加入氣體檢測功能　汽車被動安全設(shè)計更周全 - 全文

　　核心提示：氣體偵測將成為汽車被動安全系統(tǒng)的重要功能。車內(nèi)二氧化碳或一氧化碳濃度過高，將導(dǎo)致駕駛及乘客出現(xiàn)身體不適，甚至引發(fā)交通事故。因此，透過氣體傳感器主動偵測有害氣體濃度，并結(jié)合GPS及GSM通信技術(shù)，已成汽車被動式安全設(shè)計的重要趨勢。

　　根據(jù)交通部統(tǒng)計資料顯示，疲勞駕駛是導(dǎo)致交通事故主要原因之一。由于***夏天高溫酷熱的天氣型態(tài)，以及空氣品質(zhì)不佳，許多駕駛?cè)肆?xí)慣長時間使用車內(nèi)循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)。然而，在車廂狹小的密閉空間里，人體新陳代謝產(chǎn)唿出的二氧化碳快速在車廂內(nèi)積聚，將使車內(nèi)空氣污濁。當(dāng)二氧化碳濃度達(dá)到0.5%時，人就會出現(xiàn)頭痛、頭暈等不適感，導(dǎo)致身體疲憊注意力不集中而不自知，許多疲勞駕駛狀況就因此產(chǎn)生，導(dǎo)致交通事故的意外事件頻傳，變成交通安全一大隱憂。

　　此外，若汽車引擎燃燒不完全，其產(chǎn)生的廢氣含有一氧化碳等有毒氣體，可能因汽車通氣孔老化，導(dǎo)致有毒氣體透過通氣孔流回車室內(nèi)。由于一氧化碳是一種無色、無味的氣體，中毒后的癥狀不易被察覺，駕駛?cè)藭恢挥X中毒而失去知覺，因而成為潛藏于汽車封閉空間的隱形殺手，對駕駛?cè)松踩吧鐣Y源造成極大的威脅。

　　本裝置是與汽車被動安全設(shè)計有關(guān)，特別是關(guān)于一種預(yù)防汽車駕駛?cè)嘶杳曰蚱＞胙b置，可偵測出車室內(nèi)部特定氣體的濃度，當(dāng)其濃度大于設(shè)定的警戒值，對人體造成昏迷或疲倦時，可進(jìn)行自動開啟車窗；當(dāng)其濃度大于設(shè)定的臨界值時，可自動發(fā)出汽車定址與求救信號，達(dá)到及時降低車室內(nèi)部特定氣體的濃度，避免駕駛?cè)碎L時間處在高濃度特定氣體的密閉空間內(nèi)，并增進(jìn)后續(xù)救援的效率，有效降低車內(nèi)人員傷亡，避免后續(xù)傷亡擴(kuò)大。

　　強(qiáng)化安全防護(hù)性　汽車被動式安全系統(tǒng)成風(fēng)

　　本裝置深入探討其主要原因有二：首先，是當(dāng)駕駛?cè)松硖幱诟邼舛鹊囊谎趸蓟蚨趸济荛]空間內(nèi)，常常不自覺中毒而產(chǎn)生昏睡時，若此時車窗玻璃無法自動偵測下降，讓外面的新鮮空氣導(dǎo)入降低車室內(nèi)部有毒氣體的濃度時，長時間暴露下來，仍會對駕駛?cè)诵悦a(chǎn)生極大的威脅；其次，當(dāng)駕駛?cè)艘呀?jīng)中毒昏睡，本身已無意識及力氣能告知人車正確的位置，若救援人員無法在短時間內(nèi)獲知人車位置，并提供后續(xù)救援行動，仍無法避免傷亡惡化甚至擴(kuò)大（如暴露一氧化碳濃度 1，600ppm的環(huán)境內(nèi)，2小時內(nèi)就會死亡），預(yù)防汽車駕駛?cè)嘶杳曰蚱＞?，進(jìn)一步避免疲勞駕駛、預(yù)防憾事發(fā)生暨爭取搶救時間，為該裝置開發(fā)的另一大動機(jī)。

　　圖1是表示汽車在一般道路行駛之車輛（主動/被動）安全防護(hù)系統(tǒng)示意圖。至于一般車輛道路行車安全防護(hù)系統(tǒng)可分為三個階段，第一階段為主動式安全階段，其主要目的在于避免車禍意外發(fā)生；第二階段為被動式安全階段，其主要目的在于降低車禍意外傷害；第三級階段主要目的在于避免后續(xù)傷害擴(kuò)大。

　　圖1 車輛安全防護(hù)系統(tǒng)的範(fàn)疇

　　依目前全球先進(jìn)安全系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢，重心已有從過去主動式逐漸朝向被動式，甚至第三階段發(fā)展，常見已開發(fā)主動式安全技術(shù)包含有防鎖死煞車系統(tǒng)（ABS）、電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP）、倒車?yán)走_(dá)、主動頭燈、抬頭顯示、夜視、車距保持防撞及車道保持等。

　　然而。因行車意外事件一直無法完全避免，尤其在強(qiáng)大車禍撞擊下，為降低車內(nèi)人員的傷亡，已朝向被動式安全發(fā)展，以降低傷害，常見已開發(fā)的技術(shù)有安全帶、安全汽囊、正撞防護(hù)、側(cè)撞防護(hù)、后撞防護(hù)及翻滾保護(hù)等；部分高級車甚至重視第三階段安全防護(hù)以避免傷害擴(kuò)大，目前發(fā)展的技術(shù)有自動切斷油路、自動開中控鎖、定位發(fā)警報及緊急救援等技術(shù)。

　　依數(shù)據(jù)顯示，2010年先進(jìn)安全車輛電子控制與安全系統(tǒng)約占整車成本40%，顯見在人身性命安全逐漸被重視的人權(quán)時代，第二階段被動安全系統(tǒng)及第三階段緊急救援的設(shè)計重要性突顯，然上述安全技術(shù)皆局限于汽車行駛一般道路車禍意外的被動式安全防護(hù)系統(tǒng)。

　　預(yù)防駕駛一氧化碳中毒　被動式安全防護(hù)系統(tǒng)再進(jìn)化

　　中華民國專利號第M405617號，是揭露有關(guān)于一種“車用氣體偵測裝置”，其主要為一氣體偵測單元、一控制單元及一警報單元所組成，氣體偵測單元包含有分設(shè)于車體內(nèi)、外的感知元件。其中，感知元件能量測環(huán)境中的一氧化碳濃度，并轉(zhuǎn)換成數(shù)位信號傳送至氣體偵測單元。

　　氣體偵測單元判定一氧化碳濃度過高時就發(fā)送信號至控制單元，藉以引發(fā)警報單元作動提醒使用人，或更進(jìn)一步關(guān)閉電源強(qiáng)制將車輛熄火，以保護(hù)人員生命安全，其技術(shù)雖然有提及對駕駛者之警示及安全保護(hù)，但是屬于被動消極性的。環(huán)保署及消防署資料顯示，少許的一氧化碳濃度就會造成人員昏迷而失去意識，警報聲對昏迷駕駛?cè)硕砸呀?jīng)沒有太大警示作用，關(guān)閉電源強(qiáng)制熄火對密閉的車室內(nèi)部一氧化碳濃度亦無顯著的降低。

　　此外，氣體偵測單元無法將已昏迷駕駛?cè)说耐＼嚨攸c進(jìn)行定址，并立即對外自動發(fā)出求救信號，造成后續(xù)搶救時機(jī)已失去大半，對駕駛者的安全及性命無法獲得保護(hù)。因此，若要降低駕駛?cè)说膫黾氨苊夂罄m(xù)傷亡的擴(kuò)大，最重要的處置應(yīng)該是立即開車窗以降低車室內(nèi)部一氧化碳濃度，其次，將對停車地點進(jìn)行定址并立即對外自動發(fā)出求救信號。

　　另外，參考中華民國專利號第M295137號，是揭露有關(guān)于一種“具偵測有害氣體及可發(fā)出警報的臭氧機(jī)”，包含一機(jī)殼、設(shè)置在該機(jī)殼內(nèi)部之臭氧產(chǎn)生器、設(shè)置在該機(jī)殼內(nèi)部之電路基板、連接到該電路基板之至少一偵測器及至少一警報裝置；其中，臭氧產(chǎn)生器可受控制以輸出臭氧，偵測器能偵測瓦斯、高濃度一氧化碳或二氧化碳等有害氣體，當(dāng)該偵測器檢測到瓦斯漏氣、高濃度一氧化碳或二氧化碳等有害氣體外洩時，將會輸出電子信號至電路基板，藉以促使臭氧產(chǎn)生器生成臭氧來氧化分解有害氣體，且警報裝置會發(fā)出蜂鳴或閃光來告知使用者，達(dá)成解決瓦斯漏氣或燒炭產(chǎn)生高濃度的一氧化碳所造成的嚴(yán)重危害。

　　然此傳感器若應(yīng)用至預(yù)防汽車駕駛?cè)艘谎趸贾卸静o積極有效的作用，理由同上述，因少許的一氧化碳濃度就會造成人員昏迷而失去意識，警報裝置對已昏迷駕駛?cè)硕砸呀?jīng)沒有太大警示作用，加上無后續(xù)對對停車地點進(jìn)行定址及對外自動發(fā)出求救信號，對駕駛者的安全及性命無法獲得保護(hù)。

　　為避免上述先前技術(shù)的氣體偵測警報系統(tǒng)，對車室內(nèi)部“一氧化碳濃度”無法達(dá)到顯著的降低；再者，亦無法在第一時間自動發(fā)出汽車定址與求救信號，造成搶救時機(jī)已失去大半，體認(rèn)到目前行車意外事件并不局限于一般常見于道路行駛的車禍意外；反而是特定氣體濃度異常而導(dǎo)致駕駛?cè)嘶杳曰蚱＞耄湓斐绍嚨渹鰯?shù)及意外致死率遠(yuǎn)高于一般車禍意外（因駕駛?cè)送诓蛔杂X的狀況中昏睡窒息死亡，當(dāng)被人發(fā)現(xiàn)時皆已回天乏術(shù)），因此預(yù)防汽車駕駛?cè)艘谎趸贾卸爵咔缶鹊谋粍邮桨踩雷o(hù)系統(tǒng)應(yīng)該進(jìn)一步被重視，傳統(tǒng)局限于汽車一般道路車禍意外的被動式安全防護(hù)系統(tǒng)，應(yīng)被擴(kuò)大定義及設(shè)計至汽車駕駛?cè)艘蛱囟怏w濃度所導(dǎo)致的傷亡。

　　避免駕駛昏迷/疲倦　車內(nèi)氣體濃度偵測成關(guān)鍵

　　本裝置目的在于提供一種預(yù)防汽車駕駛?cè)嘶杳曰蚱＞胙b置，可偵測出車室內(nèi)部特定氣體的濃度，當(dāng)其濃度大于設(shè)定的警戒值，對人體造成昏迷或疲倦時，可進(jìn)行自動開啟車窗；當(dāng)其濃度大于設(shè)定的臨界值時，可自動發(fā)出汽車定址與求救信號，達(dá)到即時降低車室內(nèi)部特定氣體的濃度，避免駕駛?cè)碎L時間處在高濃度特定氣體的密閉空間內(nèi)，并增進(jìn)后續(xù)救援的效率，有效降低車內(nèi)人員傷亡，避免后續(xù)傷亡擴(kuò)大。

　　圖2是表示本裝置方法步驟的流程圖，其步驟如下：先設(shè)定對人體具危險警戒的特定氣體濃度警戒值P1，當(dāng)汽車車室內(nèi)部某特定氣體濃度（如一氧化碳或二氧化碳）逐漸上升時，氣體偵測器偵測車室內(nèi)部特定氣體濃度，HT46F49E晶片判斷特定氣體濃度P是否大于具危險警戒特定氣體濃度警戒值P1；若是，HT46F49E晶片控制馬達(dá)轉(zhuǎn)動并帶動車窗下降，同時將車窗玻璃朝下帶動以打開車窗；若否者，則回到氣體偵測器偵測車室內(nèi)部特定氣體濃度。

　　圖2 本裝置操作步驟流程圖

　　該HT46F49E晶片控制單元更設(shè)定有對生命安全具重大威脅的特定氣體濃度臨界值P2（如一氧化碳1，600ppm），當(dāng)氣體偵測器偵測特定氣體濃度仍持續(xù)增加，并已經(jīng)大于該特定氣體濃度臨界值P2（步驟S14），代表駕駛?cè)丝赡芤呀?jīng)呈現(xiàn)昏迷或暈眩，若短時間內(nèi)（如一氧化碳1，600ppm，2小時）不立即處置，將導(dǎo)致駕駛?cè)怂劳?，該求救定址單元立即發(fā)射該求救信號及該定址信號至該至少一預(yù)定接收單元（步驟S15），方便警察單位、搜救中心、消防單位或親朋好友們等預(yù)設(shè)人員對駕駛?cè)诉M(jìn)行定址與搜救；若否者，則再回到步驟S11。

　　求救定址單元是一全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS），用以發(fā)射出一求救信號及一定址信號至至少一預(yù)定接收單元；而預(yù)定接收單元可為一手機(jī)，而預(yù)定接收單元的擁有者可為警察單位、搜救中心、消防單位或親朋好友們等。

　　新一代被動式安全防護(hù)系統(tǒng)工作原理介紹

　　本裝置是針對汽車內(nèi)一氧化碳及二氧化碳等有毒氣體濃度達(dá)到對人體有害濃度警戒值P1（如一氧化碳800ppm），此時可能導(dǎo)致駕駛?cè)藛T疲勞甚至造成生命安全危險時，車室內(nèi)設(shè)置氣體偵測器，并利用具內(nèi)建類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC）功能的HT46F49E晶片來判斷特定氣體濃度P是否大于具危險警戒特定氣體濃度警戒值P1；若是，則自動打開車窗玻璃，讓車內(nèi)與車外自然空氣對流通風(fēng)，以降低有害氣體濃度，使車內(nèi)保持一定的空氣品質(zhì)。

　　當(dāng)氣體偵測器偵測特定氣體濃度仍持續(xù)增加，并已經(jīng)大于對生命安全具重大威脅的特定氣體濃度臨界值P2（如一氧化碳1，600ppm），代表駕駛?cè)丝赡芤呀?jīng)呈現(xiàn)昏迷或暈眩，若短時間內(nèi)（如一氧化碳1，600ppm，2小時）不立即處置，將導(dǎo)致駕駛?cè)怂劳?，將透過GSM手機(jī)通報系統(tǒng)自動即時傳遞GPS定位座標(biāo)及求救信息給自行設(shè)定的指定號碼（如親朋好友、119或消防局），自動發(fā)出求救信號讓救難人員知道你在哪里，第一時間定位并且通報及時搶救，這樣才能將傷害降到最低。

　　若有害氣體濃度嚴(yán)重超出設(shè)定值，將發(fā)出求信號讓救難人員知道你在哪里，第一時間定位并且通報及時搶救，這樣才能將傷害降到最低。

　　本裝置是針對汽車內(nèi)當(dāng)所產(chǎn)生的有害氣體（CO、CO2）濃度高于安全值時，讓氣體傳感器傳遞信號至微控制器判別動作，使得車窗動作打開一縫隙，使車內(nèi)保持通風(fēng)減少有害氣體濃度。當(dāng)氣體濃度超出設(shè)定值時，將透過GSM手機(jī)警報通報系統(tǒng)自動即時傳遞GPS定位通報及信息給自行設(shè)定的指定號碼（如親朋好友、 119或消防局），方便后續(xù)搜救人員定位搜尋。

　　新一代被動式安全防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說明

　　圖3是表示本預(yù)防汽車駕駛?cè)嘶杳曰蚱＞胙b置之結(jié)構(gòu)示意圖，其中，氣體偵測器是設(shè)置在車室內(nèi)部，較佳者，氣體偵測器設(shè)置在車室通氣孔周圍，避免汽車廢氣因透過通氣孔跑回車內(nèi)而不自覺，如此時氣體偵測器就可偵測汽車密閉空間內(nèi)部特定氣體的濃度。

　　圖3 本裝置實體結(jié)構(gòu)示意圖

　　為模擬在密閉的車室空間內(nèi)充滿有毒的特定氣體（如一氧化碳或二氧化碳），本裝置將寶特瓶模擬為汽車密閉空間，用寶特瓶置入已點燃的線香，此時寶特瓶內(nèi)將逐漸充滿二氧化碳?xì)怏w，且其濃度將愈來愈高，圖4為本裝置的實驗?zāi)M配置圖。

　　圖4 本裝置的實驗?zāi)M配置圖

　　假設(shè)氣體偵測器偵測車內(nèi)有害氣體濃度P，HT46F49E晶片內(nèi)建對人體有害濃度警戒值P1；當(dāng)P>P1時，透過HT46F49E這顆晶片內(nèi)建的 ADC轉(zhuǎn)換功能，讓HT46F49E發(fā)出命令信號給車窗玻璃的升降機(jī)構(gòu)。當(dāng)氣體偵測器偵測特定氣體濃度仍持續(xù)增加，并已經(jīng)大于對生命安全具重大威脅的特定氣體濃度臨界值P2；即當(dāng)P>P2時，GSM發(fā)出緊報求救信息及GPS定位信號給給自行設(shè)定的指定號碼（如親朋好友、119或消防局）（圖5）。

　　圖5 本裝置實驗?zāi)M架構(gòu)流程圖

　　因HT46F49E晶片所輸出信號值太小，無法直接驅(qū)動車窗玻璃升降機(jī)馬達(dá)，必須透過放大電路予以放大輸出信號。氣體偵測器外部要一些電子元件來驅(qū)動，其驅(qū)動電路如圖6。

　　圖6 氣體偵測器驅(qū)動電路實體圖

　　整合氣體偵測器　被動安全防護(hù)系統(tǒng)性能加分

　　因一氧化碳或二氧化碳是無色無味的有毒氣體，不管是人為或意外因素而皆會導(dǎo)致駕駛?cè)似隈{駛甚至陷入昏迷，其造成車禍傷亡數(shù)及意外致死率不亞于于一般車禍或酒醉駕駛意外（因駕駛?cè)送诓蛔杂X的狀況中昏睡窒息死亡，當(dāng)被人發(fā)現(xiàn)時皆已回天乏術(shù)），因此預(yù)防汽車駕駛?cè)艘谎趸贾卸爵咔缶鹊谋粍邮桨踩雷o(hù)系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)一步被重視；此外，傳統(tǒng)局限于汽車一般道路車禍意外的被動式安全防護(hù)系統(tǒng)，應(yīng)被擴(kuò)大定義及設(shè)計至汽車駕駛?cè)艘蛱囟ㄓ卸練怏w濃度所導(dǎo)致的傷亡，其被動安全防護(hù)系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)一步被重視。

　　另一方面，本汽車被動安全設(shè)計裝置是針對汽車內(nèi)一氧化碳及二氧化碳等有毒氣體，當(dāng)其濃度達(dá)到對人體有害濃度警戒值，能自動啟動安全開窗機(jī)制，讓車內(nèi)與車外自然空氣對流通風(fēng)，以降低有害氣體濃度，使車內(nèi)保持一定的空氣品質(zhì)。若氣體偵測器偵測特定氣體濃度仍持續(xù)增加，并已大于對生命安全具重大威脅的特定氣體濃度臨界值，代表駕駛?cè)丝赡芤呀?jīng)呈現(xiàn)昏迷或暈眩（若短時間內(nèi)不立即處置，將導(dǎo)致駕駛?cè)怂劳觯?，透過GSM手機(jī)通報系統(tǒng)自動即時傳遞GPS定位座標(biāo)及求救信息給自行設(shè)定的指定號碼（如親朋好友、119或消防局），方便搜救人員定位搜尋，避免在繁榮市區(qū)大海撈針?biāo)频乃褜と塑?，爭取極有限的搜救時效。

　　從圖7觀之，本裝置將已點燃的線香放入寶特瓶的密閉空間中，讓寶特瓶逐漸充滿二氧化碳，以模擬車室內(nèi)遇有害氣體過濃意外事件，并將氣體偵測器置入已挖孔的寶特瓶蓋內(nèi)，氣體偵測器會將感測信號傳給HT46F49E晶片，當(dāng)其濃度達(dá)到對人體有害濃度警戒值時，晶片觸發(fā)作動信號讓汽車車窗玻璃自動下降。

　　圖7 本裝置利用線香模擬CO2測試

　　倘若氣體偵測器偵測特定氣體濃度仍持續(xù)增加，并已經(jīng)大于對生命安全具重大威脅的特定氣體濃度臨界值，代表駕駛?cè)丝赡芤呀?jīng)呈現(xiàn)昏迷或暈眩（若短時間內(nèi)不立即處置，將導(dǎo)致駕駛?cè)怂劳觯?，本裝置透過GSM手機(jī)通報系統(tǒng)自動即時傳遞GPS定位座標(biāo)及求救信息給自行設(shè)定的指定號碼（如親朋好友、119或消防局），方便搜救人員定位搜尋，避免在繁榮市區(qū)大海撈針?biāo)频乃褜と塑?，爭取極有限的搜救時效，其GPS系統(tǒng)定位出人車意外的座標(biāo)，GSM系統(tǒng)發(fā)出求救簡信給救難單位 （圖8、圖9）。

　　圖8 GPS系統(tǒng)動作示意圖

　　圖9 GSM系統(tǒng)簡信動作示意圖

　　本裝置整合氣體偵測器自動感測車室內(nèi)部CO或CO2等有毒氣體濃度、自動開窗降低車室有毒氣體濃度、GPS及GSM求救簡信發(fā)送搜救單位。

　　更多發(fā)展可能性　被動安全防護(hù)系統(tǒng)展多元風(fēng)貌

　　未來可結(jié)合車窗薄膜太陽能輔助發(fā)電，作為獨立的備用電源以防供電系統(tǒng)故障或電瓶沒電而無法動作；或整合酒精吹嘴、類神經(jīng)控制感測應(yīng)用至本裝置，加以實驗數(shù)據(jù)研發(fā)出可防酒駕危險駕駛等相關(guān)被動安全系統(tǒng)設(shè)計。

　　總的來說，人在吸入過多有害氣體，疲倦、昏眩等輕微不適癥狀，往往已經(jīng)中毒而不自覺的狀況下，然而目前汽車被動式安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計皆只重視一般道路車禍，本裝置特別針對氣體意外事件發(fā)生前加以進(jìn)行防護(hù)設(shè)計，符合汽車安全設(shè)計趨勢；再者，本裝置利用氣體傳感器主動偵測有害氣體濃度是否過高，并立即自動開窗及解中控鎖，提升車內(nèi)人員逃生機(jī)會，符合被動式安全設(shè)計；此外，本裝置利用GPS及GSM進(jìn)行有害氣體事件后自動汽車定址及求救簡信發(fā)送，方便搜救人員第一時間獲知人地物信息，立即進(jìn)行后續(xù)搜救，以避免后續(xù)傷亡擴(kuò)大，符合第三階段安全設(shè)計。