基于Arduino的校车儿童安全监测报警系统

潘昊驰

针对近年来儿童在校车内和校车四周引发生命危险的事件频繁发生，设计了一种校车儿童安全监测报警系统。系统采用Arduino开发板作为主控单元，在校车车厢内安装温度传感器，在座位上安装红外避障传感器，在校车四周安装超声波传感器，通过主控单元检测车辆启动、熄火、关闭车门等状态信息和各传感器输出信号，监测校车周围及车厢内的儿童安全，及时通过声光、手机APP报警及强制落窗通风。设计了系统的硬件与软件，搭建实验系统，验证了方案的正确性，对校车车载安全伴侣的设计提供了一种新思路。

【关键词】Arduino校车 儿童安全 监测 报警

1 引言

近年来儿童在校车内和校车四周引发生命危险的案例频繁发生，一种状况为：儿童被遗忘在校车内或被家长留在轿车内，因密闭空间温度持续升高导致生命危险的事故发生。另一种状况为：因校车车身又长又高，儿童身材矮小，当处于校车四周近距离时，常常处于司机视野的死角范围，无法看到孩子而导致危险发生。而目前现有的校车安全相关设计主要聚焦于车体本身内外结构的加固防撞、气囊设计、超载酒驾等校车安全监控及校车安全管理平台设计等方面，对校车启动后儿童在车体四周情况以及校车停止熄火车门闭锁司机准备离开以及离开后校车内尚留有儿童情况的检测、报警、和危险防护均没有相应的监测防护系统配备。同时，随着Arduino技术的广泛应用，为校车车载儿童安全伴侣的设计与实现提供了新的主控方法。

2 组成及原理

如图1所示，系统由Arduino主控板、传感器扩展板、与扩展板连接的红外传感器、温度传感器、超声波传感器等模块和器件组成，其监测功能分为车内和车外两部分。

车内由温度传感器、红外避障传感器及车窗控制机构等组成，红外避障传感器安装于每个座位的靠背上，或每个座位对应车厢顶部。车内的自动检测报警工作原理如下：当司机启动校车时，红外避障传感器及温度传感器失效，当司机关闭发动机并开启校车车门后，红外避障传感器及温度传感器开启，当司机关门并离开车后，若红外避障传感器检测到车厢内有儿童，校车通过蓝牙将警告提示音发送至司机手机APP上，提醒司机车内有滞留儿童，同时鸣笛及闪烁车灯吸引其注意。若司机已远离校车且蓝牙已断开连接，当红外避障传感器检测到车内有人时，温度传感器开始工作并动态监测密闭车厢内温度的同时闪烁车灯吸引路人注意，当车厢内监测温度达到危机儿童生命的临界温度时，校车将采用强制性保护措施，即强制落下一半车窗并开启车内风扇通风降温，同时鸣笛闪烁车灯吸引周围人群解救。

车外沿车身四周安装有多个超声波传感器。其工作原理如下：当车辆启动时汽车周围的超声波传感器对周围环境进行检测，由于超声波传感器检测范围可以覆盖如图所示几乎校车周围所有环境，因此当校车周围有儿童且小于临界安全范围时，则会在驾驶面板上及声光报警提示司机，从而达到保护儿童的目的。

3 基于Arduino UNO开发板的硬件电路设计

系统采用完全兼容Arduino UNO R3版本的DFRduino UNO R3开发板作为主控单元，它采用ATmega16U2作为微处理器，工作电压为5V，可提供5V DC输出和3.3V DC输出电压，时钟频率为16 MHz，有14个数字I/O端口，6个模拟输入端口。DFRduino UNO R3开发板的功能模块及引脚如图2所示。

选择DFRobotIO传感器扩展板与DFRduino UNO R3开发板直插连接，可把Arduino的端口扩展成3P接口，直插3P传感器模块，同样具有14个数字口（6个PWM口），6个模拟口；中部可直插Xbee封装的蓝牙、WIFI和Xbee通信模块；旁边设置了普通蓝牙模块、APC和SD卡的扩展接口。

校车儿童安全监测报警实验系统硬件电路设计如图4所示。扩展板与主控板之間插针直接连接，数字引脚2连接自锁开关，模拟汽车的启动或熄火状态；数字引脚4连接LED灯，模拟报警灯；数字引脚6连接蜂鸣器，模拟扬声器警报；数字引脚7连接直流电机，模拟车窗和电扇等设施。

数字引脚8连接SEN0019型集发射与接收于一体的红外避障传感器，其检测距离范围可以通过传感器背面的电位器进行调节，可调范围为3-80cm，系统根据有无儿童在座位上时探头前方障碍物的距离设置最大检测距离，当探头前方有效距离范围内无儿童时输出高电平，有儿童时输出低电平。

数字引脚9、10、11、12分别连接两个超声波测距传感器JSN-SR0T4-2.0超声波测距模块，模块包括收发一体的超声波传感器与控制电路，可提供20-600cm的非接触式距离感测功能；检测时，模块自动发送8个40KHz 的方波，信号返回时，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间T就是超声波从发射到返回的时间。程序中将高电平持续时间T直接换算成为测试距离L=170T（m），并设置监控报警门槛距离，当校车启动，监控报警门槛距离范围内有儿童时，因其声波传感器探测到障碍物的距离比所设置的监控报警距离近，而进行报警。

模拟口引脚0连接LM35半导体温度传感器，LM35半导体温度传感器是美国国家半导体公司生产的线性温度传感器。其测温范围是-40℃到150℃，灵敏度为10mV/℃，输出电压与温度成正比。

中间部分的“RXD、TXD、DTR、5V、GND”连接蓝牙模块，用来与司机手机通信报警提示；扩展板右上角“SCL、SDA、5V、GND”连接液晶显示屏，用来显示实验系统的条件及结果。

4 基于Arduino UNO的软件设计

控制Arduino UNO主控单元的软件在Arduino IDE中编译实现，主控控制流程如图5所示，主要控制逻辑如下：

（1）系统采集车辆状态检测模块的状态信息；

（2）若司机启动校车，则启动超声波传感器检测车辆四周是否有障碍物，若无则转步骤（7）；endprint

（3）若车辆周围有障碍物，则声光报警提醒司机下车检查，转步骤（7）；

（4）若校车是熄火状态并且车辆状态检测模块检测到车门闭锁，则启动红外避障传感器采集信息，若未采集到车座上有人，则转步骤（7）；

（5）若车座上有人，则蓝牙模块通知司机手机，启动APP发出报警（声音或震动）；

（6）若司机已经远离校车，当车内温度传感器检测到温度高于设定阈值，则发出声光报警（用于提醒路人给予施救），并启动落下车窗（通风）；

（7）液晶显示屏显示状态信息，程序转步骤（1）。

若校车处于熄火且车门闭锁状态时，启动红外避障传感器采集信息，若检测到车座上有儿童，则主控单元控制蓝牙模块通知司机（司机熄火下车锁闭车门尚未远离时）手机。通过蓝牙模块启动司机手机APP进行声音报警控制的软件流程如图6所示，手机APP在MIT APP INVENTER环境中在线生成。

5 实验结果

实验系统实物照片如图7所示。因声音与灯光等报警方式均难以在文中呈现，采用液晶屏来清晰显示各种监测条件与报警结果。屏上“Power：ON”和“Power：OFF”分别显示校车的启动与关闭，“T：x”显示车内温度，由红外避障传感器感知有儿童显示为“In：Someone”，反之则为“in：NoOne”，由超声波传感器感知车外有儿童时显示为“Out：Something”，反之则为“Out：Nothing”，遭遇情況发出警报“Alarm：ON”及不发警报“Alarm：OFF”，实现开窗显示“W：O”，闭窗显示“W：C”。

实验测试结果使用OLED-2864显示器件，如图8所示。其中，（a）图说明当校车启动，超声波传感器未探测到儿童，不报警；（b）图说明当校车启动，超声波传感器探测到儿童，报警；（c）图说明当校车关闭（熄火并车门关闭），红外避障传感器未探测到儿童，不报警；（d）图说明当校车关闭（熄火并车门关闭），红外避障传感器探测到儿童，报警并启动司机手机APP；（e）图说明当校车关闭（熄火并车门关闭），红外避障传感器探测到儿童，温度升高到临界值（如30℃），报警并打开窗户。

6 结论

由实验结果可以看出，当模拟校车熄火车门关闭后车内有儿童及温度升高时，或校车启动四周一定距离范围内有儿童时，该系统能准确识别并采取有效措施，能够可靠起到监测、警示和保护儿童的作用。

参考文献

[1]葛如海等.校车儿童安全气囊安全性仿真分析[J].中国安全科学学报，2015.

[2]李传烨等.校车安全监控系统[J].应用科技，2016.

[3]刘越洋等.基于Arduino的智能集成控制终端的实现[J].电子技术与软件工程，2017.

[4]Scott Fitzgerald等/周雁冰（译）.Arduino/Genuino项目书. Arduino SRL.

作者单位

太原市第五中学校 山西省太原市 030001endprint