摘要：本文提出了一种基于多传感器融合的手段准确可靠的判断车内是否有小孩被遗忘的儿童乘车安全监测系统硬件设计，详细介绍了传感器、执行器和单片机的功能和选型。
关键词：高温；密闭空间；多传感器融合
引言
近年，儿童被遗忘在车内高温致命事件频繁发生。本文基于多传感器融合技术对儿童乘车安全监测系统进行硬件设计。
1系统工作原理
本系统的工作方式是通过多传感器获取数据并通过融合算法准确的监控是否有小孩被锁在车内，三轴加速计判断车辆是否静止；温度传感器测车内温度是否达到阈值；红外热释模块和超声波模块检测车内是否有人；声音感应模块进一步确认儿童是否被遗忘。当系统判定确有儿童被遗忘在车内，并且高温预警时，自动接通GPRS模块，给预先设定的号码发送求救短信。
2系统硬件设计
2.1三轴加速度计检测车是否为静止状态
三轴加速度计使用I2C总线通信协议，可以把车的三轴加速度采集并反馈给主芯片，主芯片通过反馈的数据判断汽车是否处于静止状态。三轴加速度计采用飞思卡尔半导体推出一种体积比以前的产品小77 %的 三轴数字输出加速度计。这种超薄的加速计MM A7450L采用0.8 mm厚的塑料矩栅阵列(LGA)封装 ，旨在适应功能丰富的便携式器件日益凸现的空间限制。
真正的汽车运动并不局限于单轴的加速运动，多数情况下是三个轴的加速度同时结合，陀螺仪由于其测量过程中机械转子容易漂移，系统累积误差难以消除，往往需要通过其他传感器不断作数值修正，对此检测汽车状态时将作出立体分析。由于汽车运动的特殊性，可以对其三维加速度作非线性分类，识别出汽车当前处于何种运动状态，计算出加速度传感器输出的有害惯性分量并可据此作出修正得到原始角度向量从而映射出正确的姿态角。通过汽车状态分析，把运动数据反馈给单片机以确定车辆是否为静止状态。
2.2 温度传感器检测车内温度
温度传感器使用I2C总线通信协议，可以把车内的温度信号采集并反馈给主芯片，主芯片通过检测当前温度判断车内是否是高温，温度传感器采集模块采用的是数字化温度传感DS18B20来实时监测温度。
当车关闭车门后，高温预警监测系统开始启动，温湿度传感器首先检测车内的温度变化，该温湿度传感器芯片包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件。这两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号 ，该电信号首先进入微弱信号放大器进行放大 ，然后进入一个14位的A /D转换器 ，最后经过二线串行数字接口输出数字信号，数字信号输入到单片机进行数据处理。
2.3 红外热释模块检测是否有人在车上
红外热释模块：当有孩子被遗忘在车上时，此模块会给出高电平。当主芯片检测到红外热释模块给出高电平时，系统则认为车内有人在。
本系统采取热释电红外传感器来搜集信号，为了搜集的信号准确无误，计划了多路信号探测的模式。在搜集信号时，当探测器检测到红外输出信号时，这时给处理模块发送信号，进行信号处理，这样提高了信号采集的准确度。
2.4 超声波模块检测是否有小孩在走动
超声波模块：超声波模块可以测量出距离。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆当模块测量出的距离小于一定距离时，说明有小孩子在车内走动。
超声波传感器分机械方式和电气方式两类，它实际上是一种换能器，在发射端它把电能或机械能转换成声能，接收端则反之，本次研究超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器，它是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波模块有发射单元和接收单元，考虑到本设计单片机端口驱动能力有限，本文采用 LM386对输出信号进行功率放大，LM386第1脚和第8脚之间串接的E l、R l，可使电路获得较大的增益，TO为单片机输入的脉冲信号，经功率放大后由第5脚输出，驱动探头发射超声波 。
为了畅通的接收回波信号，本设计采用集成芯片CX20106，CX20106是一款红外线检波接收的专用芯片，由于红外遥控常用的载波频38kHz与超声波频率40kHz比较接近，而且CX20106内部设置的滤波器中心频率月可由其5脚外接电阻调节，范围为3 0- 60kHz，因此采用它来做接收电路。
2.5 声音感应模块再次检测
声音感应模块：当车上有声音时，说明车上可能有小孩子遗落，并且在哭闹。声音感应模块的特性是当旁边有声音时会给出低电平。当主芯片检测到声音感应模块给出低电平时，则系统认为车上有小孩的哭闹声。
2.6 GPRS模块发出求救信息
GPRS有TCP和UDP两种通信协议。TCP是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。TCP协议有五大特点: ①面向连接的传输; ②端到端的通信; ③高可靠性; ④全双工方式传输; ⑤采用字节流方式。TCP协议通常对数据传输的可靠性要求很高，并没有追求数据传输的实时性。考虑到远程监控的实时性和数据传输的可靠性，设计要求远程传输短消息进行数据传输，并决定采用TCP协议进行传输。
如果系统通过以上各个传感器数据检测到汽车长时间处于静止状态、温度较高、有人在车内、有小孩的哭闹声、有小孩在车内走动则说明有小孩被遗忘在车内，当主芯片认为有小孩子被遗忘在车内时。GPRS模块采用TCP 协议发送短信给预先设定好的号码，同时自动拨打这个预先设定的电话，通知他们尽快赶到车内。
2.7 系统硬件电路设计
在系统硬件电路的设计中，设计硬件电路时考虑了以下几个方面：
首先明确设计任务。对项目做出认真的分析，该设计是放置在车上的，主要的工作环境是在炎热的夏天，具体用途是监测夏天锁了车门后是否有孩子遗忘在车上，在设计前期考虑了该系统的稳定性以及成本等，根据该项目的实际应用提出了一套合理的设计方案。
单片机的选择。主要考虑单片机的主频、内部寄存器情况、存储器的容量、功耗等性能指标，针对本设计用到的单片机的功能要求不是那么高，因此选择8位的单片机就能满足要求。
（3）外围器件的选择。外围器件的选择要以符合系统的精度、速度和可靠性、功耗、抗干扰等方面的要求为准。该系统用到外围器件有三轴加速度计、温湿度传感器、红外热释模块、超声波检测模块、声音感应模块、GPRS模块。要选择模块化、集成度高的典型应用电路以简化外围的电路设计。
（4）总体设计。总体设计即根据设计任务相关要求，设计出符合该系统效应的的软、硬件方案。方案应用到设计中后再根据实际情况进行优化。同时合理分配软硬件的设计任务，画出系统结构框图。
3结论
本文阐述了儿童乘车安全监测系统的硬件设计，为相关系统硬件设计提供了思路和解决方法，具有一定的价值。
论文作者:李竹芳 陈耀升 乔立瑞 张东旭 高孟杰
论文发表刊物:《知识-力量》2019年11月50期
论文发表时间:2019/11/12
标签：模块论文; 车内论文; 系统论文; 信号论文; 单片机论文; 超声波论文; 加速度计论文; 《知识-力量》2019年11月50期论文;