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摘要：随着现代信息技术的不断发展,为有效保护车内乘客在高温、落水等极端环境下的人生安全,基于物联网与传感器技术,以破窗器为主要设备原型,设计出了一款车辆安全防控逃生系统。确定了该系统运行和技术实现的基本工作原理和方法,研发出了一款集破窗、气体监测、水位监测等功能于一体的车辆自动防控装置,并搭配终端应用层控制软件实时监控,及时向司乘反馈信息,进一步提高行车被动安全。
关键词：物联网技术；车辆安全；环境监控；防控逃生；系统；破窗器
Research and Development of the Vehicle Safety Prevention and Control Escape System Based on the Internet of Things Technology
SHENG Yun1,WANG Xu1,SHEN Xinhai2
（1.Keyi College of Zhejiang Sci-Tech University,Shaoxing Zhejiang 312369;2.School of Mechanical Engineering and Automation,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou Zhejiang 310016）
【Abstract】：With the continuous development of modern information technology,in order to effectively protect the life safety of the car passengers in high temperature,drowning and other extreme environments,a vehicle safety prevention and control escape technology is designed based on the Internet of Things and sensor technology,with the window breaker as the main equipment prototype.The basic working principle and methods of the system operation and technical realization are determined,and an automatic vehicle prevention and control device integrating broken window,gas monitoring and water level monitoring was developed,combined with real-time monitoring to timely feedback information to the company and passengers to further improve the passive safety of driving.
【Key words】：Internet of Things technology;vehicle safety;environmental monitoring;prevention and control of escape;system;window breaker
0引言
随着我国城镇人口和出行车辆不断增加,据公安部统计,2021年中国机动车保有量高达3.95亿辆,平均每4个中国人里至少有一位拥车,当代交通运输的发展为人们带来便捷的同时,也带来了诸如车辆安全、司乘安全、交通事故等负面影响,虽然通过购买保险、加强道路交通规范等一系列经济、制度措施降低了车祸发生率,但总体事发数量依旧庞大。此外,随着人们生活水平的不断提高,以及现代汽车工业的快速发展,消费者们对汽车关注的焦点由汽车本身的动力性转向安全性。但纵观当代车辆安全市场,车载安全防控及紧急逃生设备依旧停留在基础的人为操作阶段,且主要为破窗锤、手动破窗器、车载灭火器等技术含量、自动化、智能化较低的产品,这在面临实际突发事故时很难有效保护司乘安全,基于此,本文将研究探讨一种依托于物联网技术,以破窗器为主要原型,搭配应用层软件,即时实现自动破窗、紧急逃生、环境监测和信息反馈与实时接收的这样一种车辆安全防控逃生系统(Vehicle Safety Prevention and Control Escape System)[1]。
而当前该技术的研发我们期望解决或减缓一些常见的、致使和诱发车辆事故的安全问题,主要表现在以下几个方面。
（1）在高温天气下,当室外温度超过20℃,密闭的车内温度只需半个小时,就可以从20℃上升至50℃；加之车内环境密闭,供氧不足,将严重影响司乘人员,尤其是儿童乘客的生命安全,而近年来诸如车内高温失火、儿童中暑昏迷的事件屡见不鲜。
（2）在极端情况下,车辆不慎落水后,仅需2min便会完全沉入水中,届时由于车内外所形成的水位压力差,加之当前很多车辆所配备的电动车窗在深水环境可能会面临设备短路或无法运行等问题,且身处极端环境下司乘人员的可能情绪波动较大,难以有效实施自救[2]。
（3）当车辆在行驶过程中处于封闭状态时会产生一氧化碳等有害气体,若此时车内有乘客吸烟会导致一氧化碳气体浓度上升。经研究表明,当CO浓度达到1170mg/m3(936ppm,接近1000ppm)时,吸入超过60min可使人发生昏迷,而当浓度达到11700mg/m3(10000ppm)时,数分钟内可使人致死,儿童可承受上限将更低[3]。
针对上述情况,现有相关的车辆安全问题研究中,大多停留在经济救济、制度规范及车辆本身技术架构上,缺乏通过应用信息技术、改进车载逃生设备,以及搭建车辆安全信息系统等研究,因此,为填补该领域的研究空白,本文将基于物联网技术,以破窗器为设备原型,对车辆安全防控逃生系统进行了设计研究。
1系统实现的功能
当前市场上常见的车载外带逃生设备主要以破窗锤、手动破窗器和便捷车载灭火器为主,均属于安装在封闭玻璃舱室内的应急辅助逃生装置。通常装配在车辆等封闭舱室内较易取得的地方。一旦车辆封闭舱室落入水中或引发火灾等突发性紧急情况下,可以方便取出并击碎封闭玻璃舱门以顺利逃生。但使用上述逃生设备一般需预留较大空间,且其自动化、智能化程度较低,面对环境复杂的紧急安全风险,其应用程度和所预期达到的逃生效果有限。
因此为弥补传统破窗器自动化、智能化程度低,以及难以应对多种情景风险等问题,我们通过查阅文献资料,整合现有相关技术信息,引用依靠内部动力结构完成破窗的基本技术原理,而为适应信息时代与5G时代的发展,在保留当前常见破窗器的基本原理后,结合现代信息技术,并基于物联网的开发思维,设计出一款集“智能化、自动化、信息化、系统化”为一体的新型物联网汽车智能安全破窗系统。且构想该产品可通过移动终端,联动其他智能设备,共同达到出行安全的有效保障,并推动出行安全由单一的车辆本身性能安全向全方位智慧化系统安全转变[4]。
为满足在多种情景下的逃生需求,我们加入温度传感器、水位传感器、烟雾传感器和一氧化碳传感器,并搭配应用终端软件,实现车内环境实时监测、反馈和智能判断、应急破窗等多情景安全防控功能。在实际操作过程中,整体设计是通过传感器监测感应、系统内部的电路控制进而达到自动化、智能化的应急目的,其次我们在保留了手动破窗的基础之上,可实现多种情况下的自动破窗以及远程遥控破窗等功能,大幅度提升了破窗的效率以及增强了不同情况下设备的适应性。
具体功能主要体现在以下几个方面：
（1）多种感应器结合,可以对不同事故环境的数据收集、判断及分析。
（2）在事故发生时,破窗器会发出警报提醒车内人员选择破窗模式是自动破窗还是人工介入破窗模式,人工介入破窗模式运用在这种情况：在事故发生较为紧急的情况下可以直接自动破窗。
（3）通过车辆搭载App可以远程监控,及时解决发现车辆异常情况。破窗器及手机搭乘App具有语音播报功能,在事故发生时引起人员的注意,进行破窗选择。
（4）依托物联网技术,实时获取、上传路况与环境信息；破窗器自带电源。在车辆电源断电时,可以使它的自带电源进行破窗。当事故发生造成路段拥堵时,在自动报警时的同时可以让地图公司（百度地图、腾讯地图、高德地图等公司）了解情况或发生事故发生位置,以此来实时改变路况信息,减少拥堵情况。
（5）对射红外传感技术,有效解决偏远地区事故情况传达困难、报警难等问题。
（6）车内环境监测、收集检测数据,当车内环境异常时通过手机搭乘的App进行通报且进行破窗[5]。
2硬件设计
在现有技术中（专利公告号CN207267484U）公布了一种智能机动车全自动破窗装置。包括按压式破窗器、控制电路和按压执行机构。该控制装置设置了烟雾探测单元、温度探测单元、浸水探测单元等多种探测单元,并设置了中央处理单元进行程序智能化处理及控制。上述现有技术虽然在一定程度上解决了自动化、智能化低的问题,但是其破窗方式依赖汽车本身的气源或电源,当汽车发生碰撞或者事故时,汽车的电源或气源可能完全被切断,进而导致上述装置无法正常启动,因此需要一种解决上述问题的全自动破窗装置[6]。如图1、图2所示：
该设备属于车辆应急安全破窗装置领域,包括安装架、汽车本体、车窗、螺母、尖端螺杆、多边形滑竿、超越离合器、蜗轮、蜗杆、自动驱动结构、摇把。本实用新型通过安装架安装于车窗上方边角处,当车辆发生事故火灾或者淹水时,自动驱动结构动作带动蜗杆转动,进而蜗杆转动带动蜗轮转动,蜗轮转动带动超越离合器转动,蜗轮转动时超越离合器为锁紧状态进而超越离合器带动多边形滑竿转动,多边形滑竿带动尖端螺杆转动,进而尖端螺杆在螺母作用下带动尖端螺杆和多边形滑竿整体向前运动,进而尖端螺杆挤压车窗边角并最终使得车窗结构被破坏而碎裂,进而起到破窗作用。
3设备实现说明
系统主控：系统采用Arduino Mega单片机作为主控制器。Arduino Mega是基于ATmega2560的Arduino开发板。它有54个数字输入/输出引脚（其中15个可用于PWM输出）、16个模拟输入引脚,4 UART接口,一个16MHz的晶体振荡器,一个USB接口,一个DC接口,一个ICSP接口,一个复位按钮。Arduino Mega具备多种通信接口,可以和计算机、其他Arduino或者其他控制器通信。
物联模块：使用ESP8266模块连接WiFi,实现系统与App的连接和通信。ESP8266是一款串口WiFi模块,内部集成MCU能实现单片机之间串口通信,把模块连接到开发板上,通过配置开发板串口便可以向ESP8366写入指令,配置模块不同的工作模式。控制ESP8266连接WiFi路由器,配置成TCP客户端模式,连接手机App的TCP服务器,并建立TCP连接。通过TCP连接,在手机App和Arduino主控制器之间收发数据,实现远程通信。
GPS模块：将GPS模块连接在Arduino上,并使用Arduino对采集来的GPS标准语言NMEA信息进行提取加工,得到最终的位置信息。使用1575R-A GPS模块,1575R-A是众多GPS天线中的一种,其工作频率为1575.42MHz,阻抗50欧姆,材质为陶瓷。GPS模块有四个引脚：VCC、RX、TX和GND。该模块使用TX和RX引脚通过串行通信与Arduino开发板进行通信,接线简单。
语音合成模块：语音合成模块Speech Synthesizer Bee采用的SYN6288中文语音合成芯片,SYN6288通过异步串口接收待合成的文本,实现文本到声音（TTS）的转换。
电源：18650锂电池,提供7.4V直流供电。充电宝提供5V直流电源。
直流升压模块：直流升压简而言之就是将电池所提供的较低的直流电压,提升至设备运行所需要的电压值。其基本工作原理为：高频振荡产生低压脉冲,脉冲变压器升压到预定电压值,脉冲整流获得高压直流电。主要优点有电路简单、低成本。缺点有转换效率较低、电池电压利用率低、输出功率小。输入7.4V电压,输出12V电压。
电子锁芯：通过电子锁芯模拟电子破窗器,当给电子锁芯提供12V电源时,锁芯工作,电磁线圈通电,吸引磁铁,打开锁芯。
PM2.5浓度传感器：其工作原理是根据光散射原理所开发,当一束平行的单色光入射到待测量的粒子场上时,它受到粒子周围的散射和吸收的影响,并且光强度衰减。使用SHARP GP2Y10型号的PM2.5传感器,可以检测直径大于0.8um的灰尘颗粒浓度。传感器接口如下所示：VCC-5V、GND-0V、AOUT-Analog、ILED-Digital。模拟输出PM2.5的浓度值,Arduino单片机通过模拟口读取电压,计算得出PM2.5的浓度值。
温湿度传感器：该传感器多以温湿一体式感应探头作为测温元件,通过对湿度及温度的信号采集,再经运算放大、稳压滤波、V/I转换、非线性校正、恒流及反向保护等元器内电路处理后,输出已转换为温湿度成线性关系的电流信号或电压信号。采用DHT11温湿度传感器。其精度湿度±5%RH,温度±2℃,量程湿度5～95%RH,温度-20～+60℃。数字串行输出DHT11温湿度数据,Arduino单片机通过数字口读取串行数据,计算得出温湿度数据。
蜂鸣器：蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器,采用直流电压供电,广泛应用于电子设备中作发声器件。根据驱动方式不同分为无源蜂鸣器和有源蜂鸣器。源指的是振荡源,这里我们使用有源蜂鸣器,直接将正负极分别接入数字IO和GND。
人体红外传感器：又署热释电传感器。压电陶瓷受到红外辐射而温度升高时,表面电荷将减少,相当于释放了一部分电荷,故称为热释电。将释放的电荷经放大器可转换为电压输出,当辐射继续作用于热释电元件,使其表面电荷达到平衡时,便不再释放电荷[7]。因此,热释电传感器不能探测恒定的红外辐射。Arduino单片机通过数字口读取电压数据,计算得出温湿度数据。
碰撞传感器：即微型快动开关,是一种由很小的物理力启动的电子开关。电子开关使用十分广泛,可应用于家电、机械、工业控制、运输工具以及很多其他电路控制领域。使用Grove-Collision Sensor碰撞传感器,可以检测碰撞和振动,当检测到时会输出一个低位脉冲信号。传感器有较高的灵敏度,可用于电源的唤起和休眠管理。它的工作电压是5V,可以和标准的Arduino 5V系统兼容。设置Arduino中断,检测数字口的低位脉冲信号,当接受到低位脉冲信号时,进入中断程序,进行碰撞后的电路控制操作。
水位传感器：是指能将被测点水位参量实时地转变为相应电量信号的仪器。当传感器上有水时,传感器的电阻阻值会发生变化,通过分压电路之后,模拟输出口的电压值也会随之变化,检测电压值可以反推水位的情况。水位传感器是通用三接口连线,一个VCC,一个GND,模拟输出端接入Arduino的任何一个模拟输入端口中。
CO传感器：使用MQ-2传感器模块。该模块在检测到一氧化碳气体影响或者一氧化碳气体浓度未超过所设定的浓度阀值时,数字接口DO口输出高电平,模拟接口A0电压基本为0V左右,当一氧化碳气体影响超过设定阈值时,模块数字接口D0输出低电平,模拟接口A0输出的电压会随着气体的影响慢慢增大[8]。灵敏度可调,通过电位器调节。工作电压5V使用前,供电至少预热2分钟以上,传感器稍微发烫属于正常现象。输出形式为（a模拟量电压输出。b数字开关量输出（0和1））。模块接口说明（4线制）（包含：1.VCC-5V工作电压。2.GND外接GND。3.DO数字开关输出接口（0和1）。4.AO模拟量输出接口）。
烟雾气敏传感器：同样使用MQ-2传感器,MQ-2传感器对一氧化碳可燃气、烟雾等气体灵敏度高,也可用于烟雾报警。数字量输出：通过板载电位器设定浓度阈值,当检测到环境气体浓度超过阈值时,通过数字引脚DO输出低电平。模拟量输出：浓度越高,AO引脚输出的电压值越高,通过ADC采集的模拟值越高。传感器通电后,需要预热20s左右,测量的数据才会稳定。
4工作单元的软件设计
本系统应用层终端软件平台的源程序分为主程序与嵌套子程序,主程序包含系统内功能的实现与执行。依靠设备内设的烟雾传感器、温湿传感器、CO2浓度传感器、CO浓度传感器、CH4浓度传感器进行环境感知与数据反馈,同时设有语音模块,当某个值过高时,以通过语音进行数值提醒,当监测数值超过系统设定的阈值时会启动报警系统,并实时上传车内情况,包括各气体数值和车内人员情况,若在所设计范围内无人回应,将自动破窗,第一时间确保司乘生命安全[9]。如图3所示。
本方案中所设计的程序采用Arduino编程语言来编写程序,为简化物联网构建移动和Web应用程序,方便操作者短时间内搭建物联网,利用Blynk物联网应用程序平台控制ESP8266控制器,再通过将信息接收地址设置为个人终端应用账号或电子邮箱完成系统的信息反馈闭环,为方便理解,这里只对主程序内容的基本代码公开展示,以供探讨研究[10]。
#define BLYNK_PRINT Serial
#define BLYNK_MAX_SENDBYTES 128#include<TimeLib.h>
#include<NtpClientLib.h>
#include<ESP8266WiFi.h>
#include<BlynkSimpleEsp8266.h>
volatilefloat T;
volatile int C;
volatile int V;volatile int P;volatile int S;//二氧化碳和tvoc//pm2.5
//烟雾
volatile int M;volatile int Y;volatile int W;volatile int I;String I_str;volatile int B;String B_str;String N;String E;volatile int K;//甲烷
//一氧化碳
//水位
//碰撞
//碰撞
//人体红外状态
volatile char re_date;//接收字符
String re_str;//接收字符串
volatile int hour_1;
…
volatile boolean time_tag;//时间标记
volatile int time_sum;//时间和
volatile int send_e;//发送至邮箱
volatile int send_state;//发送状态
volatile boolean lock_state;//锁状态
int8_t timeZone=8;//时区
…
BLYNK_WRITE(V20){//蜂鸣器按键
vpin_value=param.asInt();
Serial.print(vpin_value);}
BLYNK_WRITE(V21){//自动破窗按键
vpin_value=param.asInt();
…
BLYNK_WRITE(V22){//破窗
vpin_value=param.asInt();
Serial.print(vpin_value);}
BLYNK_WRITE(V23){//发送开关状态
…
Blynk.begin(auth,ssid,pass,IPAddress(116,62,49,166),8080);//连接到blynk}
void loop(){
Blynk.run();
digitalWrite(14,HIGH);//如果连接上网14引脚的led亮
…
if(17<String(re_str).length()){//数据解析
…
Blynk.virtualWrite(V7,Y);//发送到app
if(1==I){
I_str="无碰撞";
}else{
I_str="有碰撞";
if(1==send_state){
Blynk.email("xxx.com","请注意,汽车发生碰撞！",String(String("纬度：")+String(N))+String(String(“”)+String(String("经度:")+String(E))));}}
if(1==K){
…}
if(1==B){
…}
if((((W>300||T>30)||C>3000)||((S>7000||M>6000)||Y>500))&&B==1)
if(W>300){
Blynk.email("xxx.com","请注意,汽车进水！",String(String("纬度：")+String(N))+String(String("")+Stri ng(String("经度:")+String(E))));}
…
NTP.getTimeMinute();//获取时间}
}else{
time_tag=true;//时间标记,开始计时}}if(time_tag==false){
…
NTP.getTimeSecond();//获取之后的时间
time_sum=((hour_test-hour_1)*3600+(minute_ test-minute_1)*60)+(second_test-second_1);//计算时间和
if(20<time_sum&&lock_state){//大于20秒
Serial.print(5);//没有回复就破窗
time_tag=true;}}}
5结语
本设计的车辆智能安全防控逃生系统主要以破窗器为原型,通过系统内部的电路控制,在保留了势能破窗原理的基础之上,结合物联网技术,配合应用层软件实现多种情况下的自动破窗以及远程遥控破窗等功能,大幅度提升了紧急破窗逃生的效率以及增强了不同情况下设备应用的适应性。
增加了物联模块之后,可以通过WiFi网络建立整车局域安全系统,将车辆的其他安全防护检测设备与破窗器连接起来,实现将车辆安全防护系统有机的结合在一起,通过移动终端可以实时互联互通,互相收发数据,多方面联合判断车辆状况以及处理险情,能够大大提升车辆出行的安全性。并首创基于物联网的智慧化出行安全生态,推动汽车出行安全由单一的汽车本身性能安全向全方位智慧化出行生态的系统性安全转变,更加有效的保护司乘安全。
参考文献
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