基于51单片机的车内滞留儿童监测系统的设计与实现

摘  要：随着经济的快速发展，越来越多的家庭拥有了私家车，由于车主一时的疏忽而导致儿童滞留在车内的新闻屡有发生，不但威胁儿童的生命安全，而且会损害儿童的身心健康。文章研究了车内滞留儿童监测系统的相关解决方案，在发现有儿童被锁在车内时，通过控制器进行报警，确保车主能够接收到报警信息，及时解救出滞留儿童。在完成系统设计之后，经调试与测试，表明其能够有效地对车内报警进行传递，符合设定的工作目标。

关键词：车内滞留;儿童;监测报警;传感器;Android;51单片机

中图分类号：TP368       文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）02-0036-07

Abstract： With the rapid development of the economy， more and more families have private cars. It is often reported that children are stranded in cars due to the negligence of the owners， which not only threaten children’s life safety， but also damage children’s physical and mental health. This paper studies the relevant solutions of the monitoring system for detained children in the car. When it is found that children are locked in the car， it will alarm through the controller to ensure that the owner can receive the alarm information and rescue the detained children in time. After completing the design of the system， the debugging and testing show that it can effectively transmit the alarm in the vehicle， which is in line with the set work goal.

Keywords： retention in the car; children; monitoring alarm; sensor; Android; 51 single-chip microcomputer

0  引  言

20世纪末期，改革开放的进一步发展有利推动了整个社会生产力的快速升级，提升了人民的生活质量。汽车行业的快速发展，在提升人们生活便利性的同时也带来一些严重的安全隐患，如酒驾、醉驾以及交通事故逃逸等违规驾驶行为。目前国家相关交通管理部门对这些行为有着严格的立法与处罚措施，但是其他汽车事故（如车内滞留儿童导致的休克与死亡）没有对应的执法措施。同时市场上滞留儿童监测报警方面的产品也比较少，致使司机或乘客不小心将儿童锁在车里，进而对儿童造成致命伤害的事故时有发生。

市场上，应用此类技术的产品比较少，汽车内滞留儿童问题的主要研究方向是对汽车的空调系统与车窗进行控制，如果系统监测到车内有滞留儿童，会立即开启通风系统使汽车保持通风，提升滞留儿童的安全性。随着汽车智能技术的进一步发展，若要在汽车关闭之后实现车窗、空调的自动控制变得更加困难。

针对这一现象，本文研发一款车内滞留儿童监测系统。当有儿童被滞留在车内时，系统通过GSM模块向司乘人员的手机报警;二氧化碳传感器和温度传感器检测车内环境，通过蓝牙模块将相关检测数据传递到司乘人员手机上进行显示，以此提醒离开汽车的司乘人员，防止意外的发生。根据需求进行整体架构设计、数据库存储设计等，整个业务功能的实现需要经过系统测试来验证，以此确定系统功能设计是否符合实际需求，最后对车内滞留儿童监测系统的实现进行总结，明确后续工作方向。

1  相关技术研究

1.1  傳感器选择

在车辆滞留儿童监测管理系统的设计上，本文综合运用多种传感器，包括红外传感器、氧气传感器、温湿度传感器等。红外传感器用于探测车内是否有滞留人员并进行报警;氧气传感器与温湿度传感器负责监测汽车内部的参数信息。其中红外传感器实物图如图1所示。

目前红外传感器广泛应用于多个领域，包括电梯、灯光、自动门等控制领域，其本身价格低廉。红外传感器不产生任何辐射信息，工作稳定性强，主要的问题在于容易受到光源及热源的影响。

1.2  51单片机

在整个车内滞留儿童监测系统的开发之中，控制核心是单片机，经过对市场上单片机的比较分析，本系统采用的单片机型号为STM32F405RGT6。自20世纪90年代以来，单片机在某一段时间内得到了迅速的发展，助推其在各行各业的大量应用，其总体技术愈发成熟，促使技术人员越来越重视单片机的研发工作，提升了智能仪表与自动测量领域应用的信息化水平。在国家工业的快速发展之中，电子信息工程属于新兴产业，将单片机开发技术与电子工程的成功融合，推动了单片机的发展及应用成果。作为计算机行业发展的重要分支，单片机的应用丰富了电子相关产品的功能，提升了电子设备的智能性与创新性，为行业提供了新的发展思路。

1.3  Android编程环境

车内监测系统主要采用安卓移动端进行开发，此开发平台是谷歌公司于2007年在Linux开源操作系统的基础上设计而成，详细层次结构如图2所示。

2  系统需求分析

2.1  需求分析概述

2.1.1  可行性分析

结合当今技术进行选型分析，可以对整个系统开发的可行性做出合理的分析，判断该系统的开发与应用是否值得投入较大的人力物力。下面将从技术、经济、操作方面进行可行性分析：

（1）技术。目前51单片机及软件信息化技术较为成熟，许多技术都是开源技术，由此可以推断车内监测系统从技术开发角度来说完全可行。

（2）经济。任何系統的研发都需要考虑投入产出比，从经济角度分析主要是判断系统的开发是否值得付出相应的代价。整个系统的开发采用自己的设备，没有额外的开发成本，从经济方面考量完全可行。

（3）操作。随着移动终端与信息系统的普及，车内监测系统的操作可以达到预期的设计目的。综上，从多种维度来看车内监测系统的开发完全可行。

2.1.2  系统业务流程

本系统主要应用于汽车内部场景，前端负责对所处环境的数据信息进行采集，通过网络将数据信息传输到软件平台，流程图如图3所示。

从图3中可以看出，车内滞留儿童监测系统中，用户可通过软件平台查询到前端物联网设备采集的数据信息，并对所采集的数据信息进行存储。

2.2  系统功能需求分析

对车内滞留儿童监测系统而言，数据来源主要是前端传感器采集的数据信息，通过相关协议传输数据信息，最后在软件平台中予以显示。

系统总体业务功能模块的详细操作用例如图4所示。

从图4中可以看出，系统的主要功能包括数据采集、数据传输与平台显示：

（1）数据采集。通过传感器采集汽车内部的数据信息，对所采集的数据信息进行分析并传输到软件平台。

（2）数据传输。通过蓝牙和GSM完成数据网络传输的组建与温度数据信息的物联网传输。

（3）平台显示。平台显示接收到的数据信息，有异常之后进行报警，方便用户及时了解前端的数据信息。

2.3  系统非功能需求分析

在本章的叙述中，首先对系统功能需求做了论述，后面则根据这些需求进行相关功能的开发，从而明确整个系统的性能指标。主要包括系统响应时间、系统可靠性及并发性等：

（1）系统响应时间。用户登录系统后，根据自身需要选择对应的功能菜单，系统业务逻辑程序响应之后将处理结果反馈给功能。如果系统的响应时间较长，必然会降低系统的时效性，因此系统的响应时间不应超过4 s，否则会影响整个系统使用的友好性。

（2）系统可靠性。在非功能需求的指标之中，系统可靠性是关键的内容，反映整个系统能否达到安全稳定运行的要求，车内监测系统稳定运行的要求是不出现故障的时间达到一星期以上。

3  系统设计与实现

3.1  系统总体设计

随着技术的快速发展，物联网作为全新的信息获取与处理途径，被引入车内滞留儿童监测系统的研究之中，方便传感器的部署，主要包括传感节点与普通节点两个部分，这些节点通过无线传感器网络连接起来。

在车内滞留儿童监测系统的设计中，物联网采集的红外数据、温湿度数据通过网络传输到平台。系统平台的具体设计过程需要遵循信息化的开发规律，采用三层架构的方式完成数据采集、传输及平台显示等功能，具体的架构设计如图5所示。

从图5中可以看出，平台显示层的设计主要面向用户，这一层的设计原则是保证用户操作时的方便适用，可以查看接收到的温湿度数据及报警数据信息;传输层的主要任务是将所采集的温湿度物联网数据通过GSM网络或者蓝牙进行传输，系统应确保数据信息传输的可靠性;采集层将传感器STM32F405RGT6作为主控芯片，以温湿度传感器DHT11作为输入信号，对数据处理结果通过LCD1602予以显示，以此完成温湿度数据信息的采集。详细的功能设计如图6所示，系统的整体设计，主要包括物联网数据信息的采集与传输以及平台显示两个部分：

（1）物联网数据信息的采集与传输。每一个物联网终端及时采集温湿度数据，之后根据数据传输协议对各类传感器采集的数据信息进行传输（通过各个网络节点与传感器网络进行数据传输，即通过GSM网络或蓝牙实现数据传输）。

（2）平台显示。用户可在页面中浏览温湿度数据信息及报警数据信息。

3.2  各个模块设计与实现

3.2.1  传感器模块

车内滞留儿童监测系统设计为采用多种传感器，其中红外传感器负责监测车座前后排是否有人。红外传感器的内部结构与结构连接图如图7、图8所示。

红外线传感器采集的数据信息经过信号放大、电压比较、延时电路等处理之后进行音响报警操作。整个红外报警器的组成框图如图9所示。

对于车内滞留儿童监测系统，除了红外传感器之外，温湿度传感器也是常用的传感器，主要用于对车内的温湿度进行监测。温湿度传感器工作框图如图10所示。

在滞留儿童监测系统的整个设计中，所采用的51单片机是STC系列的单片机，由美国的STC公司生产。该系列单片机包括A＼D处理、存储器、PVM、URAT等模块，能够完全兼容于普通的51单片机，具体参数及功能为：

（1）中断源数量为8，工作电压范围为3.8～5.5 V。

（2）封装采用44脚的PQFP、40脚的PDIP等方式。

（3）计数器与定时器16位数量为3，URAT数量为1，其通用的IO口数量为32或36。

（4）RAM为512 B，工作频率范围为0～40 MHZ，不需要专用的仿真器与编程器，STC89C5xRC对应Flash的空间为4 KB＼8 KB＼15 KB。

（5）机器周期普通型时钟数量为12，增强型时钟数量为6，其内置标准的51内核。89c51单片机引脚如图11所示。

有源蜂鸣器的驱动电路如图12所示。

3.2.2  控制器模块

3.2.2.1  单片机最小运行系统

通过STM32F405RGT6单片机能组成整个单片机的运行环境，包括复位电路与时钟，从而可满足单片机的正常工作，控制电路如图13所示。

3.2.2.2  复位电路

复位电路如图14所示，其主要工作模式有开关复位及通电自动复位两种。在电路充电瞬间，电容负极与复位键进行连接，此时电容电压不会突变，若电阻上被施加电压，则芯片会进行复位操作，电容器逐步充电，使电阻器上的电压逐步降为0。

3.2.2.3  时钟电路

时钟电路如图15所示，通过内部时钟产生相关时钟信号。XTAL1引脚与XTAL2引脚作为89c51内部放大器的输入引脚与输出引脚，能够共同构成自激振荡器，分别与电容器和晶体振荡器相连接。

3.2.2.4  LCD1602液晶显示电路

系统采用直接连接方式进行通信，将数据与命令信息写入LCD1602，此时r/w、3根控制线、RS以及8根数据线能够正常工作。如果将r/w读写通过控制终端进行接地操作，则可以将数据线降为7根。液晶对比度的功能主要通过Vo引脚实现，对比度通过10 k电位器进行调节，也可以通过适当的电阻进行调节，但是电阻的大小应通过调试来确定。LCD1602与单片机的连接电路如图16所示。

3.2.3  蓝牙模块

在物联网采集与传输中，前端设备是其重要组成部分，主要完成温湿度、红外等不同数据信息的实时采集。这些物联网设备通过GSM与蓝牙模块实现物联网数据信息的传输通信。物聯网设备组成如图17所示。

从图17中可以看出，整个物联网设备的硬件构建包括多个模块，核心数据信息的采集是通过各类传感器（如红外传感器、温湿度传感器等）实现的。物联网设备及时感知各类实时数据信息，数据传输通过GSM或蓝牙模块进行。

主要通过红外传感器来监测是否有儿童滞留在车内并进行相应的报警操作，在汽车内部部署两个红外传感器，分别部署在汽车的前部与后部，对前后排是否有人进行监测。如果监测到后排有信号而前排没有监测到信号，判断出车内有滞留儿童存在，此时系统的逻辑程序会触发GSM进行短信的发送与报警操作。此外，系统还能够通过氧气传感器、温湿度传感器对车内环境进行监测。

3.2.4  GSM模块

GSM模块采用目前流行的西门子TC35i模块，保证功能的稳定性。整个系统中单片机判断检测部分发送过来的数据，并进行相应的操作，比如让扬声器发声，让GSM模块发送短信等，从而实现系统的预设功能。

单片机通过串行异步通信接口实现与GSM模块的通信，以此确保整个系统的通信正常，具体如图18所示。

3.2.5  平台显示功能实现

程序主要实现的功能：启动ADC0809进行数模转换，将转换后的氧气浓度值显示在液晶显示器上，浓度超过设定值时开始报警，其流程图如图19所示。

可以通过蓝牙或GSM模块将所采集的数据信息传输到移动端，编写的Android程序负责对此部分数据信息的接收，具体实现流程如图20所示。

物联网平台中，平台主要提供温度数据信息浏览、平台报警以及报警数据信息查看等功能，具体流程如图21所示。

日常对连入系统的温度传感器与红外传感器设备进行管理，系统控制器对传感器采集的信号进行监测，监测时如发生异常，控制器会产生报警信号并触发GSM模块，将此报警信息发送给司乘人员。

4  系统调试

4.1  硬件调试

硬件调试的第一步是检查电路，首先检查整个电路图是否正确，其次是对所有接线的准确性进行详细检查。第二步是对电路进行静态调试，对电流与电压进行测量（此时不需要任何信号的输入）。相较于电流测量，电压测量非常简便。第三步是对电路进行动态调试，主要目标是对输出信号进行观察，以此判断是否满足整个硬件需要。此时需要对电感器与电容器等相关交流元件的幅值、波形与频率进行观测分析，所有输入信号都应进行输出。

4.2  软件调试

需要借助于专门的计算机软件来进行单片机程序的软件测试，需要对单片机的资源进行虚拟，通过向模拟的单片机发送指令来完成操作。整个测试过程并不是很顺利，主要原因是此单片机的指令不能有效执行。测试软件可以对小型、源代码数量不多的工程进行较好的调试，如果程序代码达到几十万行，测试软件的调试效果则需要进行评估。

5  结  论

综上所述，对于车内滞留儿童监测系统的设计与实现，核心工作是确定系统需求，后续的设计、实现与测试工作都是围绕着此需求展开的。若要在此系统的实现中对确定的功能进行变更，则需要技术人员对此变更的功能进行分析与评审，顺利完成整个系统的开发工作。此外，还要对系统的运行安全进行监测，判断整个运行期间系统是否稳定运行，及时处理出现的安全问题，并结合实际使用情况加强相关的安全保护措施，最大限度地保障车内监测系统程序与数据信息的安全性。

参考文献：

[1] 文师华，王晶，刘星宇，等.基于 Arduino的车内儿童防误锁报警系统设计 [J].电子设计工程.2019，27（1）：160-163.

[2] 张永生，张梦杰，范金鑫，等.基于STM32F103的车载儿童防滞留报警系统 [J].内燃机与配件，2017（12）：132-133.

[3] 黄建灯.红外传感器探测人体运动特征的分析研究 [J].激光杂志，2017，38（1）：66-68.

[4] 周文海，李光辉，杨琳.滞留车内儿童报警装置控制系统设计 [J].柳州职业技术学院学报，2015，15（2）：72-74.

[5] 毛亮，胡健，杨繁庆.基于 MCS-51 单片机的车内防窒息报警智能控制系统 [J].信息系统工程，2016（10）：25.

[6] 周润景，郝晓霞.传感器与检测技术 [M].北京：电子工业出版社，2009.

作者简介：张岚（1987—），女，汉族，陕西岐山人，讲师，硕士 ，研究方向：电子工程、电子技术。