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一種兒童滯留安全警報(bào)裝置的研發(fā)

文檔作者：吳東盛陳潔球翁建紅馮南山陳芷衡文檔來源：廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年01月02日
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第55 卷 第12 期
Vol. 55 No. 12
2017 年12 月
December 2017
農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程
AGRICULTURAL EQUIPMENT &amp;amp; VEHICLE ENGINEERING
doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2017.12.015
一種兒童滯留安全警報(bào)裝置的研發(fā)
吳東盛，陳潔球，翁建紅，馮南山，陳芷衡
（510300 廣東省 廣州市 廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院）
[ 摘要] 為防止車內(nèi)滯留兒童因門窗、通風(fēng)系統(tǒng)關(guān)閉而導(dǎo)致缺氧窒息死亡的發(fā)生，研發(fā)具備兒童滯留識別、
報(bào)警及強(qiáng)制換氣功能的安全裝置。在車內(nèi)安裝人體熱釋電紅外線傳感器，當(dāng)車內(nèi)有發(fā)現(xiàn)滯留兒童，GPS/
GSM 求救模塊把求救信息和準(zhǔn)確地理位置發(fā)送給先前設(shè)定的用戶，啟動(dòng)原車警示燈，啟動(dòng)原車防盜發(fā)聲器、
原車鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行報(bào)警及通風(fēng)換氣，達(dá)到兒童滯留識別、報(bào)警及強(qiáng)制換氣功能的功能。
[ 關(guān)鍵詞] 車內(nèi)滯留兒童；識別；報(bào)警；強(qiáng)制換氣
[ 中圖分類號] U463.85+9 [ 文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [ 文章編號] 1673-3142(2017)12-0062-04
Research on Safety Warning Device for Trapped Children
Wu Dongsheng, Chen Jieqiu, Weng Jianhong, Feng Nanshan, Chen Zhiheng
(Guangdong Industry Technical College, Guangzhou City, Guangdong Province 510300, China)
[Abstract] It is important to prevent trapped children from suffering anoxia asphyxia in a car, which 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 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.
[Key words] trapped children; identification; warning; positive ventilation
0 引言
兒童車內(nèi)所面對的安全隱患一般可以分為
交通事故類和非交通事故類兩大類型。交通事
故類主要指：當(dāng)汽車發(fā)生交通事故的時(shí)候，由于
兒童沒有使用保護(hù)裝置或保護(hù)裝置使用不當(dāng)而
造成損傷。對于交通事故類的安全隱患，汽車
上配備了不少應(yīng)對措施并形成了強(qiáng)制性國家標(biāo)
準(zhǔn)——GB 27887-2011《機(jī)動(dòng)車兒童乘員用約束
系統(tǒng)》，這在一定程度上減緩了交通事故類安
全隱患對兒童所造成的傷害；非交通事故類主
要指兒童在車內(nèi)受到汽車交通事故以外的安全
隱患。以美國為例，美國Kids and Cars 組織對
2001~2010 年10 年內(nèi)美國兒童車內(nèi)非交通事故
傷害進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分類[1]，結(jié)果如圖1 所示。
兒童車內(nèi)非交通事故傷害大致可分為六大類，
其中，兒童車內(nèi)滯留熱窒息死亡占了58%，遠(yuǎn)
高于其他傷害類型。由此可見，兒童車內(nèi)滯留
所帶來的安全隱患不容忽視。然而，目前國內(nèi)
外在兒童車內(nèi)滯留熱窒息死亡方面只有少量的
研究，而且沒有能推廣到市場的產(chǎn)品，所以迫
切需要研發(fā)兒童滯留安全警報(bào)裝置。
1 兒童滯留的安全隱患分析
1.1 車內(nèi)熱傷害
國外實(shí)驗(yàn)表明， 當(dāng)車外溫度達(dá)到31 ℃
時(shí)，密封汽車車內(nèi)的溫度會在10 min 內(nèi)上升到
40~45℃，55 min 就會達(dá)到55℃，如圖2 所示[2]。
當(dāng)兒童被滯留在車內(nèi)時(shí)，過高的溫度會引起兒童
身體水分散失和鹽分損失加快，從而導(dǎo)致中暑并
可能引發(fā)熱射病、熱虛脫等癥狀。當(dāng)兒童體溫達(dá)
收稿日期 : 2017-03-24 修回日期 : 2017-03-31 到 42℃的時(shí)候，兒童就有極大的死亡可能[3]。
圖1 美國兒童車內(nèi)非交通事故傷害類型
Fig.1 The United States children's non-traffic
accident damage type in the car
①車內(nèi)滯留熱窒息死亡(58%)
②兒童意外發(fā)動(dòng)汽車死亡(19%)
③電動(dòng)車窗卡住死亡(5%)
④從車內(nèi)跌落死亡(5%)
⑤車輛起火(3%)
⑥其他(10%)
①
②
③
④ ⑤ ⑥
萬方數(shù)據(jù)
第55卷第12期 63
1.2 車內(nèi)空氣污染傷害
車內(nèi)的空氣污染主要來源于車內(nèi)的材料、零
部件、乘坐人員和汽車排放物等。車內(nèi)主要的有
害氣體有CO、CO2、氮氧化合物和甲醛等。
CO是汽油在發(fā)動(dòng)機(jī)不完全燃燒的產(chǎn)物之一。
當(dāng)人們吸入CO 后，它就會隨肺泡進(jìn)入血液當(dāng)中，
并形成碳氧血紅蛋白（HbCO），使得血紅蛋白
喪失攜氧的能力和作用，從而引起惡心、頭痛、
頭暈、昏迷、痙攣甚至死亡[4]。
CO2 在低濃度時(shí)屬于人體呼吸的中樞興奮
劑，屬于正常人體生理所必需，在高濃度時(shí)能抑
制人體呼吸中樞，嚴(yán)重時(shí)還有麻痹作用。試驗(yàn)顯
示，一輛普通的48 座客車處于滿員且封閉的狀
態(tài)下，數(shù)分鐘后CO2 濃度就會超過0.1% 的限量
值[5]?？諝庵蠧O2 濃度的不同對人體產(chǎn)生的影響
也不同，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到25%~30% 時(shí)人會消失
呼吸、喪失感覺并在幾小時(shí)后死亡。所以，將
CO2 濃度維持在<0.1% 的限量值是很有必要的。
氮和氧的多種化合物總稱為氮氧化物，如：
NO、NO2 等。NO 是無色、無刺激性氣味的氣體，
而NO2 則是褐色有特殊臭味的氣體，其毒性是
NO 的4~5 倍。氮氧化物能夠深入支氣管和肺泡，
并形成亞硝酸和硝酸，進(jìn)而給肺泡產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺
激和腐蝕。亞硝酸同時(shí)在血液中與血紅蛋白結(jié)合
產(chǎn)生高鐵血紅蛋白，這使得人體組織缺氧，并損
害人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)[4]。
甲醛是一種無色、有強(qiáng)烈刺激性氣味的致癌
致畸的物質(zhì)，對人的影響主要有刺激、毒害及致
癌作用。兒童和孕婦對甲醛更敏感，當(dāng)車內(nèi)甲醛
濃度到達(dá)70 μg/m3 的時(shí)候，兒童就會發(fā)生氣喘[6]。
2 兒童滯留安全警報(bào)裝置的研發(fā)目的
當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)熄火、空調(diào)停止工作后，停駐
在戶外的汽車易受到太陽暴曬，車內(nèi)溫度劇增，
產(chǎn)生“駐車高溫”現(xiàn)象。不僅加劇車內(nèi)零部件老化，
而且車內(nèi)有害物質(zhì)濃度增加，嚴(yán)重影響車輛舒適
性。此時(shí)，沒有自救能力的滯留兒童，將會面臨
熱傷害和空氣污染傷害（窒息、中毒或者高溫中
暑）。即便及時(shí)獲救，生理和心理上也會受到影響。
本裝置具有自動(dòng)檢測車內(nèi)滯留兒童、自動(dòng)報(bào)警及
降溫?fù)Q氣的功能，極大降低車內(nèi)滯留兒童安全事
故的發(fā)生，提高停駐車輛的安全性與舒適性。
3 兒童滯留安全警報(bào)裝置的電路設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)的組成
該裝置由三大系統(tǒng)組成，分別是太陽能供電
系統(tǒng)、兒童滯留預(yù)警系統(tǒng)和駐車降溫?fù)Q氣系統(tǒng)。
（1）太陽能供電系統(tǒng)
太陽能供電系統(tǒng)主要由太陽能電池組（太陽
能板，如圖3 所示）、光伏控制器、蓄電池等組成。
其作用主要是通過太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電
能，并將電能傳到蓄電池儲存起來，這樣不但避
免了兒童滯留安全警報(bào)裝置因用電過度而導(dǎo)致汽
車啟動(dòng)時(shí)因蓄電池電量不足無法啟動(dòng)汽車的事情
發(fā)生，而且可以在一定程度上延長蓄電池的壽命。
當(dāng)蓄電池電壓低于11 V 的時(shí)候，光伏控制器和
功能控制器就會發(fā)出指令，使得太陽能電池給蓄
電池進(jìn)行充電。
（2）警報(bào)系統(tǒng)
警報(bào)系統(tǒng)的主要功用是在車輛熄火并車門
上鎖后檢測車內(nèi)是否有滯留兒童。當(dāng)傳感器檢測
到車輛熄火并車門上鎖后就會自行啟動(dòng)，這樣就
能避免因忘記開啟而導(dǎo)致事故發(fā)生的可能。系統(tǒng)
啟動(dòng)后，溫度傳感器和人體熱釋電紅外線傳感器
就會開始工作，并檢測車內(nèi)是否有滯留兒童。如
果車內(nèi)沒有滯留兒童，警報(bào)系統(tǒng)就會自行關(guān)閉；
如果車內(nèi)有兒童滯留，傳感器就會發(fā)送信號給
ECU，ECU 處理完信號后就會發(fā)送執(zhí)行信號給執(zhí)
行裝置。此時(shí)，GPS/GSM 求救模塊會把求救信息
和準(zhǔn)確的地理位置發(fā)送給先前設(shè)定的用戶，原車
圖3 太陽能電池組
Fig.3 Solar Cell
圖2 車內(nèi)溫度變化測試結(jié)果
Fig.2 Test results of temperature change inside the car
車內(nèi)溫度/℃
時(shí)間/min
60
55
50
45
40
35
30
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 56 0
吳東盛 等：一種兒童滯留安全警報(bào)裝置的研發(fā)
萬方數(shù)據(jù)
64 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程 2017 年
警示燈和原車防盜發(fā)聲器啟動(dòng)，原車鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行
通風(fēng)。報(bào)警系統(tǒng)既有被動(dòng)求救功能，也有主動(dòng)救
援功能，大大提高了工作的穩(wěn)定性和可靠性，而
且該執(zhí)行裝置的執(zhí)行單元基本為原車的部件，不
需要對原車電路進(jìn)行改裝。
（3）駐車降溫?fù)Q氣系統(tǒng)
該系統(tǒng)由三大部分組成，分別是電池保護(hù)控
制板、CO2 及溫度檢測儀控制部分（圖4（a））
和執(zhí)行器。電池保護(hù)控制板能使蓄電池電壓低于
11 V 的時(shí)候切斷蓄電池對裝置設(shè)備的供電，起到
保護(hù)蓄電池不損壞、不影響汽車正常啟動(dòng)的作用。
CO2 及溫度檢測儀控制部分是最核心的部分，它
能控制鼓風(fēng)機(jī)的工作模式，其主要由單片機(jī)（圖
4（b））、CO2 檢測儀（圖4（c））、繼電器（圖
4（d））、溫度傳感器（圖4（e））和總開關(guān)（圖
4（f））組成。執(zhí)行器就是汽車本身的鼓風(fēng)機(jī)。
3.2 系統(tǒng)的工作原理
3.2.1 駐車降溫?fù)Q氣系統(tǒng)工作原理
在一般情況下，太陽能供電系統(tǒng)會給兒童滯
留安全警報(bào)裝置供電，電池保護(hù)控制板連接蓄電
池并檢測蓄電池的電量。當(dāng)蓄電池電壓低于11 V
的時(shí)候，控制板就會切斷CO2 檢查儀和整套設(shè)備
以及車上其它設(shè)備用電。當(dāng)電壓充足的時(shí)候，控
制板輸出電流，電流經(jīng)過變壓器轉(zhuǎn)化為5 V 電壓
并輸出給CO2 及溫度檢測儀的核心控制部分?？?
制部分由單片機(jī)、CO2 檢測儀、執(zhí)行器以及控制
開關(guān)四部分組成，主要負(fù)責(zé)的是檢測車內(nèi)CO2 的
濃度和車內(nèi)溫度。顯示屏上有兩排參數(shù)，第1 排
是實(shí)際參數(shù)、第2 排是標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。實(shí)際參數(shù)是指
CO2 檢測儀所檢測到的當(dāng)前車內(nèi)實(shí)際的CO2 量。
標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)是設(shè)定的數(shù)值，標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)可通過按鈕調(diào)
節(jié)。如果實(shí)際參數(shù)大于標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，那么執(zhí)行器就
會發(fā)出工作指令；如果實(shí)際參數(shù)小于標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，
那么執(zhí)行器就停止發(fā)出指令。如車內(nèi)的CO2 量沒
有超出標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，但是車內(nèi)的環(huán)境溫度超出標(biāo)準(zhǔn)
參數(shù)，那么這套系統(tǒng)也會工作，而且溫度的標(biāo)準(zhǔn)
參數(shù)也是可通過按鈕調(diào)節(jié)的。
當(dāng)實(shí)際參數(shù)低于標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的時(shí)候，檢測儀的
耗電量是極低的。因?yàn)檫@套系統(tǒng)用電量小，它的
工作電流大約為0.01 A，再加上有太陽能供電系
統(tǒng)供電，所以蓄電池足以支撐長時(shí)間的工作而不
會影響到車內(nèi)其它系統(tǒng)的正常工作。
當(dāng)工作信號傳到執(zhí)行器后，它就會控制車內(nèi)
的鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行內(nèi)循環(huán)或外循環(huán)，又或者控制鼓風(fēng)
機(jī)工作或不工作。因而設(shè)備主要是要求降低車內(nèi)
CO2 濃度和車內(nèi)溫度，所以執(zhí)行器會強(qiáng)制車輛進(jìn)
行外循環(huán)工作，即外面的空氣通過鼓風(fēng)機(jī)補(bǔ)充新
的空氣進(jìn)入車內(nèi)，新鮮空氣的補(bǔ)充會使得車內(nèi)二
氧化碳的濃度和溫度降低。同時(shí)，檢測儀的實(shí)際
參數(shù)也會隨之下降，當(dāng)實(shí)際參數(shù)下降到低于標(biāo)準(zhǔn)
參數(shù)的時(shí)候，這套設(shè)備又會停止工作。
以上是汽車處于駐車狀態(tài)時(shí)的工作原理。當(dāng)
汽車處于行駛狀態(tài)而且原車系統(tǒng)啟用了內(nèi)循環(huán)模
式的時(shí)候，如果車內(nèi)CO2 濃度的實(shí)際參數(shù)低于
標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，則汽車處于內(nèi)循環(huán)模式，但當(dāng)車內(nèi)的
CO2 濃度的實(shí)際參數(shù)高于標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，裝置就會介
入工作并強(qiáng)制停止原車系統(tǒng)工作的進(jìn)行，打開風(fēng)
門，強(qiáng)制進(jìn)入外循環(huán)模式。當(dāng)CO2 濃度的實(shí)際參
數(shù)又低于標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)后，裝置退出介入，恢復(fù)原車
系統(tǒng)的工作模式。圖5 為駐車降溫?fù)Q氣系統(tǒng)工作
原理圖。
（d） （e） （f）
圖4 降溫?fù)Q氣系統(tǒng)的組成
Fig.4 Composition of cooling and ventilating system
（a）CO2 和溫度檢測儀 控制部分 （b）單片機(jī)
（c）CO2 檢測儀 （d） 繼電器 （e）溫度傳感器
（f）總開關(guān)（CO2 和溫度檢測儀控制部分）
（a） （b） （c）
圖5 降溫?fù)Q氣系統(tǒng)工作原理圖
Fig.5 Schematic diagram of cooling and ventilation system
蓄電池電池保護(hù)控制板
檢測儀控制模板
鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行外循環(huán)
電壓
<11 V?
實(shí)際參數(shù)
大于標(biāo)準(zhǔn)
參數(shù)?
斷電
5 V 變壓器
是
否
是
否
發(fā)出工作指令
CO2
檢測儀
溫度傳感器
停止發(fā)出指令
反饋信號 輸出電流 反饋信號
萬方數(shù)據(jù)
第55卷第12期 吳東盛 等：一種兒童滯留安全警報(bào)裝置的研發(fā) 65
3.2.2 警報(bào)系統(tǒng)工作原理
當(dāng)車輛熄火并車門上鎖后警報(bào)系統(tǒng)就會自行
啟動(dòng)，人體熱釋電紅外線傳感器開始工作，傳感
器檢測后，把信號輸送給中央處理器ECU，ECU
對傳感器傳來的信息進(jìn)行分析處理。若無兒童滯
留，預(yù)警系統(tǒng)自行停止工作；若有兒童滯留車內(nèi)，
ECU 把執(zhí)行信號傳給執(zhí)行裝置，執(zhí)行裝置開始工
作，此時(shí)GPS/GSM 求救模塊會把求救信息和準(zhǔn)
確地理位置發(fā)送給先前設(shè)定的用戶，并啟動(dòng)原車
警示燈和防盜發(fā)聲器向周圍求救，啟動(dòng)原車鼓風(fēng)
機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，以便降低車內(nèi)CO2 濃度和車內(nèi)溫度。
圖6 為警報(bào)系統(tǒng)工作原理圖。
4 兒童滯留安全警報(bào)裝置的優(yōu)點(diǎn)及推廣前景
4.1 兒童滯留安全警報(bào)裝置有以下幾大優(yōu)點(diǎn)：
（1）安裝快捷、簡便、成本低；兒童滯留
安全警報(bào)裝置中多數(shù)部件是原車系統(tǒng)部件，要添
加的部件也是相對小巧的，所以這在一定程度上
降低了裝置的成本，使消費(fèi)者更能接受，同時(shí)減
免了安裝時(shí)線路排布的麻煩，最大化減少要增加
的整車重量。
（2）節(jié)能環(huán)保；兒童滯留安全警報(bào)裝置的
核心部分工作用電大約為0.01 A，蓄電池足以支
撐長時(shí)間工作，而且裝置本身設(shè)有太陽能供電系
統(tǒng)，必要時(shí)還能為蓄電池充電，整個(gè)過程沒用一
滴油，既節(jié)能又綠色環(huán)保、
（3）靈活應(yīng)變；兒童滯留安全警報(bào)裝置的
標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)是可調(diào)節(jié)的，滿足了駕駛者的各種情況
的需要。
（4）智能控制；裝置本身智能化、自動(dòng)化
工作，如警報(bào)系統(tǒng)在汽車熄火上鎖后自動(dòng)開始工
作，駐車降溫?fù)Q氣系統(tǒng)在汽車行駛時(shí)亦可以強(qiáng)制
介入工作，大大地減少了人為因素而造成的失誤。
4.2 推廣前景
隨著二孩政策的開放，人們生活水平的提高，
既有車又有孩子的家庭不斷增加，這在一定程度
上擴(kuò)大了兒童滯留安全警報(bào)裝置的市場。與此同
時(shí)，年輕一代的車主們對高科技產(chǎn)品的喜愛和對
子女的呵護(hù)，更是擴(kuò)大了潛在市場的規(guī)模。兒童
滯留安全警報(bào)裝置由于其作用的廣泛性，不僅可
以運(yùn)用在家用轎車上，還可以運(yùn)用在校車和客車
上，這在一定程度上減少了校車安全事故的發(fā)生，
同時(shí)加大了乘車的舒適性。
目前，與兒童滯留安全警報(bào)裝置相似的研究
多數(shù)停留在設(shè)計(jì)層面，能夠制出成品并可以廣泛
推廣的寥寥無幾，故它的應(yīng)用價(jià)值和成果的推廣
前景較為可觀。
5 結(jié)論
兒童滯留安全警報(bào)裝置通過太陽能電池板為
裝置供電，ECU 通過CO2 檢測儀、溫度傳感器和
人體熱釋電紅外線傳感器所傳送的信號來判斷是
否進(jìn)行工作。具有不改變汽車原有設(shè)備，只多添
加太陽能電池板和檢測模塊，就可以實(shí)現(xiàn)降低車
內(nèi)熱傷害和車內(nèi)空氣污染傷害、車內(nèi)滯留兒童預(yù)
警三大功能。本發(fā)明設(shè)計(jì)具有智能、便捷、節(jié)能、
清潔、工作穩(wěn)定可靠、安裝方便等優(yōu)勢，安裝成
本較低、在車主可接受范圍內(nèi)。若能像ABS 系
統(tǒng)一樣成為汽車強(qiáng)制裝配的系統(tǒng)，那么將會大大
減少兒童滯留安全事故的發(fā)生，也提高了乘車舒
適性。
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[6] 劉鑫民. 車內(nèi)污染物的分析評價(jià)及凈化研究[D]. 哈爾濱: 哈
爾濱工業(yè)大學(xué),2015.
作者簡介 吳東盛（1980— ）, 男, 東開平人，講師、研究生/ 工
學(xué)碩士。主要研究方向：汽車電子控制技術(shù)、汽車節(jié)能排放技術(shù)。
E-mail: 84420386@qq.com
圖6 警報(bào)系統(tǒng)工作原理圖
Fig.6 Schematic diagram of alarm system
蓄電池傳感器
人體熱釋電紅外線傳感器工作
GPS/GSM 求救模塊發(fā)送求救信息給指定用戶
啟動(dòng)原車警示燈和防盜發(fā)聲器進(jìn)行求救
啟動(dòng)原車鼓風(fēng)機(jī)來降低CO2 濃度和溫度
是否上鎖
熄火?
有無人?
停止工作
是
否
有
無
發(fā)出工作指令
停止工作
萬方數(shù)據(jù)

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