成都理工大学核技术与自动化工程学院 王 兴 柳炳琦 余洪坤 李由之

引言

随着社会的高速发展，弱势群体的安全保障问题一直被政府所重视，尤其是关于儿童的安全保障问题。近年来，发生了多起儿童被锁或被遗忘在车内导致儿童窒息死亡的事件，让人们感觉到触目惊心[1-2]。据大数据表明，在美国平均每10天就有一个儿童死于车内，若在车内安装一个能够实时监测车内有无儿童的探测装置，便可以预防儿童被遗忘的事件。鉴于此，本文基于窄带物联网技术研制一种能够预防儿童被遗忘的报警器，通过设置两个级别的预防机制，并通过蓝牙模块联合车载系统进行控制，可以有效的预防和帮助儿童脱离险情。

1.总体方案设计

儿童报警器以对人体信息的数据采集、数据传输、和报警为设计主线。主要由六个模块主成，包括报警模块、监测模块、信号处理模块、电源模块、外壳和按钮。通过核心处理器的控制发出指令与其他模块协调工作。

图1 -1 电池管理系统总体方案设计框图

儿童报警器的总体方案设计如下图1-1所示，报警模块可以通过高亮LED灯进行指示或通过蜂鸣器进行报警，采用人体红外传感器对儿童体温进行感应，以STM32作为控制器通过计数的方式实现数据处理，通过高效的电源电路结合充电电池可以对儿童报警器持续供电，整个系统外壳采用环保塑料材质，从而保证对人身体无毒无害，设计电源开关和监控按钮实现对儿童报警器的精准控制。通过蓝牙模块与车载系统的配合来提高预防机制等功能，使儿童报警器更加智能化和网络化。

2.儿童报警器工作原理

本文设计的儿童报警器主要利用人体热红外作为被检测波[3-4]，红外线作为不可见光波，具有特定的频率区间，其波长范围为760nm到1000nm之间，并随着频率的增加，其波长逐渐减小。而人体具有恒定的体温，一般在37℃左右，所以会发出波长在10um左右的红外线，本装置所使用的人体红外传感器可以探测人体发射出的10um左右的红外线进行工作。本文基于单片机为核心控制器的儿童报警器采用STM32单片机和专用传感器模块、蓝牙模块[5]配合工作，制定两个级别的报警机制，可以通过报警的方式使得儿童被遗忘后得到快速提醒的作用，从而保证儿童的安全。

图3 -1 儿童报警器整体外观设计图

图3 -2 儿童报警器监测范围示意图

3.系统设计

3.1 外观结构设计

在本系统中，儿童报警器的整体外观设计如图3-1所示，其采用弓形体设计，背面为平面，正面为球形曲面的一部分，球型曲面上面均布了7个红外传感器模块，正中央一个，四周均匀分布六个，这样的弓形体设计在一定程度上扩大了单个传感器测定角度范围有限的弊端，使整个报警器的检测范围得以扩大，如图3-2所示，蓝色线的区域为儿童报警器的监测范围示意图，从图中可以看出，其监控范围足够满足儿童报警器的设计要求。

3.2 硬件电路设计

儿童报警器硬件部分主要由核心处理器、传感器模块和通信模块等组成。为能够满足儿童报警器可靠性好、资源丰富等要求，选取了TI公司推出的STM32F103CBT6作为核心控制器[6]。如图3-3所示为儿童报警器核心电路原理图，通过对人体红外传感器、蓝牙模块、报警模块、电源模块等电路的合理设计，使得电路简单，其电路板尺寸小巧，满足儿童报警器小型化的设计要求。

3.3 系统软件设计

如图3-4所示为儿童报警器软件工作流程图，当汽车行驶途中儿童报警器处于待机状态，此时报警器的蓝牙模块自动与车载系统连接；当汽车熄火时，儿童报警器的蓝牙模块接收到信号随即开始工作，计时器开始计时同时红外检测模块进行探测；当汽车车门开启信号发出时，语音提醒发出特定信号“下车前请检查车后是否有婴幼儿”的提示音，至此表示第一级保障机制产生。若监测有人还会进一步发出报警提示音，这样可以有效预防遗忘问题的反生。此后还有后续的二级预防机制，避免车主因其他紧急事情或忘记提醒而导致的遗忘儿童的事情发生，二级预防机制也可以有效保证车内人员的安全。二级预防机制是在车主关闭车门并锁车后产生，锁车信号发出，报警器也会接收到信号，计时器开始重新计时工作，若监测到车内有人，并且车主没有在设定的时间内回来，报警器会发出求救声光信号，并且发出信号的频率会随着时间加长而增加，超过25分钟时，报警器会主动获取权限打开车窗透气。从而有效地防止人被遗忘车内的事故发生，保证人身及车的安全。

图3 -3 儿童报警器核心电路图

图3 -4 儿童报警器软件工作流程图

图4 -1 儿童报警器车内部署示意图

4.儿童报警器车内部署

如图4-1所示，为儿童报警器车内部署示意图。考虑到大多数遗忘儿童事件的发生，被遗忘儿童的位置大都发生在车的后方，因此在车内的两个前座靠背的后面分别各自安装一个儿童报警器，而在车的顶部中央靠近前方安装一个主报警器，这样可以全方位监测到车内人体的红外信号。通过在车内安装3个儿童报警器，可以更加有效的全方位覆盖车内监控的范围。

5.结论

本文选取极强处理能力的处理器完成了儿童报警器的设计，实现了数据采集、数据处理、蓝牙通信和报警监测等功能。采用简洁的弓形体结构和常用的嵌入式控制器件，使得该系统的性能更加优异，在软件设计上突出了灵活性和可靠性的设计理念，能够通过个二级提醒机制避免遗忘，并利用C语言简洁的特点，大大简化了编写程序的工作量。对比市场上已有防遗忘儿童报警器，本文设计的儿童报警器具有结构紧凑、成本低、可靠性好、通信能力强等优点，能有效地避免汽车后座遗忘儿童事件的发生，具有一定的市场价值。