1、一种儿童滞留安全警报装置的研发 吴东盛 陈洁球 翁建红 冯南山 陈芷衡 广东轻工职业技术学院 摘 要： 为防止车内滞留儿童因门窗、通风系统关闭而导致缺氧窒息死亡的发生, 研发具备儿童滞留识别、报警及强制换气功能的安全装置。在车内安装人体热释电红外线传感器, 当车内有发现滞留儿童, GPS/GSM 求救模块把求救信息和准确地理位置发送给先前设定的用户, 启动原车警示灯, 启动原车防盗发声器、原车鼓风机进行报警及通风换气, 达到儿童滞留识别、报警及强制换气功能的功能。关键词： 车内滞留儿童; 识别; 报警; 强制换气; 作者简介：吴东盛 (1980) , 男, 东开平人, 讲师、研究生/工学硕士。
2、主要研究方向:汽车电子控制技术、汽车节能排放技术。E-mail:收稿日期：2017-03-24Research on Safety Warning Device for Trapped ChildrenWu Dongsheng Chen Jieqiu Weng Jianhong Feng Nanshan Chen Zhiheng Guangdong Industry Technical College; Abstract： It is important to prevent trapped children from suffering anoxia asphyxia in a car, w
3、hich is caused by closed doors, windows and ventilation system. Safety device is researched for trapped children with identification, warning and positive ventilation. Thermoelectric infrared sensor is used. When children are trapped in a car, GPS/GSM will send signals and accurate location for help
4、 to the programmed user, then warning light, burglar alarm and blower are started to identify, warn and positively ventilate for trapped children in a vehicle.Keyword： trapped children; identification; warning; positive ventilation; Received： 2017-03-240 引言儿童车内所面对的安全隐患一般可以分为交通事故类和非交通事故类两大类型。交通事故类主要指
5、:当汽车发生交通事故的时候, 由于儿童没有使用保护装置或保护装置使用不当而造成损伤。对于交通事故类的安全隐患, 汽车上配备了不少应对措施并形成了强制性国家标准GB 27887-2011机动车儿童乘员用约束系统, 这在一定程度上减缓了交通事故类安全隐患对儿童所造成的伤害;非交通事故类主要指儿童在车内受到汽车交通事故以外的安全隐患。以美国为例, 美国 Kids and Cars 组织对 20012010 年 10 年内美国儿童车内非交通事故伤害进行了统计和分类1, 结果如图 1 所示。儿童车内非交通事故伤害大致可分为六大类, 其中, 儿童车内滞留热窒息死亡占了 58%, 远高于其他伤害类型。由此可
6、见, 儿童车内滞留所带来的安全隐患不容忽视。然而, 目前国内外在儿童车内滞留热窒息死亡方面只有少量的研究, 而且没有能推广到市场的产品, 所以迫切需要研发儿童滞留安全警报装置。图 1 美国儿童车内非交通事故伤害类型 Fig.1 The United States childrens non-traffic accident damage type in the car 下载原图1 儿童滞留的安全隐患分析1.1 车内热伤害国外实验表明, 当车外温度达到 31时, 密封汽车车内的温度会在 10 min 内上升到 4045, 55 min 就会达到 55, 如图 2 所示2。当儿童被滞留在车内时,
7、过高的温度会引起儿童身体水分散失和盐分损失加快, 从而导致中暑并可能引发热射病、热虚脱等症状。当儿童体温达到 42的时候, 儿童就有极大的死亡可能3。图 2 车内温度变化测试结果 Fig.2 Test results of temperature change inside the car 下载原图1.2 车内空气污染伤害车内的空气污染主要来源于车内的材料、零部件、乘坐人员和汽车排放物等。车内主要的有害气体有 CO、CO 2、氮氧化合物和甲醛等。CO 是汽油在发动机不完全燃烧的产物之一。当人们吸入 CO 后, 它就会随肺泡进入血液当中, 并形成碳氧血红蛋白 (Hb CO) , 使得血红蛋白丧失
8、携氧的能力和作用, 从而引起恶心、头痛、头晕、昏迷、痉挛甚至死亡4。CO2在低浓度时属于人体呼吸的中枢兴奋剂, 属于正常人体生理所必需, 在高浓度时能抑制人体呼吸中枢, 严重时还有麻痹作用。试验显示, 一辆普通的 48 座客车处于满员且封闭的状态下, 数分钟后 CO2浓度就会超过 0.1%的限量值5。空气中 CO2浓度的不同对人体产生的影响也不同, 当体积分数达到 25%30%时人会消失呼吸、丧失感觉并在几小时后死亡。所以, 将 CO2浓度维持在0.1%的限量值是很有必要的。氮和氧的多种化合物总称为氮氧化物, 如:NO、NO 2等。NO 是无色、无刺激性气味的气体, 而 NO2则是褐色有特殊臭
9、味的气体, 其毒性是 NO 的 45 倍。氮氧化物能够深入支气管和肺泡, 并形成亚硝酸和硝酸, 进而给肺泡产生强烈的刺激和腐蚀。亚硝酸同时在血液中与血红蛋白结合产生高铁血红蛋白, 这使得人体组织缺氧, 并损害人体中枢神经系统4。甲醛是一种无色、有强烈刺激性气味的致癌致畸的物质, 对人的影响主要有刺激、毒害及致癌作用。儿童和孕妇对甲醛更敏感, 当车内甲醛浓度到达70g/m 的时候, 儿童就会发生气喘6。2 儿童滞留安全警报装置的研发目的当汽车发动机熄火、空调停止工作后, 停驻在户外的汽车易受到太阳暴晒, 车内温度剧增, 产生“驻车高温”现象。不仅加剧车内零部件老化, 而且车内有害物质浓度增加,
10、严重影响车辆舒适性。此时, 没有自救能力的滞留儿童, 将会面临热伤害和空气污染伤害 (窒息、中毒或者高温中暑) 。即便及时获救, 生理和心理上也会受到影响。本装置具有自动检测车内滞留儿童、自动报警及降温换气的功能, 极大降低车内滞留儿童安全事故的发生, 提高停驻车辆的安全性与舒适性。3 儿童滞留安全警报装置的电路设计3.1 系统的组成该装置由三大系统组成, 分别是太阳能供电系统、儿童滞留预警系统和驻车降温换气系统。(1) 太阳能供电系统太阳能供电系统主要由太阳能电池组 (太阳能板, 如图 3 所示) 、光伏控制器、蓄电池等组成。其作用主要是通过太阳能电池将太阳能转化为电能, 并将电能传到蓄电池
11、储存起来, 这样不但避免了儿童滞留安全警报装置因用电过度而导致汽车启动时因蓄电池电量不足无法启动汽车的事情发生, 而且可以在一定程度上延长蓄电池的寿命。当蓄电池电压低于 11 V 的时候, 光伏控制器和功能控制器就会发出指令, 使得太阳能电池给蓄电池进行充电。图 3 太阳能电池组 Fig.3 Solar Cell 下载原图(2) 警报系统警报系统的主要功用是在车辆熄火并车门上锁后检测车内是否有滞留儿童。当传感器检测到车辆熄火并车门上锁后就会自行启动, 这样就能避免因忘记开启而导致事故发生的可能。系统启动后, 温度传感器和人体热释电红外线传感器就会开始工作, 并检测车内是否有滞留儿童。如果车内没
12、有滞留儿童, 警报系统就会自行关闭;如果车内有儿童滞留, 传感器就会发送信号给 ECU, ECU 处理完信号后就会发送执行信号给执行装置。此时, GPS/GSM 求救模块会把求救信息和准确的地理位置发送给先前设定的用户, 原车警示灯和原车防盗发声器启动, 原车鼓风机进行通风。报警系统既有被动求救功能, 也有主动救援功能, 大大提高了工作的稳定性和可靠性, 而且该执行装置的执行单元基本为原车的部件, 不需要对原车电路进行改装。(3) 驻车降温换气系统该系统由三大部分组成, 分别是电池保护控制板、CO 2及温度检测仪控制部分 (图 4 (a) ) 和执行器。电池保护控制板能使蓄电池电压低于 11
13、V 的时候切断蓄电池对装置设备的供电, 起到保护蓄电池不损坏、不影响汽车正常启动的作用。CO 2及温度检测仪控制部分是最核心的部分, 它能控制鼓风机的工作模式, 其主要由单片机 (图 4 (b) ) 、CO 2检测仪 (图 4 (c) ) 、继电器 (图 4 (d) ) 、温度传感器 (图 4 (e) ) 和总开关 (图 4 (f) ) 组成。执行器就是汽车本身的鼓风机。图 4 降温换气系统的组成 Fig.4 Composition of cooling and ventilating system 下载原图(a) CO2 和温度检测仪控制部分 (b) 单片机 (c) CO2 检测仪 (d)
14、继电器 (e) 温度传感器 (f) 总开关 (CO2 和温度检测仪控制部分) 3.2 系统的工作原理3.2.1 驻车降温换气系统工作原理在一般情况下, 太阳能供电系统会给儿童滞留安全警报装置供电, 电池保护控制板连接蓄电池并检测蓄电池的电量。当蓄电池电压低于 11 V 的时候, 控制板就会切断 CO2检查仪和整套设备以及车上其它设备用电。当电压充足的时候, 控制板输出电流, 电流经过变压器转化为 5 V 电压并输出给 CO2及温度检测仪的核心控制部分。控制部分由单片机、CO 2检测仪、执行器以及控制开关四部分组成, 主要负责的是检测车内 CO2的浓度和车内温度。显示屏上有两排参数, 第 1 排
15、是实际参数、第 2 排是标准参数。实际参数是指 CO2检测仪所检测到的当前车内实际的 CO2量。标准参数是设定的数值, 标准参数可通过按钮调节。如果实际参数大于标准参数, 那么执行器就会发出工作指令;如果实际参数小于标准参数, 那么执行器就停止发出指令。如车内的 CO2量没有超出标准参数, 但是车内的环境温度超出标准参数, 那么这套系统也会工作, 而且温度的标准参数也是可通过按钮调节的。当实际参数低于标准参数的时候, 检测仪的耗电量是极低的。因为这套系统用电量小, 它的工作电流大约为 0.01 A, 再加上有太阳能供电系统供电, 所以蓄电池足以支撑长时间的工作而不会影响到车内其它系统的正常工作
16、。当工作信号传到执行器后, 它就会控制车内的鼓风机进行内循环或外循环, 又或者控制鼓风机工作或不工作。因而设备主要是要求降低车内 CO2浓度和车内温度, 所以执行器会强制车辆进行外循环工作, 即外面的空气通过鼓风机补充新的空气进入车内, 新鲜空气的补充会使得车内二氧化碳的浓度和温度降低。同时, 检测仪的实际参数也会随之下降, 当实际参数下降到低于标准参数的时候, 这套设备又会停止工作。以上是汽车处于驻车状态时的工作原理。当汽车处于行驶状态而且原车系统启用了内循环模式的时候, 如果车内 CO2浓度的实际参数低于标准参数, 则汽车处于内循环模式, 但当车内的 CO2浓度的实际参数高于标准参数, 装
17、置就会介入工作并强制停止原车系统工作的进行, 打开风门, 强制进入外循环模式。当CO2浓度的实际参数又低于标准参数后, 装置退出介入, 恢复原车系统的工作模式。图 5 为驻车降温换气系统工作原理图。图 5 降温换气系统工作原理图 Fig.5 Schematic diagram of cooling and ventilation system 下载原图3.2.2 警报系统工作原理当车辆熄火并车门上锁后警报系统就会自行启动, 人体热释电红外线传感器开始工作, 传感器检测后, 把信号输送给中央处理器 ECU, ECU 对传感器传来的信息进行分析处理。若无儿童滞留, 预警系统自行停止工作;若有儿童滞
18、留车内, ECU 把执行信号传给执行装置, 执行装置开始工作, 此时 GPS/GSM 求救模块会把求救信息和准确地理位置发送给先前设定的用户, 并启动原车警示灯和防盗发声器向周围求救, 启动原车鼓风机进行通风, 以便降低车内 CO2浓度和车内温度。图 6 为警报系统工作原理图。图 6 警报系统工作原理图 Fig.6 Schematic diagram of alarm system 下载原图4 儿童滞留安全警报装置的优点及推广前景4.1 儿童滞留安全警报装置有以下几大优点:(1) 安装快捷、简便、成本低;儿童滞留安全警报装置中多数部件是原车系统部件, 要添加的部件也是相对小巧的, 所以这在一定
19、程度上降低了装置的成本, 使消费者更能接受, 同时减免了安装时线路排布的麻烦, 最大化减少要增加的整车重量。(2) 节能环保;儿童滞留安全警报装置的核心部分工作用电大约为 0.01 A, 蓄电池足以支撑长时间工作, 而且装置本身设有太阳能供电系统, 必要时还能为蓄电池充电, 整个过程没用一滴油, 既节能又绿色环保、(3) 灵活应变;儿童滞留安全警报装置的标准参数是可调节的, 满足了驾驶者的各种情况的需要。(4) 智能控制;装置本身智能化、自动化工作, 如警报系统在汽车熄火上锁后自动开始工作, 驻车降温换气系统在汽车行驶时亦可以强制介入工作, 大大地减少了人为因素而造成的失误。4.2 推广前景随
20、着二孩政策的开放, 人们生活水平的提高, 既有车又有孩子的家庭不断增加, 这在一定程度上扩大了儿童滞留安全警报装置的市场。与此同时, 年轻一代的车主们对高科技产品的喜爱和对子女的呵护, 更是扩大了潜在市场的规模。儿童滞留安全警报装置由于其作用的广泛性, 不仅可以运用在家用轿车上, 还可以运用在校车和客车上, 这在一定程度上减少了校车安全事故的发生, 同时加大了乘车的舒适性。目前, 与儿童滞留安全警报装置相似的研究多数停留在设计层面, 能够制出成品并可以广泛推广的寥寥无几, 故它的应用价值和成果的推广前景较为可观。5 结论儿童滞留安全警报装置通过太阳能电池板为装置供电, ECU 通过 CO2检测
21、仪、温度传感器和人体热释电红外线传感器所传送的信号来判断是否进行工作。具有不改变汽车原有设备, 只多添加太阳能电池板和检测模块, 就可以实现降低车内热伤害和车内空气污染伤害、车内滞留儿童预警三大功能。本发明设计具有智能、便捷、节能、清洁、工作稳定可靠、安装方便等优势, 安装成本较低、在车主可接受范围内。若能像 ABS 系统一样成为汽车强制装配的系统, 那么将会大大减少儿童滞留安全事故的发生, 也提高了乘车舒适性。参考文献1孔军, 马伟.车内乘员安全及其约束系统的研究J.武汉理工大学学报:信息与管理工程版, 2007 (6) :77-80, 88. 2Roberts K B, Rober E C.The automobile and heat stressJ.Pediatrics, 1976 (58) :101-104. 3赵光明, 周文辉, 张亚南.儿童暑期乘车安全隐患分析及对策建议J.汽车与安全, 2015 (8) :98-101. 4潘小川.室内空气质量对人体健康的影响J.中国科学基金, 2005 (4) :205-208. 5范李.汽车车内空气环境及其控制技术研究D.武汉:武汉理工大学, 2007. 6刘鑫民.车内污染物的分析评价及净化研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2015.
