基于毫米波雷达的车内儿童检测系统的研究

方育凯，史灿宇，林瑾

（广东东软学院 计算机学院，广东 佛山 528225）

汽车作为主要的运输手段和交通工具，已成为当今社会生活中不可缺少的工具。随着经济的发展，公路交通运输量日益增大，汽车保有量也不断增加，据相关部门的数据统计，截至2022年3月底，全国机动车保有量突破4亿辆，其中有3.07亿辆为汽车，占机动车总量的76.37%；而机动车驾驶人数量增加至4.87亿人，其中有4.50亿人为汽车驾驶人，占驾驶人总数的92.33%。其速度呈高速增长态势。

汽车在给人类社会提供了极大的便利，但同时也引发了一系列的问题。据不完全统计，每年夏天，全世界都会有数百个儿童因为各种原因被锁在车里从而致死。这其中的原因不仅有家长的疏忽，更多的是儿童没有求生的意识更没有求救的能力，因此儿童被误锁在汽车致死事件引起了很大的关注。由公安部道路交通安全研究中心赵文松等人对2017年的35起儿童被遗忘车内造成的事故的分析，我们可以知道被困儿童年龄大多数分布在3～5岁，在整个统计事故案例的占比为81%。在这35起案例中，有17起是由于家长的粗心而将儿童遗忘在么家车内造成伤害，另外18起事故是由于儿童被遗忘校车内引发。但在这17起么家车事故中，有7起是造成死亡的事故，占案例的41%；而校车事故中，出现的案例均为死亡事故，死亡率为100%。由此我们可以得知当儿童被困时，所面临的情况是多么危险。目前市面上的汽车保护措施更多的是车辆碰撞等方面的保护措施，针对儿童被困车内的情况，目前车内的保护措施似乎并不能发挥太大的作用。

本文针对目前汽车保护措施存在的不足方面提出了一种基于毫米波雷达的车内儿童检测系统装置，可以在一定程度上解决儿童滞留车内的安全问题。同时配备一氧化碳检测装置。使得车内保护措施更加完善。该系统由77 GHz毫米波雷达、一氧化碳传感器、ESP8266联网模块、语音模块、STM32芯片组成。能够实现当汽车熄火过后，及时对车内是否存在滞留人员进行检测。以及车内一氧化碳浓度的检测。并将采集到的数据上传到云端。从而确保滞留车内的人员能够及时获救，保障了人们的生命安全。

本装置是多功能安全事故警报装置，集成了车内人员滞留检测、一氧化碳超标警报等功能。该系统主要包括车辆行进等信息的收集装置、检测装置、中央处理器、交互装置、控制装置五个部分。其中车辆信息的收集，是通过汽车OBD接口来获取车辆的情况，OBD接口能够检测汽车运行过程中的发动机电控系统以及车辆的其他功能模块的工作状况。检测装置是由毫米波雷达和一氧化碳浓度传感器组成的，毫米波雷达能够检测车内人员的呼吸、体动（心跳）等细微的生命体征信号。一氧化碳浓度传感器能够对车内的一氧化碳浓度进行检测。中央处理器使用的芯片是STM32，根据传感器收集的信息，发送相关的指令，控制语音模块和车内的控制系统的运行，以及联网模块的数据传输。交互装置是语音模块和ESP8266联网模块组成，语音模块能及时发出语音提醒，ESP8266联网模块能够将车内检测的相关数据上传到云端与用户APP中，同时接收用户在云端发送的命令。控制装置是通风系统与灯光系统组成。当有人被困车内时，STM32会根据人员被困的时间，控制汽车打开空调的外循环模式，并打开汽车的危险报警灯。其硬件之间联系设计如图1所示。

图1 硬件款式图

以下为系统工作原理：

（1）当汽车熄火且车门关闭时，毫米波雷达开始检测，当检测到车内存在生命体征时，中央处理器STM32判断车上存在人员滞留，则执行儿童滞留解救指令，使车上的通风系统进行工作。当雷达持续较长时间检测到车内存在生命体征或滞留人员心跳呼吸异常时，中央处理器STM32发送指令，打开车上危险报警灯并且通过ESP8266联网发送求救信息给车主和设置的紧急联系人。从而达到向附近行人求救、保障被困人员安全和及时通知车主的作用。

（2）当汽车熄火并且为外部解锁时，雷达会在五分钟后进行工作，此时可手动停止雷达计时，即关闭雷达检测，防止车主因等人等情况导致的雷达错误启动的情况出现；若未手动关闭雷达检测，则五分钟后，雷达开始检测，若检测到生命体，则触发儿童解救系统，防止小孩子因偷偷爬进车内玩耍而造成的事故发生。

（3）当车内存在人员时一氧化碳模块进行工作，一旦检测到一氧化碳浓度超过国家规定的车间空气中CO最高容许浓度为30 mg/m就触发危险解救警报，此时汽车的通风系统开始工作，汽车内的空调执行外循环模式。语言模块发出“一氧化碳浓度存在超标的危险”等语句进行提醒，并且通过ESP8266联网模块将车内的将测情况上传至云端与用户APP中，防止车内人员因一氧化碳中毒。系统执行框架如图2所示。

图2 系统执行框架

以下为传感器采集原理：

（1）毫米波雷达检测呼吸、心跳原理：毫米波雷达具有远距离检测，对微小运动敏感和距离分辨率高等优点。本系统根据利用呼吸和心跳等人体活动会引起胸腔的起伏，进而引起雷达与被测人体之间的径向距离的变化。通过测量该径向距离的变化，可检测到人体呼吸心跳等信号。

振动位移：

其中，（）=x（）+x（），分别为呼吸和心跳引起胸腔振动。

（2）一氧化碳浓度检测传感器：由过滤器、电极、电解液、透气膜、壳体、电极引出线等部分组成，并采用密闭结构设计的一氧化碳气体传感器。

如果一氧化碳从透气膜扩散到气体传感器的工作电极，工作电极的催化作用将导致氧化反应，化学方程式为：

CO+HO→CO+2H+2e

电子和产生的氢离子通过电解液转移到对电极，然后与水分子中的氧进行反应，化学方程式为：

于是，根据氧化-还原可逆反应可得化学方程式为：

2CO+O→2CO

该氧化—还原的反应始终发生在工作电极和大电极之间，电极之间发生电位差。

当加大电压后气体的反应速率不再增加时，此时对应的电流为极限电流，被测体积分数与极限电流存在以下关系：

其中，为极限电流；为气体扩散系数C为待测气体浓度；是用来扩散气体的孔位面积；为扩散气体孔位面积的有效长度；为反应物的离子或者分子反应时所产生的电子；为法拉第常数。通过计算值便可得出一氧化碳体积分数。

ESP8266的模块芯片是基于无线通信协议的UART-Wi-Fi透传模块芯片，支持802.11b/0g/n的无线标准，并带有三种可选择的工作模式。ESP8266模块的控制是通过AT指令的形式控制，例如选择Wi-Fi的应用模式，列出、加入、退出接入点，创建TCP/UDP连接、获得状态、发送数据等操作。

ATK-ESP8266模块支持STA、AP、STA+AP三种工作模式。

（1）STA模式：ESP8266模块通过路由器连接互联网，手机或电脑通过互联网实现对设备的远程控制。

（2）AP模式：默认模式ATK_ESP8266模块作为热点，实现手机或电脑直接与模块通信，实现局域网无线控制。

（3）STA+AP模式：两种模式的共存模式，（STA模式）即可以通过路由器连接到互联网，并通过互联网控制设备；（AP模式）也可作为Wi-Fi热点，其他Wi-Fi设备连接到模块。这样实现局域网和广域网的无缝切换，方便操作。

首先将机智云研发的GAgent固件烧入到ESP8266模块中，此时ESP8266具备联网功能。GAgent主要的作用是数据转发，是设备数据、机智云、应用端（APP）的数据交互桥梁。通过在ESP8266烧入GAgent固件能够实现系统的数据与机智云互联互通。GAgent功能示意图如图3所示。

图3 GAgent功能示意图

当系统开始工作时，设备的ESP8266Wi-Fi模块进行联网，并与云端进行通信。用户可使用手机连接同一网络，登录机智云APP进行查找设备，并查看设备显示的车内人员的检测情况。当系统运行时，可以通过ESP8266Wi-Fi模块接收用户发送的控制命令，然后通过USART串口通信发送到STM32上，STM32更新数据库和做出相应的处理后，再发送控制指令到相对应的模块上。系统模块根据STM32的指令进行相对应的工作。在系统运行过程中STM32对数据进行相应的逻辑处理后再发送到云端或临时保存起来。当用户与设备不处于同一网络下时，用户可登录机智云后台查看设备交互数据，了解当前车内的系统所收集到的数据。及时根据传感器的数据，做出相对应的措施。

FMCW雷达根据回波信号与发射信号的差频信号来求距离和速度的，由于差频信号频率较低，一般为kHz，因此硬件处理相对简单、适合数据采集并进行数字信号处理。

FMCW雷达收发同时，理论上不存在脉冲雷达所存在的测距盲区，并且发射信号的平均功率等于峰值功率，因此只需要小功率的器件，从而降低了被截获干扰的概率。

FMCW雷达具有容易实现、结构相对简单、体积小、重量轻以及成本低。

FMCW雷达能分辨来自不同范围的反射信号，可以用于多目标生命信号检测，与CW雷达相比，FMCW雷达的回波信号不会发生在多个放射器上，降低了由于多径衰落产生的信号能量损耗。

我国汽车行业的车内保护机制对儿童的保护措施较少。本文设计的系统利用了毫米波雷达可以在较远距离上精准地探测到人体的呼吸、体动（心跳）等细微的生命体征信号，可以非接触地检测和测量人体的呼吸速率、心率等信息。可以在车辆熄火时，准确判断是否存在滞留人员，进而保障滞留人员的安全。同时配备了一氧化碳检测功能，能够更加完善汽车的保护机制。该系统由于雷达在检测时并不会存在盲区。系统硬件安装占用的空间较小，不需要对现有车辆进行过多改造，能够满足在各种车型进行安装。倘若汽车上都安装该系统能够在一定程度上减少儿童被困车内的概率，避免儿童被困车内而致死的事件的发生。