摘要：为了避免因车内温度过高、有害气体浓度过高、氧气浓度不足而导致的伤亡事故发生，在车内设置传感器实时监测车内空气质量及是否有人或动物。控制器可根据保护策略分析判断，并控制执行器执行分级预警防护措施，在紧急情况下GPS快速定位车辆所在位置，并通过GSM模块发送报警短信，告知车辆位置信息，联系设置的紧急联系人，以便救援力量及时到达保护车内驾乘人员的生命安全。
关键词：车内空气质量远程监控物联网
0引言
据数据统计，截止2020年末全国民用汽车保有量约为28087万辆，可见人们与汽车之间的联系日益密切。但随之而来的问题是在车内狭小的空间中因车内温度过高、饰品材料释放出甲醛、苯系蒸汽等有害气体浓度超标、氧气不足或者汽油燃烧不完全产生的大量一氧化碳倒灌进入车内导致驾乘人员伤亡事故屡见不鲜，车内空气质量问题逐渐成为人们关注的热点话题。如何优化车内空气质量，提高驾乘人员的舒适性和安全性，最大程度上保障驾乘人员的生命安全等问题已经刻不容缓。不少研究学者也对车内空气问题进行了相关研究，王龙、杨晓宇等针对车内传统手持式甲醛检测存在的问题，设计了一种基于IOT模块的汽车车内甲醛气体实时监测系统，并可通过手机WIFI热点将数据传送至手机端以便读取检测数值[1]；郭云飞认为车内饰品释放甲醛，苯系蒸汽等有害气体浓度在空间狭小的车内很容易超标，提出基于AT89C52单片机的车内有害气体本地监测设计方案[2]；刁欣炜、黄冰逸等针对密闭车内可能存在的缺氧和汽油燃烧不完全产生的大量一氧化碳倒灌进入车内的情况，设置传感器实时监测车内二氧化碳和一氧化碳浓度，当超过安全阈值时蜂鸣器发声，GSM模块短信联系车主，以避免事故悲剧的发生[3]；王海燕利用传感器实现对车内空气质量信息采集，以PLC为核心控制单元，通过对汽车内外循环的自动控制以提供舒适安全的车内环境[4]；吴东盛、毛亮等研究者对儿童等弱势群体乘车可能存在的温度过高、缺氧等安全隐患问题进行分析，设计了车内温度、二氧化碳监控系统，在必要情况下开启通风透气，发送报警提示短信[5-6]；蔡晨认为目前市面上大部分汽车内的空气质量达不到国家安全标准，提出利用GSM模块实现数据远程传输，可通过智能手机完成远程监测车内空气质量[7]。以上研究都对车内存在的安全隐患问题进行了分析，但缺少对车内安全隐患的全面分析及有效的预警防护措施，本文采用多级预警保护方案有效保障驾乘人员生命安全。
1车内空气质量安全隐患分析
1.1车内温度过高
当外部气温达到30°C时，若汽车紧闭车窗，则经过半小时暴晒后车厢内的温度可达到46°C，一小时后就能升至56°C，驾乘人员滞留车内存在较大安全隐患。
1.2一氧化碳中毒
长时间紧闭车窗开启空调在车内休息时，因发动机怠速汽油燃烧不完全产生大量一氧化碳易倒灌进入车内，当车内一氧化碳浓度达到1000ppm时，容易导致一氧化碳中毒。
1.3车内氧气不足
驾乘人员（特别是老人和小孩）长时间待在封闭狭小的车内，易出现因缺氧而导致的心跳加速、胸闷、血压升高等不良反应，严重时会出现昏迷甚至窒息死亡。1.4甲醛、苯系蒸汽浓度过高长时间处于甲醛、苯系蒸汽浓度含量超标的密闭空间，容易引发白血病等相关疾病。
2系统总体设计方案
2.1系统组成
车内空气质量监测与防护系统组成如图1所示，其中包括控制器、传感器、蜂鸣器、车窗电机、鼓风机、内外循环电机、危险信号灯、汽车喇叭、GSM900A模块、GPS定位模块、DC-DC降压模块等，并通过Proteus软件对系统控制电路进行仿真设计。控制模块：根据传感器信号及驾乘人员是否采取措施分析判断车内情况，在必要时控制执行器执行分级预警防护措施。供电模块：通过DC-DC降压模块将车辆蓄电池12V电压降压成5V给系统各模块供电。传感器模块：实时检测车内空气温湿度、一氧化碳、甲醛、苯系蒸汽、氧气浓度及PM2.5数值。人体红外传感器探测车内是否有人或动物；甲醛浓度传感器检测车内甲醛浓度；氧气浓度传感器检测车内氧气浓度；一氧化碳传感器检测车内一氧化碳浓度；温湿度传感器检测车内温度和湿度；MQ135空气质量传感器检测车内氨气、硫化物、苯系蒸汽、烟雾和其它有害气体；PM2.5传感器（粉尘传感器）检测车内空气中的粉尘浓度，即PM2.5值大小。执行器模块：有源蜂鸣器根据控制器信号语音报警提示，其他执行模块均为汽车本身配备的电器，通过改造线路实现控制。GPS定位模块：在紧急情况下快速定位车辆位置，以便救援力量及时到达。GSM900A通讯模块：以短信形式将车辆位置信息发送至手机客户端或给用户设定的紧急联系人拨打电话，并将车内空气质量信息上传云平台及接收平台发送的控制指令，实现远程监控。
2.2系统工作流程分析
传感器实时检测车内温湿度、一氧化碳、氧气、甲醛、苯系蒸汽浓度、PM2.5数值大小信息，控制器采集传感器信号后，首先通过GSM模块将车内空气质量信息发送手机APP实现远程监控，然后判断车内是否有人或动物，车内无人或动物时，系统无需执行分级预警防护；当车内有人或动物时，控制器根据传感器检测信号及车内驾乘人员是否采取相应的措施分析判断，控制执行分级预警防护，具体流程如下页图2所示。
2.2.1一级安全防护响应
当车内温度、一氧化碳浓度、甲醛、苯系蒸汽浓度、氧气浓度、PM2.5数值不在设定的安全阈值范围内，系统自动发出语音报警提示，否则为安全状态。
2.2.2二级安全防护响应
在一级安全防护响应启动后，车内驾乘人员10分钟内未采取相应防护措施或采取措施后车内空气质量仍不达标，系统将控制车窗下降1/4，并开启鼓风机与空调外循环。
2.2.3三级安全防护响应
在二级安全防护响应后，系统判断车内驾乘人员仍处于危险状态，则自动启动三级防护措施，控制汽车喇叭发声、危险信号灯闪烁，GPS模块快速定位车辆所在位置，通过GSM模块发送短信或拨打电话告知设置的多位紧急联系人，以便救援力量及时到达。
3车内空气质量监测APP的开发
系统GPRS模块将车内空气质量信息实时上传点灯科技云平台，并接收平台传送的控制指令，APP界面开发采用平台无代码拖拽式方式设计，车主可通过手机APP监测车内温湿度、一氧化碳、氧气、甲醛、苯系蒸汽浓度等信息，并可实现远程控制车窗、鼓风机等电器设备以提前稀释有害气体浓度、降低车内温度。
4结束语
本文对车内因空气质量问题可能存在的安全隐患进行了全面分析，设计一款能够分级预警防护响应的车内空气监测与防护系统，实现对车内空气质量的全面监测，在必要时执行分级预警防护措施，并可实现远程监控。目前已在威驰车型上完成了产品的嵌入式设计，实验结果表明产品运行良好，能够有效保护驾乘人员的生命安全，具有重要实践意义。
作者：曹阳明 李苗 陆奇志 崔丹丹 潘飞 单位：无
