智能手環協同汽車控制技術研究

黃明明， 朱向冰

(安徽師范大學 物理與電子信息學院， 安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

隨著汽車工業的快速發展，中國的汽車持有量不斷增加，用戶對汽車除了希望在滿足舒適性，安全性的同時，還加入了智能化的產品需求。作為一款備受大眾喜愛的智能設備，智能手環因為適用于豐富的使用場景而引起了業界學者的關注和重視。現有的技術方案關于智能手環與汽車的協同使用場景中，智能手環的主要功能為開關車門、后備箱以及一鍵啟動汽車，在功能上較為單一，控制程度較低，無法充分地利用智能手環功能與汽車在協同交互性配合上去執行更多的復雜操作。本文以輔助駕駛安全為核心推出了一款智能手環，通過對智能手環的軟硬件設計，致力于對智能手環與汽車在交互協同使用中進行有針對性的、智能化開發設計，例如增加了對車窗控制、車載播放器控制、車載空調控制和座椅控制等，使其能夠完成更多復雜的工作，而不只是局限于現有的簡單交互功能，并針對非駕駛位的使用功能做了更多的設計，從而在更大程度上減少了駕駛者在行駛過程中的諸多干擾。同時借助智能手環在汽車駕駛應用場景中的優化作用，就能更好地利用智能手環保護汽車駕駛中的安全。

1 智能手環設計

1.1 硬件設計

智能手環整體硬件設計系統框圖，如圖1所示。

圖1 智能手環系統的整體硬件設計

1.2 軟件設計

1.2.1 智能手環操作系統

智能手環采用嵌入式芯片作為主控芯片，由于手環體積及成本等因素的限制，采用的嵌入式芯片受限于RAM資源，選擇占用資源少的小型操作系統FreeRTOS。FreeRTOS是一個源碼公開的免費實時操作系統，能夠很好地移植至各類型芯片工作。通過將智能手環中的FreeRTOS操作系統配置為可剝奪內核操作系統，任務狀態如圖2所示。在此種操作系統設置下，通過設置任務優先級的大小，使高優先級的操作任務能夠快速進入部署狀態，搶占低優先級任務的CPU使用權,確保駕駛者關于安全健康的任務優先級高于對汽車基礎設施的操控任務[1]。

1.2.2 智能手環軟件設計

智能手環控制核心通過觸摸屏設計顯示選項，收到觸摸選擇后控制核心對該選項指令進行分析處理。智能手環軟件設計中將監測身體狀態的傳感器執行設置為高優先級任務，將普通的汽車狀態控制設置為低優先級任務；在智能手環與汽車的交互場景中，智能手環需要接收來自汽車發送的狀態及安全指令，在此種接收狀態下，將汽車安全駕駛問題設置為高優先級任務，將手環基本顯示功能等設置為低優先級任務，如圖3所示。

圖2 FreeRTOS任務狀態 圖3 任務優先級列表

1.2.3 智能手環快速進入及啟動汽車系統

智能手環通過RF或LF天線與汽車PEPS控制模塊連接，如圖4所示。在進入汽車后，通過藍牙或WiFi模塊與汽車始終保持連接。

無鑰匙進入(PE) 與啟動( PS) ,是駕駛者在進入車輛前與進入車輛后的兩個階段。通過智能手環搭載的藍牙或者RFID無線射頻識別技術，與汽車的電子系統進行交互使用，能夠在手環上認證唯一秘鑰，通過秘鑰識別來打開汽車車門。

通過將鑰匙集成在手環內部，當手環靠近車輛時，手環的信號出現在車門把手的輻射范圍內，計算信號強度，通過強度計算人與車把手的距離，并通過拉動門把手這一觸發信號，控制電子轉向柱鎖的解鎖及啟動電機轉向，完成解鎖車門動作。在進入車門后，智能手環可以通過藍牙或者WiFi與車輛保持連接狀態，通過連接信號狀態及秘鑰識別對車主進行身份識別，并通過判斷與智能手環連接狀態來決定是否選擇無鑰匙啟動汽車駕駛，而在信號判斷成功后，通過踩剎車或者離合器時按下啟動開關完成對汽車的無鑰匙啟動[2-4]。

1.2.4 BCM車身控制模塊

手環通過藍牙信號與車身電子系統保持連接狀態，BCM車身控制模塊通過藍牙信號將車身各處鎖的狀態和車窗狀態發送到手環上，并可以通過手環開關各處鎖，鎖上或開啟車門及升降車窗。車輛接收到手環發送開關鎖信息后，處理器對此信息予以加工處理，將狀態轉化為對各處鎖的控制，啟停電子轉向鎖控制車門上鎖，啟停升降電機控制車窗的升降。在完成指令動作后，檢測電子轉向鎖和升降電機狀態，獲取各處鎖的狀態和車窗狀態并將信息發送至手環，手環更新原有信息即可給出故障報錯。

1.2.5 車載播放器控制

智能手環與車載播放器進行連接，通過手環可以遙控車載播放器播放歌曲或收聽廣播等。智能手環控制播放器狀態下，手環界面設計中應對專門應用場景來規劃出專屬界面，與車載播放器進行相互傳送信息，手環獲取車載播放器反饋回的播放歌曲信息或收音機播放頻率，并可以對歌曲進行切換操作或對收音機換臺操作。此功能可以有效幫助后座乘客更加方便快捷地控制車載播放器狀態，免除駕駛者在駕駛過程中可能因分神控制車載播放器而造成安全事故，使得駕駛更加方便、安全。

1.2.6 車載空調控制

智能手環與車載控制系統進行連接，通過智能手環可以快速進入空調設置狀態，還可以通過在智能手環控制端設計控制界面，就可對所有車載空調的狀態做出精細控制，例如精確到對各個出風口的轉向控制，通過手環來控制調整出風口扇葉，而在車載系統接收信息后則可控制電機來設置出風口角度。在智能手環中集成以上功能可以使后座乘客對車載空調進行控制，同時也能更好地保護駕駛安全。

2 智能手環與汽車協同工作下的安全設計

2.1 手環姿態進行座椅調整控制

現階段汽車座椅的控制需要手動調整，而且也無法實時地根據坐姿調整出合適的座椅角度。智能手環佩戴在手腕，通過手環內部電路集成的陀螺儀傳感器，電路如圖5所示，能夠獲取智能手環轉向的姿態角。通過手環與汽車電子控制系統的連接，利用智能手環中設置界面選項可以對座椅進行選擇控制。智能手環獲取手腕轉動導致的姿態角變化進行調整座椅控制，使用者可以坐在座椅上通過轉動手腕角度就可實現座椅角度調整，能夠更加貼合地控制選擇汽車座椅的角度。智能手環在獲取姿態角的變化后，在對數據整合計算后將姿態數據傳輸至汽車數據接收端，并經汽車控制中心傳遞至座椅控制MCU，進行座椅的調節，而且還可以通過手環選擇進行座椅前后調節或座椅角度調節。

2.2 身體安全狀態與提醒設計

智能手環可以清晰簡捷地監測佩戴者的身體狀態。可以通過心率檢測反映駕駛者的駕駛狀態，檢測電路如圖6所示，并及時對駕駛者做出安全提醒，還可以在數據異常時在車內及設置的安全中心發送報警信號。智能手環通過計算佩戴者的駕駛時間，在超出設置時長后友好提醒駕駛者注意合理休息。手環的振動提示系統可以與汽車語音提示系統相互配合使用，在汽車語音系統提示駕駛者各類相關駕駛事件的同時，手環振動系統配合汽車語音提示系統將生成預期定制的相應振動提示。

2.3 遠程控制車內設備

汽車遠程控制系統汽車端車載信號端配置有4G模塊或其他通信模塊，可與智能手環等發送端進行互聯通信，如圖7所示。研究后可知，車輛自身控制系統通過CAN總線建立連接，當接收到發送端發出信號時，汽車端即對信號進行解碼處理，當唯一秘鑰符合通過識別，則允許該信號所包含控制信息對車輛進行遠程控制，并通過汽車端載通信模塊將車輛狀態發送到移動信號端，其中包括指令的執行情況及未執行原因等，有效防范漏掉需及時處理的故障信息。

圖7 汽車信息發送至智能手環

2.4 車輛防盜

車輛搭載GPS全球定位系統，智能手環佩戴者可以通過設置與車輛達成秘鑰配對，完成秘鑰信息匹配后，汽車端將車輛位置信息發送至智能手環端，汽車主人可以通過智能手環實時地查看車輛位置信息。當車輛在被以非正常方式控制啟動時，車輛控制系統就會將位置信息迅速發送至智能手環端，并主動發出振動報警提示，再將車輛的實時位置信息不斷地發送至智能手環端，方便查看車輛位置信息，幫助盡快找回被盜車輛。

3 結束語

本文通過智能手環設備與智能駕駛技術的協同研究來展望未來汽車駕駛物聯網技術的發展,提出一種更加快速、方便的智能手環與汽車的應用方案。利用多種智能設備與技術的協同配合使設備應用場景不再單一化，在相當程度上豐富了電子產品的應用功能，提高了電子產品的使用價值。隨著電子信息技術的不斷進步，芯片的制程日漸精密，相同成本下的電子產品的功能也日趨豐富，而與可穿戴設備的普及態勢相適應的是，智能手環與其他應用設備共同協調工作的場景則會更加普遍，也更加智能，方便人們生活。