田崇峰，徐 楊，閔璽潤

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 句容 212400）

1 研究背景

根據(jù)調(diào)查顯示：在夏季高溫天氣環(huán)境中，兒童被鎖車內(nèi)導(dǎo)致的意外傷亡事故，引起了社會各方面的高度關(guān)注。在Roberts K B和Roberts E C研究的結(jié)果中顯示，當(dāng)車外溫度達(dá)到31 ℃時，密封汽車車內(nèi)的溫度會在10分鐘內(nèi)上升到40~45 ℃，30分鐘后便會達(dá)到50 ℃以上[1]?，F(xiàn)有醫(yī)學(xué)研究也表明，兒童呼吸系統(tǒng)和耐熱能力不如成人，高溫時身體水分散失和體溫上升速度均較快。很容易引發(fā)腦腎損傷（俗稱“熱射病”）；當(dāng)體溫達(dá)到40 ℃時，兒童主要器官將停止工作；體溫達(dá)到42 ℃，即可導(dǎo)致兒童死亡[2]。故而夏季高溫天氣用車對于帶孩子的家長來說具有一定的隱患?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的兒童滯留車內(nèi)高溫緊急報警求救裝置，利用紅外檢測裝置、溫度監(jiān)測裝置、物理降溫裝置、無線通信和聲光報警等裝置實現(xiàn)對于車主離車后車內(nèi)溫度和滯留人員的監(jiān)測，達(dá)到車內(nèi)降溫和警示車主的作用，大大降低了兒童滯留車內(nèi)造成人身傷亡的可能性。

2 系統(tǒng)設(shè)計

本裝置的總體設(shè)計分為以下5個模塊：中央控制模塊、檢測模塊、物理降溫模塊、無線通信模塊和聲光報警模塊。中央控制模塊由Arduino UNO R3控制器作為主控單元，控制整個系統(tǒng)，通過一系列控制程序，將各個子模塊連接起來。檢測模塊主要由人體紅外熱釋電傳感器和溫度傳感器組成，用以檢測車內(nèi)是否有滯留兒童存在和溫度變化情況。物理降溫模塊由水循環(huán)制冷裝置、霧化加濕裝置和電子溫度計組成，當(dāng)車內(nèi)高溫時進(jìn)行降溫。無線通信模塊由網(wǎng)絡(luò)攝像頭和路由器組成，用于家長遠(yuǎn)程觀察車內(nèi)情況和與車內(nèi)兒童的交流。聲光報警模塊由有源蜂鳴器和爆閃燈組成，用來發(fā)出警告聲音，提醒路人注意。上述各個模塊協(xié)同工作，系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

正常情況下，本系統(tǒng)在汽車發(fā)動機(jī)和車門都處于關(guān)閉狀態(tài)時，啟動人體和溫度檢測裝置，判斷車內(nèi)是否存在滯留兒童，并檢測車內(nèi)溫度，若在五分鐘內(nèi)未檢測到車內(nèi)有滯留兒童存在，則關(guān)閉所有裝置；若檢測到車內(nèi)有滯留兒童，啟動無線通信模塊，撥打預(yù)設(shè)的家長電話，攝像裝置會將車內(nèi)情況實時推送到家長的手機(jī)軟件上，家長可通過手機(jī)端APP實時觀察車內(nèi)情況，了解受困兒童狀態(tài)。另外，家長可利用裝置的通信系統(tǒng)與兒童進(jìn)行語音對話，緩解兒童緊張的情緒。當(dāng)車內(nèi)溫度上升到預(yù)設(shè)溫度值（默認(rèn)為35 ℃）時，物理降溫系統(tǒng)將開始運轉(zhuǎn)，裝置將利用半導(dǎo)體制冷風(fēng)扇與超聲波霧化裝置進(jìn)行降溫，最大程度地阻止車內(nèi)溫度持續(xù)上升，為兒童的生命安全帶來保障。當(dāng)5分鐘后兒童仍滯留車內(nèi)且家長無任何應(yīng)答時，啟動聲光報警裝置，提醒周圍路人注意該車內(nèi)有被困人員。工作流程如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計圖

3 硬件設(shè)計

3.1 中央控制系統(tǒng)

本裝置選用2個Arduino UNO R3控制器分別作為中央控制系統(tǒng)的主備控制器；第一、第二繼電器的控制端與主控制器相連。Arduino通過對繼電器輸出高低電平信號，控制繼電器被控制端的通斷，實現(xiàn)各個裝置的啟動與關(guān)閉。

3.2 檢測裝置

檢測裝置包含熱釋電紅外傳感器、溫度傳感器、液晶顯示屏；主控制器的數(shù)字端口分別連接人體紅外熱釋電傳感器，溫度傳感器；人體紅外熱釋電傳感器的主要功能是感知人體所產(chǎn)生的紅外輻射[3]，以檢測車內(nèi)是否有人體存在，若存在，則輸出高電平信號，此時裝置將立刻啟用無線通信模塊；若不存在人體活動情況，則輸出低電平信號給主控制器；此外，主控制器將傳感器信息進(jìn)行編碼處理，發(fā)送給液晶顯示屏，實時顯示車內(nèi)傳感器情況，電路圖是由熱釋電紅外控制電路YX7603C和溫度控制電路TC625組成，其中控制溫度上下限電阻分別接在TC625的②和③腳上，溫度控制電阻的電阻可根據(jù)公示計算得，計算公示 為：R=0.5997×（273.15+t）2.132，其 中t為 要設(shè)定的上、下限溫度[4]。當(dāng)檢測到車內(nèi)溫度高于預(yù)設(shè)的35 ℃時，TC625的⑥腳輸出高電平信號給主控制器，啟用物理降溫模塊。 紅外傳感器與溫度傳感器電路圖如圖3所示。

圖2 工作流程圖

3.3 無線通信監(jiān)控裝置

無線通信監(jiān)控裝置由網(wǎng)絡(luò)攝像頭，路由器和通信芯片組成，網(wǎng)絡(luò)攝像頭使用5V直流電，與主控器相連并由主控制器提供電源；網(wǎng)絡(luò)攝像頭在與路由器的協(xié)同作用下，可在任何有無線信號覆蓋的地點實時地將視頻聲音信息傳輸至網(wǎng)絡(luò)，使用者可以使用移動端APP,隨時隨地觀察車內(nèi)情況，支持語音交流。通信芯片使用雙頻GSM/GPRS模塊的SIM900A經(jīng)典芯片，當(dāng)檢測模塊檢測到車內(nèi)存在滯留兒童時，控制器產(chǎn)生AT指令控制內(nèi)置芯片，通過預(yù)設(shè)的電話號碼，向用戶發(fā)送短消息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的功能[5]。

3.4 物理降溫裝置

物理降溫裝置由水循環(huán)制冷裝置、霧化加濕裝置和電子溫度計組成；水循環(huán)制冷裝置與霧化加濕裝置由主控器控制運轉(zhuǎn)，其供電正極連接繼電器，負(fù)極直接連接變壓器。電子溫度計用于檢測制冷溫度，固定在半導(dǎo)體制冷片上。

霧化加濕裝置由升壓高頻振蕩電路和霧化片組成，升壓高頻振蕩電路通過輸出高頻震蕩脈沖使得霧化片進(jìn)行水的霧化工作，保證汽車在陽光照射下，車內(nèi)適當(dāng)濕度，避免過于干燥的環(huán)境對皮膚產(chǎn)生灼燒傷害。

水循環(huán)制冷裝置共包括兩個制冷風(fēng)扇、半導(dǎo)體制冷片、導(dǎo)溫鋁片、導(dǎo)熱水盒、透明塑膠管道、鋁片散熱水道、散熱風(fēng)扇和微型水泵；半導(dǎo)體制冷片用螺絲固定在導(dǎo)溫鋁片與導(dǎo)熱水盒之間；制冷風(fēng)扇設(shè)置在導(dǎo)溫鋁片正前方；導(dǎo)熱水盒上設(shè)有進(jìn)水口和出水口；微型水泵和鋁片散熱水道用兩根透明塑膠管道相連，可進(jìn)行水循環(huán)散熱。散熱風(fēng)扇設(shè)置在鋁片散熱水道上，可提高散熱效率。半導(dǎo)體制冷片利用Peltier效應(yīng)，當(dāng)有電流通過不同的導(dǎo)體組成的回路時，除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱外，在不同導(dǎo)體的接頭處隨著電流方向的不同會分別出現(xiàn)吸熱、放熱現(xiàn)象[6]。實現(xiàn)制冷的目的，效果可靠。半導(dǎo)體制冷工作原理如圖4所示[7]。

圖4 半導(dǎo)體制冷工作原理圖

為合理有效地選擇制冷裝置的制冷功率，以實現(xiàn)在陽光下對車內(nèi)實施降溫，需計算車輛在陽光下產(chǎn)生的熱量Q，

式中：Qt為太陽輻射及太陽照射的熱量，Qt=FK（tm-tn），F(xiàn)為車體外表面積，K為車身圍護(hù)結(jié)構(gòu)對室內(nèi)的傳熱系數(shù)，t為日照表面綜合溫度；Qb為玻璃窗滲入熱量，Qb=AK（tb-tn）+CAqbμ，A為玻璃窗面積，K為玻璃窗傳熱系數(shù)，C為玻璃窗遮陽系數(shù)，μ為非單層玻璃校正系數(shù)，qb為通過單層玻璃的太陽輻射強(qiáng)度；Qm為人體散熱量，Qm=116(n-1)W,n為車內(nèi)被困人數(shù)；Qa為新風(fēng)熱量，Qa=Gρ（hH-hB），G為進(jìn)入車室內(nèi)的風(fēng)量，ρ為空氣密度，hH、hB分別為車外空氣和車內(nèi)空氣的焓值[8]。根據(jù)具體情況，調(diào)整裝置的制冷功率，以實現(xiàn)最佳的制冷效果。

3.5 語音播報裝置

語音播報裝置由副控制器供電，用于播報車內(nèi)信息情況；語音播報裝置的控制接口連接主控的數(shù)字端口，用于觸發(fā)信號；揚聲器連接該模塊的音頻輸出接口，將預(yù)先準(zhǔn)備好的音頻提前存入主控制器的存儲塊里，設(shè)定不同音頻的觸發(fā)條件，從而達(dá)到不同環(huán)境輸出不同音頻。

3.6 聲光報警裝置

聲光報警裝置由有源蜂鳴器和爆閃燈組成；當(dāng)?shù)谝焕^電器閉合時，蜂鳴器開始運作，啟動報警提示音，爆閃燈上的兩個燈珠進(jìn)行交叉閃爍。提醒路人注意。蜂鳴器電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 蜂鳴器電路結(jié)構(gòu)圖

3.7 電源管理控制系統(tǒng)

電源管理系統(tǒng)由3個直流穩(wěn)壓降壓模塊、2節(jié)18650鋰電池和220 V轉(zhuǎn)12 V變壓器組成，采用串聯(lián)的連接方式。物理降溫裝置與聲光報警模塊均連接220 V轉(zhuǎn)12 V變壓器，通過降壓穩(wěn)壓等處理后分別將12 V直流電轉(zhuǎn)換成7 V和5 V直流電，用于主控和第一、第二繼電器的供電。檢測裝置連接2節(jié)18650鋰電池，可將兩節(jié)鋰電池產(chǎn)生的7.4 V左右直流電轉(zhuǎn)換成恒定7 V直流電，用于副控的供電。

圖3 紅外傳感器與溫度傳感器電路圖

4 軟件設(shè)計

裝置在啟動之后，在汽車發(fā)動機(jī)和車門均已關(guān)閉的情況下會啟動人體紅外熱釋電傳感器和溫度傳感器。當(dāng)中央控制器識別到人體紅外熱釋電傳感器信號時，會啟動無線通信裝置給預(yù)設(shè)的手機(jī)發(fā)送相關(guān)信息，用戶可通過手機(jī)端進(jìn)行相應(yīng)情況的處理。當(dāng)中央控制器接收到溫度傳感器的信號后，倘若當(dāng)前溫度大于預(yù)設(shè)值，會啟動物理降溫系統(tǒng)。當(dāng)定時器信號大于預(yù)設(shè)時間值人員仍滯留車內(nèi)時，會啟動聲光報警裝置。總體軟件設(shè)計如下：

5 實驗測試與分析

為了測試兒童滯留車內(nèi)高溫緊急報警求救裝置在高溫天氣下的真實工作性能，為此設(shè)置了一個對照實驗，用一個帶兒童滯留車內(nèi)高溫緊急報警求救裝置的汽車模型與不帶該裝置的汽車模型同時放在室外進(jìn)行對比，可以通過比較汽車模型車內(nèi)的溫度來觀察分析兒童滯留車內(nèi)高溫緊急報警求救裝置的工作性能。

5.1 實驗的設(shè)計

設(shè)置兩輛汽車模型，其應(yīng)當(dāng)最大程度地還原真實汽車的車身構(gòu)造，即應(yīng)具有：車身殼體、車門、車窗等等。同時，將其中一輛汽車模型安裝兒童滯留車內(nèi)高溫緊急報警求救裝置，達(dá)到35 ℃時啟用物理降溫模塊。另一輛汽車模型作為對照組，其他參數(shù)保持一致。將兩輛車同時放置在溫度約為35 ℃的室外，模擬夏季用車環(huán)境。在相同時間過后，分別測量兩輛汽車模型車內(nèi)溫度。

5.2 結(jié)果對比分析

實驗結(jié)果如表1所示，可以觀察到盡管車外環(huán)境溫度并不是太高，在不帶緊急報警求救裝置的模型車內(nèi)，其溫度隨時間呈指數(shù)型增長，若是車內(nèi)存在被困兒童，這對于他們帶來的傷害無疑是災(zāi)難性的。而帶緊急報警求救裝置的模型車在車內(nèi)溫度達(dá)到35 ℃時開始啟動降溫措施，最終將車內(nèi)溫度穩(wěn)定在了28 ℃左右，效果優(yōu)異。

表1 車內(nèi)溫度對照表（室外溫度35 ℃）

6 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的兒童滯留車內(nèi)高溫緊急報警求救裝置在很大程度上減小了夏季兒童不慎滯留車內(nèi)的危險性，具有極大的現(xiàn)實意義和推廣價值?？紤]到汽車種類的多樣性，本裝置各個模塊可自由組裝。在未來汽車的設(shè)計過程中，應(yīng)盡量將本裝置的相關(guān)功能嵌入到汽車的各個模塊中，以更加智能的狀態(tài)實現(xiàn)被困車內(nèi)兒童的緊急求救，以減少各種可能的危險發(fā)生。