方健荣，王英辉，肖 雨，刘君鹏
(三亚学院理工学院，海南 三亚572022)
论文设计了儿童智能自救系统，它是一种以引导儿童实现自救为主，帮助儿童快速获救为辅的系统[1]。该系统以STM32为核心，当前置传感器检测到儿童被锁车内，则语音指导儿童实现自救，并通过GPS实现定位和利用GSM发送相关短信给车主；
同时在车外贴APP下载二维码，在车主未能及时赶来的情况下，求助路人实现儿童快速获救。随着二胎政策的开放,家庭内部的儿童数量将会增加,再加上目前对于停车状态下的车内人员的安全装置的研究相对较少[2]，市面上很难发现针对儿童被锁车内实现自救的产品，该系统正好填补了这一方面的空白，对儿童的保护上升了一个层次，大大保障了儿童的生命健康安全。
1.1 系统原理
以该系统制作模型验证其可实用性，用9 g舵机模拟汽车车窗的升降、用电风扇模拟车上空调的开启和关闭、用5 V蜂鸣器模拟汽车自身的警报。系统集人体感应、汽车测速、温度和气体浓度检测、警报和发送短信功能为一体，配合机智云APP共同使用，具有体积小、重量轻、功率小和反映灵敏迅速等优点[3]。可以与车内其它设备联合使用，兼容性好，它在理论生活中也有重要的作用，随着大规模集成电路技术的不断发展和成熟[4]，相信在未来可以把该系统制成芯片直接植入汽车内部成为汽车的基础功能之一，对儿童的安全更有保障[5]。
1.2 系统功能
设计的自救警报系统在汽车熄火以及车门、车窗都被锁紧的状态下启动。通过车内放置的人体感应和压力传感器用来检测是否有人被锁车内,再通过温度和气体浓度传感器检测车内温度和一氧化碳的浓度,若超过对应的警戒值则自动打开空调进行换气、降温；
由GPS芯片实现定位，将定位信息通过GSM短信发送给车主；
自动播放轻音乐安抚儿童,发出语音逐步引导儿童实现自救；
触发蜂鸣器、LED警报器吸引路人注意，车上贴上APP下载二维码，指导路人帮助儿童快速实现自救。
GTM900使用AT命令集，通过UART接ロ与外部CPU通信，主要实现无线发送和接收、基带处理、音频处理等功能。键盘、LCD(Liquid Crystal Display)等外部设备由外部CPU进行控制。
1.3 系统整体硬件设计
采用STM32单片机作为主控电路，同时又搭配了HX711模块、HC-SR505人体感应模块、0.96寸OLED显示屏、霍尔传感器、压力传感器、温度传感器、ESP8266串口WiFi模块、无线发送和GPS模块以及继电器来共同实现儿童智能自救系统。重点介绍基于无线的无线发送模块、GPS车辆监控模块和并行系统-车辆防盗系统。
1.4 无线发送模块
无线连接模块是基于华为GTM900模块串口多路复用的工作原理，指导用户实现短信发送需求。串口多路复用是指在一条物理串行接口上实现多个数据链路连接(DLC)，使得可以在一条串行接口上能够存在多个会话，比如语音、FAX、数据、SMS、GPRS、USSD等。多路复用有三种模式：基本模式、带错误恢复功能的高级模式、不带错误恢复的的高级模式，其中华为GTM900模块支持不带错误恢复功能的高级模式，与基本模式相比有如下的特点：可以在应用XON/XOFF流控的的连接上使用和失去同步后恢复时间快。在本设计中，GTM900模块主要用于短信发送功能，其基本工作原理为：SABW(Set Asynchronous Balanced Mode)命令帧用于建立一个DLC，接收端收到并且认可该命令后，用UA帧进行响应。简单来说就是当达到发送短信的标准后，系统会编辑好相应的短信内容发送给预定的车主手机，如果长时间(可设定好时间长度)内没有收到车主手机响应，发起端就会重新发送，直到重发次数达到设定次数。利用GTM900原理工作的流程图，如图1所示。
图1 GTM900工作原理图
1.5 GPS车辆监控系统
GPS车辆监控系统主要有三部分组成：车载端、监控中心和二者之间的通信网络。车载端需提供车辆的位置信息。车辆监控系统采用GSM移动通信系统作为其通信网络。基本GPS定位系统将车辆所在位置信息转化成数据包再通过GSM移动通信系统发送给车主手机。车载端通过将GPS模块定位信息提取出来，一方面将定位信息在车载终端上显示，一方面又结合车辆的状态等信息传送给GPRS模块，发送出去的信息通过无线网络传送给车主，车主根据车辆的位置信息和状态，采取一定的措施，从而实现对车辆的有效管理。如图2所示。
图2 GPS车辆监控系统
2.1 ESP8266串口WiFi模块
随着时代的发展，现在的人们越来越难离开网络，于是在设计中特意追加了WiFi模块，来体现设计产品随时代进步而更新换代的设计理念。在系统中增设WiFi信号发射器，与之对应的有相关的APP软件，上述功能所采集和发送的信息可在APP上都可以查看到，此设计是为了弥补当车主无法及时看到信息时，可借由报警装置吸引路人前来帮忙，可在车外张贴相关APP二维码和使用方法，使得被困车内的儿童能尽快获救。
2.2 语音指导模块
由于设计的服务对象是儿童，所以在实现警报实现获救的同时也需要引导儿童自己主动实现自救，从人性化的角度来考虑，儿童困车内时自己大概率是慌乱、害怕并且手足无措的，为此在引导其实现自救之前，提前播放一段轻音乐来安抚儿童保持冷静，利用提前编辑好的语音内容播放给儿童听来引导儿童采取自救措施，在无法从内部打开车门、车窗的情况下，设法将自己被困的信息传递给经过的路人或附近没有行人的情况下通过语音将自己的现状发送给车主。
语音指导是把多媒体技术引入到指导自救系统中，在动态情况下用拟人语音来指导儿童实现自救。本设计采用jr6001语音播放模块，该模块兼容性好，支持MP3、WAV高品质音频格式，声音较为优美，不至于引起儿童反感或害怕；
支持24位DAC输出，动态范围支持90dB，信比85dB；
支持两线串口控制，AD控制；
USB更新语音文件，无需安装驱动，无需安装软件，直接拷贝即可使用。用户在使用时只需准备好语音文件(注意内存大小问题)输入进jr6001语音播放模块即可。此模块自带USB接口，能够灵活的更换SPI-flash内的原有内容，省去了传统语音芯片需要安装上位机更换语音的麻烦，SPI、FLASH直接模拟成U盘，跟拷贝U盘一样，非常方便。任何电脑系统都可以支持。
2.3 压力、温度、二氧化碳检测模块
压力、温度、二氧化碳检测模块的工作原理类似，都是检测对应参数是否超过阈值而达到触发警报的标准。其中压力传感器采用的是HX-711称重模块，主要安装在车辆后方坐垫的下面，用以检测是否有人在车辆被锁之后被困车内，在此特别注意的是，为了区分车辆后排座位的是人还是放的物品，在设定阈值参数时要达到儿童体重后才会触发警报；
温度检测模块采用的是常用的DS18B120温度传感器，该传感器被使用次数多，性能稳定优异，当车内温度达到警戒值时即触发警报；
二氧化碳检测模块基于烟雾报警器原理，当车内二氧化碳浓度达到警戒值时即触发警报。如图3所示。
图3 重力检测电路
2.4 HC-SR505人体感应模块
HC-SR505人体感应模块是基于红外线技术的自动控制产品，其工作原理为：全自动感应即人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。HC-SR505可重复触发即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围内活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平，感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点。人体感应模块作为辅助检测的装置，其作用与压力检测模块相同，都是确认是否有人被困车内，二者一起工作以提高检测的精确性。
为了丰富本设计的多样性和实用性，特意在儿童被困车内智能自救警报系统之外再设立与之相并行的系统-汽车防盗系统，二者系统互不干扰，通过按钮来实现系统的切换。此系统依旧以STM32作为控制核心，系统和飞机上的黑匣子一般可以记录下车子的信息。如果遇到盗窃情况就会把报警信息发送给车辆拥有者，传递出报警信息。设计主要采用震动感应报警手段，检测到非常规震动就会发送报警信息。
主要是用于预防盗窃事件的发生，而不是把大部分功能转移到盗窃事件已经发生后的车辆追回。以此为目的就需要全球无局域限制的信息传送设备，把报警信息传送给车主，而大部分应用场景下车主都在车辆附近，接收到报警信息都能够及时赶到现场阻止盗窃事件的发生。
系统选用核心处理器为STM32F103C8T6微处理器，GPRS模块选用SIM800C，检测报警的装置选用震动传感器。具体的工作流程如图4所示。
图4 防盗系统模块
设计采用STM32作为控制核心，以多个检测模块相互配合采集信息，再通过GPS和无线发送模块发送短信给指定手机来实现寻求获救的功能要求，另外以语音指导模块为主，帮助儿童实现自救。寻求获救和自救相结合，能够更好的使被困车内的儿童更快速地实现解救，以此达到保障儿童生命健康安全。除此以外与之并行的车辆防盗系统使该设计能够实现双系统自由切换，强化了设计的实用性和功能多样化。
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