汽車智能座艙的生命健康狀態監測系統研究

唐山學院 高 欣

智能化是目前汽車新四化趨勢之一，旨在研發汽車的無人駕駛或者駕駛輔助系統等。世界各國的無人駕駛汽車都先后投入路試，汽車駕駛艙的智能技術備受社會各界關注。汽車的智能座艙可以讓現代汽車越發智能、安全、舒適，越發適應當今社會的出行要求。

1 汽車智能座艙的功能需求分析

目前汽車能夠檢測座艙的溫度信息，用于顯示和自動控制空調，少數高端品牌汽車可以檢測座艙中的有害氣體，并自動進行排風處理。汽車座艙內的空氣質量直接影響駕乘人員的人身安全。汽車的車內空氣凈化器的凈化效果有限，且不具備有效預警等功能。同時，車內遺忘兒童并因座艙溫度過高窒息的案例也不勝枚舉，駐車狀態下開空調休息引起有害氣體中毒事件也偶有發生。

隨著無人駕駛汽車技術的發展，汽車迫切需要一個智能座艙能代替“人”的選擇與控制，保證座艙環境的健康舒適，自動監控駕駛人和乘客的健康水平數據，并通過長期采集數據形成大數據并進行后期的數據加工和處理，可以監測汽車的運行狀態，保證汽車和車內人員的安全。

2 汽車智能座艙的生命健康狀態監測系統組成

汽車智能座艙的生命健康狀態監測系統采用模塊化思路設計，主要由駕駛艙環境監測模塊、控制核心模塊及顯示報警動作模塊等組成。其中，駕駛艙環境監測模塊由呼吸監測模塊、人體熱釋紅外感應模塊、溫度檢測模塊及CO檢測模塊等子模塊組成。控制核心模塊為宏晶科技的STC12C5A16S2單片機。顯示報警動作模塊主要由指示燈、蜂鳴器、車窗電機、風扇電機及12864液晶顯示器等子模塊組成。汽車智能座艙的生命健康狀態監測系統組成如圖1所示。

圖1 汽車智能座艙的生命健康狀態監測系統組成框圖

3 汽車智能座艙的生命健康狀態監測系統電路原理

圖2 系統電路原理圖（截屏）

利用Protues軟件初步確定電路方案，并進行電氣連接，如圖2所示。本生命健康狀態監測系統的基本功能為液晶顯示屏顯示座艙當前環境溫度、CO濃度以及乘客的呼吸頻率等指標。當呼吸、溫度或CO濃度指標超出正常范圍，系統啟動報警并驅動相關風扇電機、門鎖電機動作。

4 乘客呼吸狀態監測

本文重點介紹乘客呼吸狀態監測原理。駕駛艙環境監測模塊中的呼吸監測模塊采用Xethru公司的X4M200呼吸監測模塊，它可檢測身體運動、存在、距離及呼吸頻率等，并能實現毫米級的呼吸圖示跟蹤。其采用非接觸式檢測，無需佩戴，能夠透過衣服感應，有效距離高達5 m，能準確提供人的呼吸健康狀況數據，其與單片機接口通信如圖4所示。

圖3 X4M200呼吸監測模塊

圖4 呼吸監測模塊電氣接口圖

呼吸監測模塊配置的呼吸參數狀態協議為：〈Start〉 + 〈XTS_SPR_APPDATA〉 + [XTS_ID_RESP_STATUS（i）] + [Counter（i）] + [StateCode（i）] + [StateData（i）] + [Distance（f）] + [Movement（f）] + [SignalQuality（i）] + 〈CRC〉 + 〈End〉。協議中的“StateData”為每分鐘呼吸次數；“Distance”為檢測到的呼吸的距離；“Movement”為呼吸相對運動；“SignalQuality”是對呼吸信號質量的測量，通常用于識別傳感器是否正確安裝，是從0到10的值，其中0 =低（信號質量差）和10=高（信號質量好）。其中StateCode的對應取值見表1所列。

本系統設計架構合理，并利用Protues仿真驗證電路和軟件邏輯正確性，在系統調試階段找出錯誤并解決，使系統能夠正常運行。系統能夠對汽座艙內溫度、CO濃度及呼吸頻率進行監測，當出現異常情況時能夠驅動相應模塊作出動作。設計功能基本能實現，對應功能可以提高行車安全，實現汽車座艙智能化。

表1 StateCode值