基于CAN總線的智能汽車座椅設(shè)計

龔志鵬，高秋榮，潘汨，余偉豪，張鑫明

（湖南工程學(xué)院電氣信息學(xué)院，湖南湘潭，411104）

0 引言

隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展和人們生活水平的提高，汽車進(jìn)入了千家萬戶，成為人們?nèi)粘Ｉ钪械囊徊糠郑瑫r也產(chǎn)生了大量的交通事故，中國成為世界上交通事故死亡人數(shù)最多的國家之一，嚴(yán)重影響人們生命財產(chǎn)的安全。數(shù)據(jù)顯示，酒后駕駛和疲勞駕駛是引發(fā)交通事故的重要原因[1]。雖然目前有較嚴(yán)厲的交通法規(guī)明文禁止并進(jìn)行處罰，但現(xiàn)實(shí)中不可能時刻全面檢查，而且有些問題，比如疲勞駕駛是難以檢測的。同時駕駛員不夠重視，抱有各種僥幸心理，也使得酒后駕駛和疲勞駕駛屢禁不止。這時我們需從另一個方面對駕駛員進(jìn)行善意提醒與幫助，如積極改善駕駛環(huán)境，及時告知其目前狀況是否適合于繼續(xù)駕駛。為達(dá)到此目的，駕駛員在行車時接觸較多的座椅成為許多學(xué)者重點(diǎn)研究對象，目前研究工作主要集中于座椅的形狀、構(gòu)造性能參數(shù)的研究等方面，試圖在坐姿上改善舒適性[2]，部分學(xué)者嘗試使用單片機(jī)檢測酒駕[3]，但沒有考慮與車輛總線連接與數(shù)據(jù)傳輸。一些汽車零部件供應(yīng)商提出了在車后加裝傳感器感應(yīng)心率，以判斷疲勞駕駛，目前尚在概念階段[4]。本文嘗試設(shè)計一款功能全面，性能更好且與整車控制融于一體的智能汽車座椅，旨在一定程度上避免了因汽車座椅舒適度、酒后駕駛、疲勞駕駛而導(dǎo)致的不必要的交通事故。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

■1.1 系統(tǒng)的組成

基于CAN總線的智能汽車座椅設(shè)計方案如圖1所示，汽車座椅的電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）用于檢測座位是否有人，測量座椅溫度，根據(jù)設(shè)置的溫度要求控制制熱元件；檢測空氣中酒精濃度，判斷是否有酒后駕駛；經(jīng)藍(lán)牙從從智能手環(huán)讀取心率數(shù)據(jù)，依據(jù)心率變化判斷是否有疲勞駕駛行為。座椅ECU將判斷結(jié)果及所測得的參數(shù)通過CAN總線發(fā)送個主控ECU，提醒駕駛員安全駕駛。

智能座椅各控制單元，傳感器及執(zhí)行器的布置的布置如圖2所示，加熱墊采用標(biāo)準(zhǔn)電壓為12V碳纖維材料；壓力檢測開關(guān)用于檢測作為上是否有人，置于座位下方；座椅ECU主板置于座椅背后，這樣受震動與擠壓影響相對較小，有利于電路穩(wěn)定工作；溫度傳感器置于加熱墊背后，且靠近ECU位置；考慮到目前非接觸式心率測量技術(shù)尚不成熟，系統(tǒng)中采用了智能手環(huán)測量駕駛員心率，經(jīng)藍(lán)牙傳至座椅ECU進(jìn)行處理。

圖1 汽車座椅設(shè)計方案

圖2 智能座椅布置方案

■1.2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如圖3所示，系統(tǒng)采用STM32F103ZET6為核心，其內(nèi)核為cortex-M3，且具有512K FLASH，64KRAM，性能較強(qiáng)；溫度傳感器采用DS18B20，自行完成溫度檢測并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過數(shù)據(jù)總線傳給CPU；酒精濃度傳感器采用MQ-03；為保存本機(jī)參數(shù)，如設(shè)定酒精報警濃度，特定辨識心率及設(shè)定溫度值等，系統(tǒng)擴(kuò)展一個EEPROM芯片AT24C02，容量256字節(jié)；CAN接口采用MCP2551驅(qū)動芯片；人員檢測采用壓力開關(guān)；電熱墊采用12V功率為45W碳纖維材料，具有抗折疊，發(fā)熱快，效率高及安全好等優(yōu)點(diǎn)，并采用雙通道功率MOSFET IRL6297驅(qū)動，最大電路可達(dá)15A；ECU與手環(huán)通信采用CC2541低功耗串口透傳藍(lán)牙模塊。智能手環(huán)采用集低功耗藍(lán)牙的DA14580芯片，并采用SON7015作為心率傳感器。

圖3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖

■1.3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

1.3.1 J1939協(xié)議及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

J1939是美國汽車工程協(xié)會（Society of Automotive Engineers，SAE）制定的基于CAN總線的汽車控制與通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，包括對CAN總線物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層定義，還有故障診斷和網(wǎng)絡(luò)管理，是在商用車輛最廣泛的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。SAE J1939協(xié)議詳細(xì)指定了數(shù)據(jù)傳輸類型、報文結(jié)構(gòu)及其各字段組成，規(guī)定了車輛各類數(shù)據(jù)的編碼，范圍，周期。J1939采用CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)，使用29位幀標(biāo)識符，其數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Protocol Data Unit，PDU）格式如圖4所示。PDU由七部分組成，分別是優(yōu)先級P，保留位R，數(shù)據(jù)頁DP，PDU格式PF，特定PDU位PS（可作為目標(biāo)地址、組擴(kuò)展或?qū)Ｓ迷吹刂罚蛿?shù)據(jù)域DATA。

圖4 J1939 PDU格式

車輛控制網(wǎng)絡(luò)上的多個相關(guān)參數(shù)可以打包在一起，組成參數(shù)群，有一個參數(shù)群編號（Parameter Group Numbers，PGN），并將其分配給PDU。PGN是一個24位的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，一般包括數(shù)據(jù)頁，PDU格式，特定PDU位等。其中的每一個參數(shù)也有一個編號，稱為可疑參數(shù)號（Suspect Parameter Number，SPN）。網(wǎng)絡(luò)上每新增一個參數(shù)，J1939都有一種稱為SLOT的推薦定義方式，定義內(nèi)容包括放大比例，限制范圍，偏移，以及參數(shù)長度。本系統(tǒng)中，新增的參數(shù)包括心率，溫度，酒精濃度，座椅上是否有人4個參數(shù)，設(shè)置如表1所示。

表1 新增參數(shù)定義

軟件開發(fā)使用KEIL MDK-ARM開發(fā)工具，界面友好，調(diào)試方便，程序設(shè)計采用C語言的編寫，設(shè)計流程圖如圖5所示。在座椅ECU系統(tǒng)初始化完畢，檢測藍(lán)牙手環(huán)并進(jìn)行配對，配對成功后會將藍(lán)牙地址存入EEPROM，然后初始化CAN總線，向主控ECU申請設(shè)備地址，開始CAN通信。CAN接收到主控ECU數(shù)據(jù)后，在中斷程序中進(jìn)行處理，如設(shè)置座椅溫度，發(fā)布命令等。系統(tǒng)每500ms循環(huán)一次，檢測座椅溫度，酒精濃度以及心率等參數(shù)，并依次進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，判斷駕駛員狀態(tài)，然后發(fā)送給主控ECU。

圖5 設(shè)計流程圖

2 系統(tǒng)測試

為測試智能座椅能否正常運(yùn)行以及性能是否滿足要求，特設(shè)計制作了一個主控ECU，模擬汽車駕駛環(huán)境，和座椅ECU間采用CAN通信，其運(yùn)行界面如圖6所示。主控ECU可以對溫度進(jìn)行設(shè)置，并顯示溫度，酒精濃度，心率等參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)，如果判斷出駕駛員有酒后駕駛或疲勞駕駛行為，為立即發(fā)出警報聲提醒駕駛員注意安全駕駛。

圖6 測試界面

3 結(jié)束語

本文為改善駕駛環(huán)境、提醒酒后駕駛和疲勞駕駛，研究并設(shè)計了一款智能汽車座椅，系統(tǒng)符合基于CAN 2.0 B的J1939汽車通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，使得設(shè)計具有較好的通用性。經(jīng)測試標(biāo)明，產(chǎn)品具有安裝簡單，操控方便，實(shí)用性強(qiáng)且成本低廉的特點(diǎn)，有較好的市場推廣價值。

* [1]龔杰 賀玉龍，酒后駕駛與我國交通事故現(xiàn)狀分析[J]. 道路交通與安全, 2016,5: 7—10.

* [2]殷康勝，陳勇，汽車座椅和懸架系統(tǒng)舒適性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，計算機(jī)仿真[J]. 2017.9: 160—166.

* [3]任建鵬，李勤，基于單片機(jī)的智能防酒駕控制系統(tǒng)[J]，科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2017.20: 16—17.

* [4]章遠(yuǎn)岸，解決疲勞駕駛有新招：座椅下方裝心率感應(yīng)器 htt ps://www.leiphone.com/[c] 2014.