撞傳感器、水壓傳感器和煙霧傳感器，用于監(jiān)測(cè)接收操控信號(hào)與各傳感器傳來(lái)的突發(fā)情況信息；主機(jī)的輸出端連接報(bào)警電路、顯示電路和通信模塊，用于在特定條件下發(fā)出報(bào)警信號(hào)和向各個(gè)分機(jī)發(fā)送指令；分機(jī)部分含有分控單片機(jī)和若干個(gè)安全帶監(jiān)控電路，分控單片機(jī)輸出端接驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，用于控制安全帶開(kāi)鎖。安全帶實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 安全帶實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊結(jié)構(gòu)

1.1 各類傳感器信號(hào)獲取

各類傳感器的信號(hào)包括與主機(jī)相連的傳感器信號(hào)和與分機(jī)相連的傳感器信號(hào)。主機(jī)上的傳感器信號(hào)主要監(jiān)測(cè)車的整體情況，當(dāng)發(fā)生碰撞、側(cè)翻、著火和進(jìn)水等緊急情況時(shí)，相應(yīng)的碰撞傳感器、煙霧傳感器和水壓傳感器會(huì)發(fā)送信號(hào)給主機(jī)。分機(jī)上的傳感器信號(hào)用來(lái)監(jiān)測(cè)座椅情況，主要利用座椅和座椅壓力傳感器，當(dāng)壓力傳感器監(jiān)測(cè)到信號(hào)時(shí)才對(duì)安全帶傳感器信號(hào)進(jìn)行提取，兩個(gè)信號(hào)都采集到后，主機(jī)發(fā)送安全帶信息。

1.2 安全帶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與集中控制模塊工作過(guò)程分析

開(kāi)機(jī)后，分機(jī)對(duì)所管轄的座位情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)采集到壓力傳感器和安全帶傳感器信號(hào)時(shí)，分機(jī)向主機(jī)發(fā)送信息，當(dāng)主機(jī)發(fā)現(xiàn)某座位有人但沒(méi)有插入安全帶時(shí)，視為不正常信號(hào)，啟動(dòng)報(bào)警，駕駛員根據(jù)情況進(jìn)行相應(yīng)操作。

當(dāng)駕駛員需要打開(kāi)某座位安全帶時(shí)，可以通過(guò)鍵盤(pán)輸入指令，分機(jī)接收到相應(yīng)指令后對(duì)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)供電，使安全帶扣自動(dòng)打開(kāi)。

當(dāng)車輛遇到碰撞、側(cè)翻、著火和進(jìn)水等緊急情況時(shí)，主機(jī)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的子程序，自動(dòng)向各個(gè)分機(jī)發(fā)送開(kāi)鎖信號(hào)，自動(dòng)打開(kāi)安全帶。

2 兒童滯留校車監(jiān)測(cè)與報(bào)警模塊

兒童滯留校車監(jiān)測(cè)與報(bào)警模塊主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、聲音檢測(cè)電路、熱釋紅外采集電路、繼電器控制電路、報(bào)警電路和GSM 模塊組成。此模塊的核心功能是監(jiān)測(cè)兒童滯留情況，這里采用熱釋紅外采集電路和聲音檢測(cè)電路聯(lián)合監(jiān)測(cè)［4］。當(dāng)監(jiān)測(cè)到相應(yīng)信息后，啟動(dòng)報(bào)警電路，并把相應(yīng)報(bào)警信息發(fā)到司機(jī)手機(jī)中，同時(shí)校車自動(dòng)打開(kāi)車門(mén)。

2.1 兒童滯留的監(jiān)測(cè)

對(duì)滯留的兒童采用熱釋紅外采集電路和聲音檢測(cè)電路聯(lián)合監(jiān)測(cè)。熱釋紅外感應(yīng)模塊選用HCSR505，主要原理是通過(guò)外界采集的電信號(hào)與設(shè)定的電壓進(jìn)行比較，控制此模塊輸出高低電平。如果有人進(jìn)入感應(yīng)區(qū)，out引腳會(huì)輸出高電平，直到人離開(kāi)感應(yīng)區(qū)，out引腳會(huì)延時(shí)輸出低電平［5］。具體接口電路如圖2所示，該模塊輸出引腳與單片機(jī)P1.1相連。

圖2 熱釋紅外采集電路

聲音檢測(cè)電路如圖3 所示，該電路中采集的聲音信號(hào)經(jīng)整流電路與放大電路后，送入LM393 電壓比較器，通過(guò)電壓的比較，控制整個(gè)電路輸出高低電平。此電路可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)閾值，從而調(diào)節(jié)靈敏度，如果聲音強(qiáng)度沒(méi)有達(dá)到閾值，電路輸出高電平；若超過(guò)閾值，則電路輸出低電平。此電路輸出引腳可以和單片機(jī)P1.0 引腳直接相連，單片機(jī)根據(jù)收到的檢測(cè)信號(hào)來(lái)控制GSM 模塊和報(bào)警電路進(jìn)行后續(xù)處理。

圖3 聲音檢測(cè)電路

2.2 GSM模塊

這里選用SIM800A 芯片實(shí)現(xiàn)GSM 網(wǎng)絡(luò)報(bào)警信息的發(fā)送。此模塊的RXD 口與單片機(jī)的RXD引腳相連，TXD口與單片機(jī)的TXD引腳相連，形成GSM 模塊與單片機(jī)的串行通信［6］。這樣，單片機(jī)可以通過(guò)AT指令集控制GSM 模塊發(fā)送報(bào)警短信。該模塊是比較成形的模塊電路，主要問(wèn)題是與單片機(jī)的接口，用單片機(jī)控制模塊中報(bào)警短信的發(fā)送。

2.3 繼電器控制電路

在此電路中，用三極管9012 的基極與單片機(jī)的P1.2 引腳相連，當(dāng)之前的監(jiān)測(cè)模塊檢測(cè)到有人時(shí)，P1.2輸出低電平，三極管導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)繼電器通電，從而使銜鐵的動(dòng)靜觸點(diǎn)吸合，車門(mén)開(kāi)啟電路啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)繼電器控制車門(mén)的開(kāi)啟。繼電器控制電路如圖4所示。

圖4 繼電器控制電路

2.4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的流程如圖5 所示，當(dāng)司機(jī)插入鑰匙時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入安全帶監(jiān)控；當(dāng)司機(jī)拔下鑰匙時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入滯留監(jiān)測(cè)，滯留監(jiān)測(cè)啟動(dòng)后，紅外與聲音模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)兩個(gè)模塊都監(jiān)測(cè)到異常后，單片機(jī)控制GSM 發(fā)送報(bào)警信息，同時(shí)單片機(jī)控制繼電器通電，車門(mén)自動(dòng)打開(kāi)。

3 測(cè)試與結(jié)果分析

3.1 安全帶監(jiān)控的測(cè)試

這里主要測(cè)試3 種傳感器分別監(jiān)測(cè)出突發(fā)情況時(shí)，安全帶是否自動(dòng)開(kāi)啟；無(wú)突發(fā)情況時(shí)司機(jī)能否手動(dòng)控制主機(jī)，從而命令各從機(jī)開(kāi)啟所管轄的安全帶。測(cè)試結(jié)果如表1所示，當(dāng)有任意突發(fā)情況時(shí)，安全帶都能自動(dòng)開(kāi)啟；當(dāng)無(wú)突發(fā)情況時(shí)，司機(jī)能夠利用主機(jī)集中控制各安全帶打開(kāi)。

3.2 兒童滯留監(jiān)控的測(cè)試

該測(cè)試模擬9 種距離和不同音量的場(chǎng)景，在每種場(chǎng)景中測(cè)試車門(mén)是否開(kāi)啟和是否發(fā)送報(bào)警短信。測(cè)試結(jié)果如表2 所示，當(dāng)聲音過(guò)小時(shí)，容易出現(xiàn)漏報(bào)，這時(shí)可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)聲音檢測(cè)電路的靈敏度；當(dāng)距離過(guò)遠(yuǎn)時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)出現(xiàn)漏報(bào)，通過(guò)測(cè)試可以得到系統(tǒng)的有效監(jiān)測(cè)范圍。在有效的測(cè)試范圍內(nèi)，測(cè)試距離越近，音量越高，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間越短，準(zhǔn)確率就越高。

表2 兒童滯留監(jiān)控測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

本文研究的校車智能安全監(jiān)控系統(tǒng)具有兩方面功能：一是監(jiān)測(cè)和集中控制安全帶，二是系統(tǒng)能夠?qū)和瘻粜＼嚞F(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)控，有效地減少了嚴(yán)重事故的發(fā)生。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試證明，本系統(tǒng)工作穩(wěn)定、準(zhǔn)確率高、安裝維護(hù)簡(jiǎn)單、成本低，同時(shí)具有一定的擴(kuò)展性。