一种监测车内氧浓度的汽车空气安全装置的制作方法

本发明涉及一种车内氧浓度监测装置，特别涉及一种监测车内氧浓度的汽车空气安全装置，属于汽车安全部件技术领域。

背景技术：

随着汽车工业的高速发展，汽车作为普通交通工具走入了越来越多的家庭。但是最近几年来接连发生了多起成年人和儿童在汽车车内休息时窒息死亡事件。其主要原因是人在密闭的车内休息时，由于车内空气没有流通，氧气得不到补充，随着人体呼出的二氧化碳增多，车内氧气浓度会逐渐低于人体生存正常值，空气氧气浓度低于21％，会出现胸闷等情况，低于17％会直接导致大脑缺氧，如果车内氧气浓度继续下降，最终危及车内人员的生命安全。同时也存在婴幼儿被误锁在车内窒息死亡的情况。为了避免以上问题的发生，需要一种车内氧浓度监测报警装置，针对氧浓度信号存在非线性、随机性和易受干扰，难以准确测量的问题，能够准确测量车内氧气浓度，通过控制打开汽车车窗以加快车内空气流通，通过发出报警声提醒车内可能存在人员缺氧窒息的情况。

综合来看，现有技术主要存在以下几点缺陷：一是现有技术的汽车没有监测车内氧浓度的安全装置，当人在密闭的车内休息时，由于车内空气没有流通，氧气得不到补充，随着人体呼出的二氧化碳增多，车内氧气浓度会逐渐低于人体生存正常值，最终危及车内人员的生命安全，存在严重的安全隐患；二是当车主锁车长时间离开车后，由于车内氧气含量降低，有可能将小孩或者宠物遗忘在车内，遗忘在车内的小孩或者宠物可能发生窒息危险；三是当车主锁车长时间离开车后，车内的氧气浓度和空气温度可能发生明显变化，当车主再次打开车门突然上车时，由于车内空气长时间不流通，空气质量差、氧气含量低，可能危害进入车内的人员的健康，也给驾驶安全带来隐患；四是现有技术的普通氧气浓度测试装置由于稳定性和精度不高，受环境影响较大，测试速度慢，成本较高、使用不够方便，也不适合车内氧浓度监测，特别是氧浓度的测试受到温度的影响较大，导致现有技术的氧浓度监测器精度很差，而人体对于氧浓度又较为敏感，当氧浓度低于17％会直接导致大脑缺氧，甚至会出现生命危险。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供的一种监测车内氧浓度的汽车空气安全装置，克服了氧浓度信号存在非线性、随机性和易受干扰，难以准确测量的问题，能够准确测量车内氧气浓度，首先采用人体热红外探测仪检测车内是否有人员存在，然后再通过氧浓度监测器实时检测车内空气中氧浓度，一旦出现低于正常值，安全报警器发出高音报警，安全控制器输出驱动信号至汽车车窗的步进电机，控制打开所有汽车车窗至不超过5厘米，使得外界新鲜空气进入车内，保证车内人员的生命安全。安全控制器在氧浓度信号值低于预设阈值且车内无人且有开门动作信号时生成警报信号，安全报警器接收所述警报信号后发出报警声。解决了当车主锁车长时间离开车后，车内的氧气浓度和空气温度可能发生明显变化，当车主再次打开车门突然上车时，由于车内空气长时间不流通，空气质量差、氧气含量低，危害进入车内的人员健康的问题。

为达到以上技术效果，本发明所采用的技术方案如下：

一种监测车内氧浓度的汽车空气安全装置，包括氧浓度监测器、人体热红外探测仪、安全控制器、安全报警器、汽车车窗、数值显示器、车门传感器和汽车电源，氧浓度监测器通过导线连接至安全控制器的电信号输入端，安全报警器、汽车车窗、数值显示器分别通过导线连接至安全控制器的信号输出端，安全控制器通过导线与汽车电源连接并由汽车电源供电，氧浓度监测器包括监测气箱、超声波发射器、超声波接收器、温度传感器和控制电路，监测气箱为中空结构，监测气箱的侧壁上设有空气自由流通的若干进口和出口，超声波发射器和超声波接收器分别设置在监测气箱相对的两侧壁上，超声波发射器的控制端通信连接至控制电路，超声波发射器的输出端通信连接至控制电路,温度传感器设置在监测气箱的中部,温度传感器通过导线与控制电路电性连接。

一种监测车内氧浓度的汽车空气安全装置，进一步的，氧浓度监测器的控制电路由超声波发送电路、超声波接收电路、滤波电路、放大电路、比较电路、计时电路、微机处理电路、显示电路、温度采集电路和单片机组成，超声波发送电路与超声波发射器之间电性连接，超声波接收电路与超声波接收器之间电性连接，显示电路与数值显示器之间电性连接，温度采集电路与温度传感器之间电性连接。

一种监测车内氧浓度的汽车空气安全装置，进一步的，氧浓度监测器采集汽车车内的氧浓度信号，并发送氧浓度信号至安全控制器，人体热红外探测仪检测汽车车内是否有人存在,并将信号传送至安全控制器；安全控制器接收车内氧浓度信号和车内是否有人信号，并在氧浓度信号值低于21％并且车内有人时生成警报信号，并将警报信号发送至安全报警器，安全报警器接收警报信号后发出高音报警。

一种监测车内氧浓度的汽车空气安全装置，进一步的，安全控制器在氧浓度信号值低于17％并且车内有人时生成开窗信号，安全控制器输出驱动信号至汽车车窗的步进电机，控制打开所有汽车车窗至不超过厘米，使得外界新鲜空气进入车内。

一种监测车内氧浓度的汽车空气安全装置，进一步的，控制电路包括微处理器、发送电路和接收电路，接收电路通信连接至超声波接收器，发送电路通信连接至超声波发射器，微处理器分别通信连接发送电路和接收电路。

一种监测车内氧浓度的汽车空气安全装置，进一步的，监测气箱内设置有气压传感器，气压传感器通信连接至控制电路。

一种监测车内氧浓度的汽车空气安全装置，进一步的，车门传感器采集开门动作信号，并发送开门动作信号至安全控制器，氧浓度监测器采集汽车车内的氧浓度信号，并发送氧浓度信号至安全控制器，人体热红外探测仪检测汽车车内是否有人存在,并将信号传送至安全控制器；安全控制器在氧浓度信号值低于预设阈值且车内无人且有开门动作信号时生成警报信号，并将警报信号发送至安全报警器，安全报警器接收警报信号后发出报警声。

一种监测车内氧浓度的汽车空气安全装置，进一步的，氧浓度监测器设置于汽车副驾驶座的靠背后端，人体热红外探测仪设置于每个座椅上，安全控制器设置于汽车副驾驶座的靠背内部，安全报警器和数值显示器设置于汽车中控台上。

一种监测车内氧浓度的汽车空气安全装置，进一步的，车门传感器设置于每个车门的外把手上，采集从车门外侧把手发出的开门动作信号。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明提供的一种监测车内氧浓度的汽车空气安全装置，首先采用人体热红外探测仪检测车内是否有人员存在，然后再通过氧浓度监测器实时检测车内空气中氧浓度，一旦出现低于正常值，安全报警器发出高音报警，安全控制器输出驱动信号至汽车车窗的步进电机，控制打开所有汽车车窗至不超过5厘米，使得外界新鲜空气进入车内，保证车内人员的生命安全。

2.本发明提供的一种监测车内氧浓度的汽车空气安全装置，车门传感器采集开门动作信号，氧浓度监测器采集汽车车内的氧浓度信号，人体热红外探测仪检测汽车车内是否有人存在,安全控制器在氧浓度信号值低于预设阈值且车内无人且有开门动作信号时生成警报信号，安全报警器接收所述警报信号后发出报警声。解决了当车主锁车长时间离开车后，车内的氧气浓度和空气温度可能发生明显变化，当车主再次打开车门突然上车时，由于车内空气长时间不流通，空气质量差、氧气含量低，危害进入车内的人员健康的问题。

3.本发明提供的一种监测车内氧浓度的汽车空气安全装置，氧浓度监测器尺寸小，结构紧凑，安装方便；氧浓度监测器内置温度、压力补偿，测量更加准确；测量仅需出厂标定，无需现场标定校准，维护方便；无电极接触反应和无化学试剂消耗，无消耗零件，维护成本小，特别适合车内氧浓度监测，解决了氧浓度信号存在非线性、随机性和易受干扰，难以建立测量的问题，解决了现有技术的普通氧气浓度测试装置稳定性和精度不高，受环境影响较大，测试速度慢，成本较高、使用不够方便，不适合车内氧浓度监测的问题。氧浓度测量值绝对误差在3.5％以内，在汽车工业领域具有很强的实用性。

4.本发明提供的一种监测车内氧浓度的汽车空气安全装置，氧浓度监测器设置于汽车副驾驶座的靠背后端，监测位置合适，人体热红外探测仪设置于每个座椅上，安全控制器设置于汽车副驾驶座的靠背内部，不占用车内空间，安全报警器和数值显示器设置于汽车中控台上，方便观察。监测车内氧浓度安全装置设计结合汽车构造和使用实际，结构科学合理，使用方便，监测效果好。

附图说明

图1是本发明提供的一种监测车内氧浓度的汽车空气安全装置的结构示意图。

图2是本发明提供的车内氧浓度监测的流程示意图。

附图标记说明：1-氧浓度监测器，2-人体热红外探测仪，3-安全控制器，4-安全报警器，5-汽车车窗，6-数值显示器，7-车门传感器，8-汽车电源，11-监测气箱，12-超声波发射器，13-超声波接收器，14-温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提供的一种监测车内氧浓度的汽车空气安全装置的技术方案进行进一步的描述，使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施。

参见图1和图2，本发明提供的一种监测车内氧浓度的汽车空气安全装置，包括氧浓度监测器1、人体热红外探测仪2、安全控制器3、安全报警器4、汽车车窗5、数值显示器6、车门传感器7和汽车电源8，氧浓度监测器1通过导线连接至安全控制器3的电信号输入端，安全报警器4、汽车车窗5、数值显示器6分别通过导线连接至安全控制器3的信号输出端，所述安全控制器3通过导线与汽车电源8连接并由汽车电源8供电。

氧浓度监测器1包括监测气箱11、超声波发射器12、超声波接收器13、温度传感器14和控制电路，监测气箱11为中空结构，监测气箱11的侧壁上设有空气自由流通的若干进口和出口，所述超声波发射器12和超声波接收器13分别设置在监测气箱11相对的两侧壁上，所述超声波发射器12的控制端通信连接至控制电路，所述超声波发射器12的输出端通信连接至控制电路,所述温度传感器14设置在监测气箱11的中部,所述温度传感器14通过导线与控制电路电性连接。

氧浓度监测器1的控制电路由超声波发送电路、超声波接收电路、滤波电路、放大电路、比较电路、计时电路、微机处理电路、显示电路、温度采集电路和单片机组成，所述超声波发送电路与所述超声波发射器12之间电性连接，所述超声波接收电路与所述超声波接收器13之间电性连接，所述显示电路与所述数值显示器6之间电性连接，所述温度采集电路与所述温度传感器14之间电性连接。

氧浓度监测器尺寸小，结构紧凑，安装方便；氧浓度监测器内置温度、压力补偿，测量更加准确；测量仅需出厂标定，无需现场标定校准，维护方便；无电极接触反应和无化学试剂消耗，无消耗零件，维护成本小，特别适合车内氧浓度监测，解决了现有技术的普通氧气浓度测试装置稳定性和精度不高，受环境影响较大，测试速度慢，成本较高、使用不够方便，不适合车内氧浓度监测的问题。

本发明对于车内氧气浓度的监测，主要依靠氧浓度监测器1，浓度监测器1对于空气浓度监测采用了空气浓度超声检测法，空气浓度超声检测法适用于二元混合气体，甚至多元混合气体中单种气体组分的高精度检测，通过测量超声波在气体中的传播速度来得到氧气浓度。本发明中超声传播速度是通过测量超声波在监测气箱中的传播时间来确定的，由于超声波的传播速度受气体温度的影响很大，因此必须考虑气体温度因子，发明人通过实验和分析，得知氧气浓度与时间和温度之间存在着非线性映射关系:

f＝(c，w)(1)

式中:f为气体浓度，c为超声波在气体中传播的时间，w为温度传感器检测到的温度。

通过对氧气浓度检测机理及性质的研究分析可知，影响氧气浓度的因素主要有超声波的传播时间和温度。本发明中选择这二个参量作为测量的输入，用顺磁式高精度氧浓度分析仪所测氧浓度作为测量模型的训练数据输出，则可以得到氧气浓度测量模型如下:

m(t)＝f(c(t),w(t))(2)

式中:m(t)为氧气浓度，c(t)为超声波在监测气箱的定长管道中传播的时程，w(t)为外界环境的温度，t为时间。

本发明的浓度监测器1在生产标定时，根据出厂时大量浓度监测器的实测超声时程和气路温度及其标准浓度计所测得的氧气实际浓度，由式(1)和式(2)而获得模型参数，一旦确定了模型和参数，即可用超声定长时程和温度来获得被测气体的浓度。本发明的浓度监测器1测量仅需出厂标定，无需现场标定校准。

建立图2所示的氧气浓度检测系统，对车内环境氧气浓度进行数据采集并对采样数据中存在粗大误差的数据进行剔除、滤波以及归一化处理。试验中共采集了420组数据，其中275组数据作为训练样本，145组用于模型的检验与校正。借助matlab，完成对氧气浓度测量模型的建立和离线训练，对模型参数的确定。

试验结果表明，matlab能很好的完成对氧气浓度测量模型的建立和训练，对模型参数的确定，测量模型预测结果与校验数据对比结果相对误差和绝对误差小。测量模型预测的氧气浓度能够很好地匹配校验数据，且能够准确地实时跟踪氧气浓度的变化。模型预测输出数据与试验数据的相对误差以及模型预测的绝对误差绝大部分都小于2.5％。由此可得，本发明的浓度监测器1以及采用的空气浓度超声检测法测量模型是有效的，且能达到很高的精度，能够满足监测车内氧浓度的实际应用要求。

氧浓度监测器1开始工作时，单片机首先检查整个氧浓度监测系统是否正常运行，如过发现某个部位出错就立即报错并显示。如果系统运行正常，监测系统在接收到运行指令后，先给超声换能器发送一个激励脉冲，同时给计时电路发出一个触发信号，计时电路开始计时。此后单片机通过氧浓度监测器1的各个部件开始采集外界的温度并发送和接收超声波信号，进而把接收到的超声波信号经过滤波、放大和比较后，由单片机计算出超声时程，所测时程与温度再经过单片机进行数据处理，最后计算出氧气的浓度。

作为一种优选方案，本发明提供的一种监测车内氧浓度的汽车空气安全装置，氧浓度监测器1采集汽车车内的氧浓度信号，并发送所述氧浓度信号至所述安全控制器3，人体热红外探测仪2检测汽车车内是否有人存在,并将信号传送至所述安全控制器3；安全控制器3接收车内氧浓度信号和车内是否有人信号，并在氧浓度信号值低于21％并且车内有人时生成警报信号，并将所述警报信号发送至所述安全报警器4，安全报警器4接收所述警报信号后发出高音报警。

作为一种优选方案，本发明提供的一种监测车内氧浓度的汽车空气安全装置，安全控制器3在氧浓度信号值低于17％并且车内有人时生成开窗信号，安全控制器3输出驱动信号至汽车车窗5的步进电机，控制打开所有汽车车窗5至不超过5厘米，使得外界新鲜空气进入车内。

本发明提供的一种监测车内氧浓度的汽车空气安全装置，首先人体热红外探测仪采用热红外人体感应器检测车内是否有人员存在，然后再通过氧浓度监测器实时检测车内空气中氧浓度，一旦出现低于正常值，安全报警器发出高音报警，安全控制器输出驱动信号至汽车车窗的步进电机，控制打开所有汽车车窗至不超过5厘米，使得外界新鲜空气进入车内，保证车内人员的生命安全。

作为一种优选方案，本发明提供的一种监测车内氧浓度的汽车空气安全装置，控制电路包括微处理器、发送电路和接收电路，接收电路通信连接至所述超声波接收器13，发送电路通信连接至所述超声波发射器12，所述微处理器分别通信连接发送电路和接收电路。为提高系统的精准性，超声波的接收和发送都使用微处理器直接控制。微处理器控制模拟开关将超声信号调制到10hz的一个载波上发送，并在接收传感器上进行解调。这样的设计起到了抑制信号共模干扰和工频干扰的作用，提高了传感器的稳定性。

作为一种优选方案，本发明提供的一种监测车内氧浓度的汽车空气安全装置，监测气箱11内设置有气压传感器，所述气压传感器通信连接至控制电路。在监测车内氧气含量的同时监测车内气压。

作为一种优选方案，本发明提供的一种监测车内氧浓度的汽车空气安全装置，车门传感器7采集开门动作信号，并发送所述开门动作信号至所述安全控制器3，所述氧浓度监测器1采集汽车车内的氧浓度信号，并发送所述氧浓度信号至所述安全控制器3，所述人体热红外探测仪2检测汽车车内是否有人存在,并将信号传送至所述安全控制器3。

作为一种优选方案，本发明提供的一种监测车内氧浓度的汽车空气安全装置，车门传感器7设置于每个车门的外把手上，采集从车门外侧把手发出的开门动作信号。安全控制器3在氧浓度信号值低于预设阈值且车内无人且有开门动作信号时生成警报信号，并将所述警报信号发送至所述安全报警器4，所述安全报警器4接收所述警报信号后发出报警声。

本发明提供解决了当车主锁车长时间离开车后，车内的氧气浓度和空气温度可能发生明显变化，当车主再次打开车门突然上车时，由于车内空气长时间不流通，空气质量差、氧气含量低，危害进入车内的人员健康的问题。

作为一种优选方案，本发明提供的一种监测车内氧浓度的汽车空气安全装置，氧浓度监测器设置于汽车副驾驶座的靠背后端，监测位置合适，人体热红外探测仪设置于每个座椅上，安全控制器设置于汽车副驾驶座的靠背内部，不占用车内空间，安全报警器和数值显示器设置于汽车中控台上，方便观察。监测车内氧浓度安全装置设计结合汽车构造和使用实际，结构科学合理，使用方便，监测效果好。

本发明在工作过程中，主要采用以下二种保护模式：

1、模式一：车内环境的氧浓度保护模式。

首先采用人体热红外探测仪检测车内是否有人员存在，然后再通过氧浓度监测器实时检测车内空气中氧浓度，一旦出现低于正常值，安全报警器发出高音报警，安全控制器输出驱动信号至汽车车窗的步进电机，控制打开所有汽车车窗至不超过5厘米，使得外界新鲜空气进入车内，保证车内人员的生命安全。

2、模式二：进入车内瞬间的氧浓度保护模式。

车门传感器采集开门动作信号，氧浓度监测器采集汽车车内的氧浓度信号，人体热红外探测仪检测汽车车内是否有人存在,安全控制器在氧浓度信号值低于预设阈值且车内无人且有开门动作信号时生成警报信号，安全报警器接收所述警报信号后发出报警声。解决了当车主锁车长时间离开车后，车内的氧气浓度和空气温度可能发生明显变化，当车主再次打开车门突然上车时，由于车内空气长时间不流通，空气质量差、氧气含量低，危害进入车内的人员健康的问题。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。