基于51單片機的車內(nèi)滯留兒童監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

1、PAGE PAGE - 14 -基于51單片機的車內(nèi)滯留兒童監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)摘要：隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，越來越多的家庭擁有了私家車，由于車主一時的疏忽而導致兒童滯留在車內(nèi)的新聞屢有發(fā)生，不但威脅兒童的生命安全，而且會損害兒童的身心健康。文章研究了車內(nèi)滯留兒童監(jiān)測系統(tǒng)的相關(guān)解決方案，在發(fā)現(xiàn)有兒童被鎖在車內(nèi)時，通過控制器進行報警，確保車主能夠接收到報警信息，及時解救出滯留兒童。在完成系統(tǒng)設計之后，經(jīng)調(diào)試與測試，表明其能夠有效地對車內(nèi)報警進行傳遞，符合設定的工作目標。關(guān)鍵詞：車內(nèi)滯留;兒童;監(jiān)測報警;傳感器;Android;51單片機中圖分類號：TP368文獻標識碼：A文章編號：2096-4706

2、（2022）02-0036-07Abstract：Withtherapiddevelopmentoftheeconomy，moreandmorefamilieshaveprivatecars.Itisoftenreportedthatchildrenarestrandedincarsduetothenegligenceoftheowners，whichnotonlythreatenchildrenslifesafety，butalsodamagechildrensphysicalandmentalhealth.Thispaperstudiestherelevantsolutionsofthem

3、onitoringsystemfordetainedchildreninthecar.Whenitisfoundthatchildrenarelockedinthecar，itwillalarmthroughthecontrollertoensurethattheownercanreceivethealarminformationandrescuethedetainedchildrenintime.Aftercompletingthedesignofthesystem，thedebuggingandtestingshowthatitcaneffectivelytransmitthealarmi

4、nthevehicle，whichisinlinewiththesetworkgoal.Keywords：retentioninthecar;children;monitoringalarm;sensor;Android;51single-chipmicrocomputer0引言20世紀末期，改革開放的進一步發(fā)展有利推動了整個社會生產(chǎn)力的快速升級，提升了人民的生活質(zhì)量。汽車行業(yè)的快速發(fā)展，在提升人們生活便利性的同時也帶來一些嚴重的安全隱患，如酒駕、醉駕以及交通事故逃逸等違規(guī)駕駛行為。目前國家相關(guān)交通管理部門對這些行為有著嚴格的立法與處罰措施，但是其他汽車事故（如車內(nèi)滯留兒童導致的休克與死亡）沒

5、有對應的執(zhí)法措施。同時市場上滯留兒童監(jiān)測報警方面的產(chǎn)品也比較少，致使司機或乘客不小心將兒童鎖在車里，進而對兒童造成致命傷害的事故時有發(fā)生。市場上，應用此類技術(shù)的產(chǎn)品比較少，汽車內(nèi)滯留兒童問題的主要研究方向是對汽車的空調(diào)系統(tǒng)與車窗進行控制，如果系統(tǒng)監(jiān)測到車內(nèi)有滯留兒童，會立即開啟通風系統(tǒng)使汽車保持通風，提升滯留兒童的安全性。隨著汽車智能技術(shù)的進一步發(fā)展，若要在汽車關(guān)閉之后實現(xiàn)車窗、空調(diào)的自動控制變得更加困難。針對這一現(xiàn)象，本文研發(fā)一款車內(nèi)滯留兒童監(jiān)測系統(tǒng)。當有兒童被滯留在車內(nèi)時，系統(tǒng)通過GSM模塊向司乘人員的手機報警;二氧化碳傳感器和溫度傳感器檢測車內(nèi)環(huán)境，通過藍牙模塊將相關(guān)檢測數(shù)據(jù)傳遞到司乘人

6、員手機上進行顯示，以此提醒離開汽車的司乘人員，防止意外的發(fā)生。根據(jù)需求進行整體架構(gòu)設計、數(shù)據(jù)庫存儲設計等，整個業(yè)務功能的實現(xiàn)需要經(jīng)過系統(tǒng)測試來驗證，以此確定系統(tǒng)功能設計是否符合實際需求，最后對車內(nèi)滯留兒童監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)進行總結(jié)，明確后續(xù)工作方向。1相關(guān)技術(shù)研究1.1傳感器選擇在車輛滯留兒童監(jiān)測管理系統(tǒng)的設計上，本文綜合運用多種傳感器，包括紅外傳感器、氧氣傳感器、溫濕度傳感器等。紅外傳感器用于探測車內(nèi)是否有滯留人員并進行報警;氧氣傳感器與溫濕度傳感器負責監(jiān)測汽車內(nèi)部的參數(shù)信息。其中紅外傳感器實物圖如圖1所示。目前紅外傳感器廣泛應用于多個領域，包括電梯、燈光、自動門等控制領域，其本身價格低廉。紅外

7、傳感器不產(chǎn)生任何輻射信息，工作穩(wěn)定性強，主要的問題在于容易受到光源及熱源的影響。1.251單片機在整個車內(nèi)滯留兒童監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)之中，控制核心是單片機，經(jīng)過對市場上單片機的比較分析，本系統(tǒng)采用的單片機型號為STM32F405RGT6。自20世紀90年代以來，單片機在某一段時間內(nèi)得到了迅速的發(fā)展，助推其在各行各業(yè)的大量應用，其總體技術(shù)愈發(fā)成熟，促使技術(shù)人員越來越重視單片機的研發(fā)工作，提升了智能儀表與自動測量領域應用的信息化水平。在國家工業(yè)的快速發(fā)展之中，電子信息工程屬于新興產(chǎn)業(yè)，將單片機開發(fā)技術(shù)與電子工程的成功融合，推動了單片機的發(fā)展及應用成果。作為計算機行業(yè)發(fā)展的重要分支，單片機的應用豐富了電

8、子相關(guān)產(chǎn)品的功能，提升了電子設備的智能性與創(chuàng)新性，為行業(yè)提供了新的發(fā)展思路。1.3Android編程環(huán)境車內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)主要采用安卓移動端進行開發(fā)，此開發(fā)平臺是谷歌公司于2022年在Linux開源操作系統(tǒng)的基礎上設計而成，詳細層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。2系統(tǒng)需求分析2.1需求分析概述2.1.1可行性分析結(jié)合當今技術(shù)進行選型分析，可以對整個系統(tǒng)開發(fā)的可行性做出合理的分析，判斷該系統(tǒng)的開發(fā)與應用是否值得投入較大的人力物力。下面將從技術(shù)、經(jīng)濟、操作方面進行可行性分析：（1）技術(shù)。目前51單片機及軟件信息化技術(shù)較為成熟，許多技術(shù)都是開源技術(shù)，由此可以推斷車內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)從技術(shù)開發(fā)角度來說完全可行。（2）經(jīng)濟。任何系

9、統(tǒng)的研發(fā)都需要考慮投入產(chǎn)出比，從經(jīng)濟角度分析主要是判斷系統(tǒng)的開發(fā)是否值得付出相應的代價。整個系統(tǒng)的開發(fā)采用自己的設備，沒有額外的開發(fā)成本，從經(jīng)濟方面考量完全可行。（3）操作。隨著移動終端與信息系統(tǒng)的普及，車內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)的操作可以達到預期的設計目的。綜上，從多種維度來看車內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)完全可行。2.1.2系統(tǒng)業(yè)務流程本系統(tǒng)主要應用于汽車內(nèi)部場景，前端負責對所處環(huán)境的數(shù)據(jù)信息進行采集，通過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)杰浖脚_，流程圖如圖3所示。從圖3中可以看出，車內(nèi)滯留兒童監(jiān)測系統(tǒng)中，用戶可通過軟件平臺查詢到前端物聯(lián)網(wǎng)設備采集的數(shù)據(jù)信息，并對所采集的數(shù)據(jù)信息進行存儲。2.2系統(tǒng)功能需求分析對車內(nèi)滯留兒童監(jiān)

10、測系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)來源主要是前端傳感器采集的數(shù)據(jù)信息，通過相關(guān)協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)信息，最后在軟件平臺中予以顯示。系統(tǒng)總體業(yè)務功能模塊的詳細操作用例如圖4所示。從圖4中可以看出，系統(tǒng)的主要功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸與平臺顯示：（1）數(shù)據(jù)采集。通過傳感器采集汽車內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息，對所采集的數(shù)據(jù)信息進行分析并傳輸?shù)杰浖脚_。（2）數(shù)據(jù)傳輸。通過藍牙和GSM完成數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸?shù)慕M建與溫度數(shù)據(jù)信息的物聯(lián)網(wǎng)傳輸。（3）平臺顯示。平臺顯示接收到的數(shù)據(jù)信息，有異常之后進行報警，方便用戶及時了解前端的數(shù)據(jù)信息。2.3系統(tǒng)非功能需求分析在本章的敘述中，首先對系統(tǒng)功能需求做了論述，后面則根據(jù)這些需求進行相關(guān)功能的開發(fā)，從而明確

11、整個系統(tǒng)的性能指標。主要包括系統(tǒng)響應時間、系統(tǒng)可靠性及并發(fā)性等：（1）系統(tǒng)響應時間。用戶登錄系統(tǒng)后，根據(jù)自身需要選擇對應的功能菜單，系統(tǒng)業(yè)務邏輯程序響應之后將處理結(jié)果反饋給功能。如果系統(tǒng)的響應時間較長，必然會降低系統(tǒng)的時效性，因此系統(tǒng)的響應時間不應超過4s，否則會影響整個系統(tǒng)使用的友好性。（2）系統(tǒng)可靠性。在非功能需求的指標之中，系統(tǒng)可靠性是關(guān)鍵的內(nèi)容，反映整個系統(tǒng)能否達到安全穩(wěn)定運行的要求，車內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定運行的要求是不出現(xiàn)故障的時間達到一星期以上。3系統(tǒng)設計與實現(xiàn)3.1系統(tǒng)總體設計隨著技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)作為全新的信息獲取與處理途徑，被引入車內(nèi)滯留兒童監(jiān)測系統(tǒng)的研究之中，方便傳感器的部署

12、，主要包括傳感節(jié)點與普通節(jié)點兩個部分，這些節(jié)點通過無線傳感器網(wǎng)絡連接起來。在車內(nèi)滯留兒童監(jiān)測系統(tǒng)的設計中，物聯(lián)網(wǎng)采集的紅外數(shù)據(jù)、溫濕度數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸?shù)狡脚_。系統(tǒng)平臺的具體設計過程需要遵循信息化的開發(fā)規(guī)律，采用三層架構(gòu)的方式完成數(shù)據(jù)采集、傳輸及平臺顯示等功能，具體的架構(gòu)設計如圖5所示。從圖5中可以看出，平臺顯示層的設計主要面向用戶，這一層的設計原則是保證用戶操作時的方便適用，可以查看接收到的溫濕度數(shù)據(jù)及報警數(shù)據(jù)信息;傳輸層的主要任務是將所采集的溫濕度物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)絡或者藍牙進行傳輸，系統(tǒng)應確保數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)目煽啃?采集層將傳感器STM32F405RGT6作為主控芯片，以溫濕度傳感器DH

13、T11作為輸入信號，對數(shù)據(jù)處理結(jié)果通過LCD1602予以顯示，以此完成溫濕度數(shù)據(jù)信息的采集。詳細的功能設計如圖6所示，系統(tǒng)的整體設計，主要包括物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息的采集與傳輸以及平臺顯示兩個部分：（1）物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息的采集與傳輸。每一個物聯(lián)網(wǎng)終端及時采集溫濕度數(shù)據(jù)，之后根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議對各類傳感器采集的數(shù)據(jù)信息進行傳輸（通過各個網(wǎng)絡節(jié)點與傳感器網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，即通過GSM網(wǎng)絡或藍牙實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸）。（2）平臺顯示。用戶可在頁面中瀏覽溫濕度數(shù)據(jù)信息及報警數(shù)據(jù)信息。3.2各個模塊設計與實現(xiàn)3.2.1傳感器模塊車內(nèi)滯留兒童監(jiān)測系統(tǒng)設計為采用多種傳感器，其中紅外傳感器負責監(jiān)測車座前后排是否有人。紅外傳感器的

14、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)連接圖如圖7、圖8所示。紅外線傳感器采集的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過信號放大、電壓比較、延時電路等處理之后進行音響報警操作。整個紅外報警器的組成框圖如圖9所示。對于車內(nèi)滯留兒童監(jiān)測系統(tǒng)，除了紅外傳感器之外，溫濕度傳感器也是常用的傳感器，主要用于對車內(nèi)的溫濕度進行監(jiān)測。溫濕度傳感器工作框圖如圖10所示。在滯留兒童監(jiān)測系統(tǒng)的整個設計中，所采用的51單片機是STC系列的單片機，由美國的STC公司生產(chǎn)。該系列單片機包括AD處理、存儲器、PVM、URAT等模塊，能夠完全兼容于普通的51單片機，具體參數(shù)及功能為：（1）中斷源數(shù)量為8，工作電壓范圍為3.85.5V。（2）封裝采用44腳的PQFP、40腳的P

15、DIP等方式。（3）計數(shù)器與定時器16位數(shù)量為3，URAT數(shù)量為1，其通用的IO口數(shù)量為32或36。（4）RAM為512B，工作頻率范圍為040MHZ，不需要專用的仿真器與編程器，STC89C5xRC對應Flash的空間為4KB8KB15KB。（5）機器周期普通型時鐘數(shù)量為12，增強型時鐘數(shù)量為6，其內(nèi)置標準的51內(nèi)核。89c51單片機引腳如圖11所示。有源蜂鳴器的驅(qū)動電路如圖12所示。3.2.2控制器模塊3.2.2.1單片機最小運行系統(tǒng)通過STM32F405RGT6單片機能組成整個單片機的運行環(huán)境，包括復位電路與時鐘，從而可滿足單片機的正常工作，控制電路如圖13所示。3.2.2.2復位電路復

16、位電路如圖14所示，其主要工作模式有開關(guān)復位及通電自動復位兩種。在電路充電瞬間，電容負極與復位鍵進行連接，此時電容電壓不會突變，若電阻上被施加電壓，則芯片會進行復位操作，電容器逐步充電，使電阻器上的電壓逐步降為0。3.2.2.3時鐘電路時鐘電路如圖15所示，通過內(nèi)部時鐘產(chǎn)生相關(guān)時鐘信號。XTAL1引腳與XTAL2引腳作為89c51內(nèi)部放大器的輸入引腳與輸出引腳，能夠共同構(gòu)成自激振蕩器，分別與電容器和晶體振蕩器相連接。3.2.2.4LCD1602液晶顯示電路系統(tǒng)采用直接連接方式進行通信，將數(shù)據(jù)與命令信息寫入LCD1602，此時r/w、3根控制線、RS以及8根數(shù)據(jù)線能夠正常工作。如果將r/w讀寫通

17、過控制終端進行接地操作，則可以將數(shù)據(jù)線降為7根。液晶對比度的功能主要通過Vo引腳實現(xiàn)，對比度通過10k電位器進行調(diào)節(jié)，也可以通過適當?shù)碾娮柽M行調(diào)節(jié)，但是電阻的大小應通過調(diào)試來確定。LCD1602與單片機的連接電路如圖16所示。3.2.3藍牙模塊在物聯(lián)網(wǎng)采集與傳輸中，前端設備是其重要組成部分，主要完成溫濕度、紅外等不同數(shù)據(jù)信息的實時采集。這些物聯(lián)網(wǎng)設備通過GSM與藍牙模塊實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息的傳輸通信。物聯(lián)網(wǎng)設備組成如圖17所示。從圖17中可以看出，整個物聯(lián)網(wǎng)設備的硬件構(gòu)建包括多個模塊，核心數(shù)據(jù)信息的采集是通過各類傳感器（如紅外傳感器、溫濕度傳感器等）實現(xiàn)的。物聯(lián)網(wǎng)設備及時感知各類實時數(shù)據(jù)信息，數(shù)

18、據(jù)傳輸通過GSM或藍牙模塊進行。主要通過紅外傳感器來監(jiān)測是否有兒童滯留在車內(nèi)并進行相應的報警操作，在汽車內(nèi)部部署兩個紅外傳感器，分別部署在汽車的前部與后部，對前后排是否有人進行監(jiān)測。如果監(jiān)測到后排有信號而前排沒有監(jiān)測到信號，判斷出車內(nèi)有滯留兒童存在，此時系統(tǒng)的邏輯程序會觸發(fā)GSM進行短信的發(fā)送與報警操作。此外，系統(tǒng)還能夠通過氧氣傳感器、溫濕度傳感器對車內(nèi)環(huán)境進行監(jiān)測。3.2.4GSM模塊GSM模塊采用目前流行的西門子TC35i模塊，保證功能的穩(wěn)定性。整個系統(tǒng)中單片機判斷檢測部分發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并進行相應的操作，比如讓揚聲器發(fā)聲，讓GSM模塊發(fā)送短信等，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的預設功能。單片機通過串行異步

19、通信接口實現(xiàn)與GSM模塊的通信，以此確保整個系統(tǒng)的通信正常，具體如圖18所示。3.2.5平臺顯示功能實現(xiàn)程序主要實現(xiàn)的功能：啟動ADC0809進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的氧氣濃度值顯示在液晶顯示器上，濃度超過設定值時開始報警，其流程圖如圖19所示?？梢酝ㄟ^藍牙或GSM模塊將所采集的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)揭苿佣?，編寫的Android程序負責對此部分數(shù)據(jù)信息的接收，具體實現(xiàn)流程如圖20所示。物聯(lián)網(wǎng)平臺中，平臺主要提供溫度數(shù)據(jù)信息瀏覽、平臺報警以及報警數(shù)據(jù)信息查看等功能，具體流程如圖21所示。日常對連入系統(tǒng)的溫度傳感器與紅外傳感器設備進行管理，系統(tǒng)控制器對傳感器采集的信號進行監(jiān)測，監(jiān)測時如發(fā)生異常，控制器會產(chǎn)生

20、報警信號并觸發(fā)GSM模塊，將此報警信息發(fā)送給司乘人員。4系統(tǒng)調(diào)試4.1硬件調(diào)試硬件調(diào)試的第一步是檢查電路，首先檢查整個電路圖是否正確，其次是對所有接線的準確性進行詳細檢查。第二步是對電路進行靜態(tài)調(diào)試，對電流與電壓進行測量（此時不需要任何信號的輸入）。相較于電流測量，電壓測量非常簡便。第三步是對電路進行動態(tài)調(diào)試，主要目標是對輸出信號進行觀察，以此判斷是否滿足整個硬件需要。此時需要對電感器與電容器等相關(guān)交流元件的幅值、波形與頻率進行觀測分析，所有輸入信號都應進行輸出。4.2軟件調(diào)試需要借助于專門的計算機軟件來進行單片機程序的軟件測試，需要對單片機的資源進行虛擬，通過向模擬的單片機發(fā)送指令來完成操作。整個測試過程并不是很順利，