基于STM32的儿童安全座椅防遗忘检测报警系统

刘贵庆，梁鉴如，袁 凯，陆善婷

（1上海工程技术大学电子电气工程学院，上海201620；2上海航天计算机技术研究所，上海201109）

0 引 言

随着汽车行业的飞速发展，汽车逐渐走进普通家庭成为人们生活中不可或缺的重要工具。一些家长由于安全意识欠缺或是怀有侥幸心理，将儿童单独留在密封的车内。由于汽车良好的密闭性使得外面的新鲜空气很难进入车内，车内气体不易流通，而且在阳光的照射下汽车内部温度会快速上升，被锁在车内的儿童由于不具自救功能，在高温和氧气稀薄的环境下很容易中暑昏迷、甚至死亡，造成严重的后果。

目前市面上具有防遗忘功能的儿童安全座椅采用的是传统的压力感应技术，由于儿童与安全座椅的接触面积小，且坐姿不确定，因此可能会出现压力传感器工作不正常的情况，而且压力传感器的安装复杂。不仅如此，大部分的儿童安全座椅并不具备车内环境监测功能，或环境监测功能单一，未考虑到汽车在怠速的情况下会产生大量的一氧化碳，而这些一氧化碳在车库等密闭的环境下可能会进入车内，带来儿童中毒的危险。

针对以上问题，本文提出了一种基于电容传感器的新型儿童安全座椅防遗忘检测技术，并加入了车内环境监测功能。当发动机启停检测模块检测车辆处于熄火状态时，通过检测车内的二氧化碳浓度来判断车内的环境状况，若控制器检测到儿童安全座椅上有儿童且车内的二氧化碳超过一定浓度值，将会触发系统报警；当发动机启停检测模块检测车辆发动机处于运行状态且儿童未被抱走时，通过检测车内的一氧化碳浓度来判断车内的环境状况，若控制器检测车内的一氧化碳超过一定浓度值，将会触发系统报警。

1 系统总体设计

该系统具有儿童防遗忘功能、车内环境安全检测功能和报警救援功能。系统选取高分辨率的电容数字转换器FDC2214对来自电容传感器的数据进行采集，微处理器对FDC2214采集到的信号进行处理，监测当前儿童的乘坐状态，同时利用一氧化碳、二氧化碳和温度传感器采集车内环境信息，并根据车内环境恶化程度采取相应的报警措施。系统总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体框图Fig.1 Overall block diagram of the system

2 系统硬件设计

整个系统由防遗忘检测装置、活动迹象检测装置和GSM报警装置组成，系统采用锂电池供电，当电量不足时会提醒用户及时充电。STM32作为控制器对信号进行分析与处理；防遗忘检测装置对车辆的状态进行检测；活动迹象检测装置对车内的环境状况进行检测；控制器根据检测结果采取对应的报警措施。对研究中涉及的各部分可做设计分述如下。

2.1 防遗忘检测装置

防遗忘检测装置主要由蓝牙收发模块、发动机启停检测模块和报警模块组成。蓝牙发射模块与车载点烟器相连，发动机启动后车载点烟器为蓝牙发射模块供电，每30 s与活动迹象检测装置通信一次；汽车熄火后蓝牙发射模块断电，二者通讯失败，触发蜂鸣器报警，蜂鸣器持续响1 min提醒用户抱走儿童。

2.2 活动迹象检测装置

活动迹象检测装置主要由一氧化碳检测模块、二氧化碳检测模块、温度检测模块和电容检测模块组成。其中，电容检测模块基于TI公司的FDC2214芯片，该芯片具有分辨率高、功耗低、抗干扰能力强等优点。传感器通过检测电路板上的覆铜区域与人体之间形成的电容的大小来确定人体与电路板的距离，本系统中自制的电容检测模块检测面积可达120 cm2，由于该传感器具有28位的高分辨率，经过实际测试，当人体与电路板的距离在20 cm以内，该模块均可精确地检测出来。因此，该电容检测模块可以稳定、可靠地检测到儿童在安全座椅上的乘坐状态。

发动机启停检测模块检测到车辆处于熄火状态时，将二氧化碳浓度变化量作为车内空气指标，通过检测车内的二氧化碳浓度来判断车内的环境状况，若控制器检测到儿童安全座椅上有儿童且车内的二氧化碳超过一定浓度值，将会触发系统报警。检测模块还要利用温度传感器来判断车内的环境温度，温度过高时也会触发报警。在夏季，当外界温度为35℃时，阳光照射15 min后，封闭的车厢内部气温会迅速地上升至65℃，在这样的环境下待上0.5 h就能致命；即便环境温度仅有21℃，阳光直射下，1 h后车内温度也能达到47℃，儿童体温调节机制发育尚未完全，体温调节依然较弱，更容易导致窒息。

由于部分车主在夏天会在发动机怠速状态下开启车内空调，此时若车子停在密闭环境内，尾气中的一氧化碳可能会进入车内造成儿童中毒。因此，发动机启停检测模块检测车辆发动机处于运行状态且儿童未被抱走时，将一氧化碳浓度作为车内空气质量指标，若控制器检测车内的一氧化碳超过一定浓度值，将会触发系统报警。

2.3 GSM 报警装置

GSM报警装置利用GSM通讯模块提醒车主车内儿童可能发生危险。当车内环境达到临界状态时触发第一级短信报警，系统每隔一段时间向车主发送一次短信提醒车主；若车内环境继续处于恶化状态，但尚未达到极限，会触发第二级电话报警。

3 系统软件设计

3.1 FDC2214在电容检测中的应用

FDC2214采用I2C与控制器通信，被测电容值的计算公式为：

其中，L为外部谐振电感，C为外部匹配电容，fSENSORx为谐振频率，其换算公式为：

其中，CHx_FIN_SEL为传感器频率段选择；fREFx为参考频率；DATAx为通道测量值。通过不同的通道地址，可以读取相应通道的数字量值，DATAx是通过FDC2214测量而来。本文选取的通道是通道3，寄存器入口地址为0x06和0x07。

由于被测电容值很小（通常为pF级），为了提高信噪比，采用IIR滤波算法对采集到的数据进行处理。此外，由于外部谐振电感、匹配电容等会出现温漂，进而可能会造成换算出的电容量出现较大误差。因此，本系统采用微分积分算法对读取到的数据进行处理。首先对测量值进行微分，计算测量值Xi的变化率ΔXi（即测量值Xi的导数Di），再对这些ΔXi不断进行累加，即为积分后的值I，若传感器检测到的电容值趋于稳定，ΔXi趋于0，I不再继续累加。因此，通过判断I的值即可判断出传感器的电容值是否发生改变。经过实验发现，人体接近传感器时，会导致传感器测量的I变大。

电容传感器放置于儿童安全座椅的下方，与儿童身体的距离约10 cm左右，由于儿童坐姿不确定，身体不可能完全覆盖于传感器正上方，因此为保证传感器检测的准确性，通过实验模拟儿童不同坐姿的情况下传感器测量的数据，结果见表1。其中，若儿童未坐在安全座椅上时，传感器测量到的数据大小为176.35。通过测量数据发现，儿童在不同坐姿情况下，该传感器均可正常检测到。

表1 电容传感器测试数据Tab.1 Capacitance sensor test data

3.2 主程序设计

该系统的程序设计流程如图2所示。若电容检测模块检测到儿童在安全座椅上，且汽车已经由启动状态到熄火状态时间达到1 min，此时蜂鸣器持续响1 min提醒车主抱走儿童。若车主一直没有抱走儿童，则进行二氧化碳和温度检测，如果检测到二氧化碳的浓度值大于1 000 ppm或温度值大于33℃，则会触发一级报警，GSM模块会向车主手机发送警告短信；如果车内环境持续恶化，检测到的二氧化碳的浓度值已经大于1 500 ppm或温度值大于36℃，则会触发二级报警，GSM模块会向车主拨打警告电话。由于发动机启停检测模块是通过检测点烟器的状态来判断发动机启停状态的，无法得知此时发动机是否处于怠速状态，因此，若车辆发动且儿童在安全座椅上，一氧化碳传感器会间歇工作。当一氧化碳的浓度值大于50 ppm，则会触发一级报警，GSM模块会向车主手机发送警告短信；当一氧化碳的浓度值大于200 ppm，则会触发二级报警，GSM模块会向车主打警告电话。

图2 系统流程图Fig.2 System flow chart

4 系统测试与分析

4.1 IIR 滤波实现

电容传感器检测到的原始信号如图3所示，使用IIR滤波器处理后的数据，如图4所示。通过对比发现，经过滤波后的数据比原始数据更加平滑，且不易受到干扰。

图3 原始数据Fig.3 Raw data

图4 IIR滤波后的数据Fig.4 IIR filtered data

4.2 积分微分算法测试

微分后的数据如图5所示，经过积分后的数据与原始信号匹配，如图6所示。

图5 微分后的信号Fig.5 Signal after differentiation

图6 积分后的信号Fig.6 Signal after integration

5 结束语

本文提出了一种基于电容传感器的非接触式儿童安全座椅防遗忘检测方法，同时加入了报警系统，可以有效地提醒用户不要将儿童遗忘在车内，同时也保障了不慎被遗忘在车内的儿童的安全。与现有检测装置相比，本装置具有易于安装、可靠性高、安全性能强等优点，具有一定的推广价值。