融合多源信息的智能座椅群控系統

易 馳,周 芳,陶文心,伍建輝

(湖南理工學院 信息科學與工程學院,湖南 岳陽 414006)

隨著我國經濟水平的高速發展,人們對汽車座椅的需求不斷提升,在保證汽車座椅安全運行的前提下,人們對汽車座椅舒適性和智能性的要求也在不斷提高. 劉寶華[1]等提出基于機器學習的座椅位姿調整方法,降低座椅姿態調整的誤差,提高座椅姿態調整效率. 朱輝[2]等以BLDCM電動座椅控制系統為例,對座椅姿態調節和記憶系統的軟硬件進行了分析和闡述. 王秀芳[3]等提出一款基于MC68HC908單片機的智能座椅,該智能座椅通過控制繼電器驅動電機控制汽車座椅運動從而達到調節座椅的目的. 張瑞鋒[4]等設計一款基于Android平臺的兒童安全座椅控制系統,該系統通過藍牙通信的方式實現對座椅進行遠程控制.吳春建[5]設計一款基于DSM的座椅智能控制系統,該系統電動機帶有霍爾信號傳感器,給DSM發送座椅位置信號及位置變化的信號,以實現座椅姿態記憶功能. 為進一步滿足人們對汽車座椅的智能化和舒適程度的需求,本文提出了一套智能座椅設計方案,主控芯片以STM32F407為核心,通過LD3320語音識別模塊、手機APP和按鍵模塊對座椅姿態進行調整,以指紋認證的方式實現身份識別,使用GPS、GPRS和慣性導航模塊組成安全守護系統.

1 系統構成

圖1 為智能座椅群控系統框架. 汽車內的座椅分為主駕駛位、副駕駛位、后主座椅以及后副駕駛座椅,每個智能座椅控制部分大體由三個部分組成,分別是控制器、遙控器和手機App,其中控制器主要有座椅姿態的控制、通風、加熱、按摩模塊的驅動、定位和座椅之間藍牙自動組網等功能; 遙控器主要有指紋身份識別、語音控制和按鍵操作控制等功能; 手機App 主要有對座椅姿態群控、綁定用戶信息和安全守護等功能.

圖1 智能座椅群控系統框架

2 硬件設計

智能座椅群控系統的硬件電路主要由控制器和遙控器兩大部分組成,其中控制器電路主要由MCU 電路、藍牙通信電路、記憶電機驅動電路、GPRS 與GPS 電路、慣性導航電路和霍爾信號處理電路組成. 遙控器電路主要由MCU 電路、語音識別電路、身份識別電路、功放電路等組成. 下面重點介紹智能座椅群控系統中的部分關鍵電路.

2.1 MCU 電路

MCU 電路主要由供電電源、STM32F407 芯片、晶振電路、SWD 接口電路和復位電路組成,其中晶振電路選擇使用8 MHz 的石英晶振,供電電源先利用隔離電源12S05 將12 V 轉換為5 V,再利用穩壓芯片AMS1117 芯片將5 V 轉換為3.3 V,數字地與模擬地均采用0 Ω 電阻進行隔離.

2.2 記憶電機驅動電路

如圖2 所示,記憶電機驅動電路主要由光耦EL357N、三極管8050、雙向繼電器ET2-B3M1、肖特基二極管SS14 和自恢復保險絲組成. 若Forward-MCU 為低電平,則光耦U5 導通,三極管Q1 截止、三極管Q2 導通,雙向繼電器正向導通,記憶電機正轉; 若Back-MCU 為低電平,則光耦U4 導通,三極管Q1 導通、三極管Q2 截止,雙向繼電器反向導通,記憶電機反轉; 當Forward-MCU 和Back-MCU 為高電平時,三極管Q1 和Q2 都截止,雙向繼電器不導通,記憶電機不動作.

圖2 電機驅動電路

2.3 記憶電機霍爾信號處理電路

如圖3 所示,記憶電機霍爾信號處理電路主要由放大器LM358 和光耦EL357N 組成. 當記憶電機旋轉一圈時,霍爾信號輸出端口輸出一電流方波信號. 本系統擬根據電流霍爾信號的脈沖計數來確定記憶電機旋轉圈數. 記憶電機電流霍爾信號UD_HALL+經放大器LM358 差分放大與比較后,輸出一低電平為0 V、高電平為12 V 的方波信號,再經光耦EL357N 隔離輸出至MCU 捕獲端口,以此使MCU 實現脈沖計數功能.

圖3 電機霍爾信號處理電路

2.4 語音識別電路

如圖4 所示,語音識別電路主要由LD3320 芯片、咪頭、喇叭和晶振組成. 音頻信號從LX_MICP 和LD_MICN 端口輸入至LD3320 中的音頻輸入口,經LD3320 內部語音信號處理后,通過SPI 方式傳送至MCU,以此使MCU 實現語音識別功能. LD3320 內部語音信號處理是通過頻譜分析和提取語音特征,再與已設置的關鍵詞語進行比較和打分,并將得分最高的值儲存到C5 寄存器中,C5 寄存器的值通過SPI 方式發送給MCU.

圖4 語音識別電路

3 軟件設計

基于Keil 軟件進行智能座椅群控系統的軟件設計. 系統軟件設計主要包括: 主程序軟件設計、語音控制軟件設計、藍牙通信軟件設計、慣性導航模塊軟件設計、身份識別軟件設計和手機App 軟件設計等. 下面重點介紹智能座椅群控系統中的部分軟件設計.

3.1 主程序軟件設計

智能座椅群控系統主程序流程如圖5 所示. 智能座椅群控系統主程序主要由初始化、慣性導航、語音識別、身份識別、藍牙通信、通風調節、加熱調節和按摩調節等模塊組成. 模塊初始化后,主程序進入循環,等待藍牙與手機建立連接,接收手機客戶端發送過來的指令. 一旦收到有效指令,就對記憶電機驅動電路進行控制,實現對座椅的智能控制. 若沒有接收到指令,則進行按鍵檢測,通過按鍵來觸發不同的功能模塊,分別實現語音控制、身份識別和座椅姿態調節、加熱、按摩和通風等功能.

圖5 智能座椅群控系統主程序流程

3.2 語音控制軟件設計

智能座椅群控系統語音識別流程如圖6 所示. 首先程序等待語音按鍵觸發,一旦檢測到按鍵觸發,先進行LD3320 初始化,然后判斷LD3320 內部的DSP 是否空閑,若空閑則發出提示語音,等待語音輸入并進行計時,如果超過10 分鐘沒有語音輸入則重新進行按鍵檢測循環; 當有語音輸入時LD3320 進入輪詢模式[6],將語音寫入識別列表,系統開始進行語音識別,并準備好中斷響應函數,初始化寄存器,打開中斷允許位; 識別完成后,將最可能正確的值寫入C5 寄存器并通過SPI 方式發送給MCU,執行相對應指令的操作,同時初始化計時器.

圖6 智能座椅群控系統語音識別流程

3.3 身份識別軟件設計

身份識別是基于電容式指紋識別模塊開發設計,通過按鍵喚醒指紋識別,然后等待錄入指紋,指紋錄入后提取有效的指紋特征,若沒有提取到指紋特征則語音提示重新錄入指紋; 若提取到指紋特征則將指紋與記憶庫中指紋進行匹配. 如果相匹配則恢復已記憶的座椅姿態; 反之則調整座椅姿態,再長按記憶按鍵記憶當前座椅姿態. 智能座椅群控系統身份識別軟件設計流程如圖7 所示.

圖7 智能座椅群控系統身份識別軟件設計流程

3.4 手機App 軟件設計

手機App 基于藍牙進行通信. 用戶使用手機App 通過藍牙可對座椅進行群控; 同時手機App 能夠對汽車進行定位追蹤并實時顯示地圖; 能夠綁定用戶手機號碼,當發生緊急情況時,能夠發送報警短信至已綁定的號碼上; 當用戶離開車輛時,用戶仍然可以通過手機App 連接網絡從而實現對座椅狀態的遠程設置操作. App 軟件設計流程如圖8 所示.

圖8 手機App 軟件設計流程

4 功能測試

4.1 語音控制功能測試

語音控制要求系統在用戶觸發語音按鍵之后,對輸入的語音與已設置的關鍵詞進行匹配,并輸出相對應的指令控制智能座椅. 定義語音識別率為

由于LD3320 會將識別結果存儲到C5 寄存器,然后輸出到MCU 中,因此只要給LD3320 咪頭反復輸入待識別語音,判斷MCU 中C5 寄存器的值是否與輸入語音對應的值相匹配. 實驗次數為100 次,識別正確次數為96 次,語音識別率為96%. 實驗結果表明該系統語音控制功能較好.

4.2 手機App 功能測試

智能座椅手機APP 界面如圖9 所示,包括座椅控制、安全守護和用戶設置三個頁面. 座椅控制頁面能夠通過藍牙完成對各個座椅的六向姿態調節、通風、加熱和按摩等控制功能; 安全守護頁面能夠對汽車當前位置的進行定位和追蹤; 用戶設置頁面能夠完成藍牙的連接和電話號碼的綁定,在發生危險時能夠發送短信給已綁定的電話號碼. 報警短信接收界面如圖10 所示.

圖9 手機APP 界面

圖10 報警短信接收界面

4.3 身份識別功能測試

身份識別測試目的是測量恢復后的座椅姿態是否能達到記憶時的座椅姿態. 先調整座椅為某一姿態,并記錄該姿態的各項位置數據,再將座椅復位至初始狀態,然后用指紋驗證恢復至調整姿態,比較當前數據與姿態復位之前的數據,測試結果見表1. 在實際工作中,由于電機的轉動慣量、計數器和霍爾傳感器的誤差等原因,無法實現理論上的完全記憶,必然會產生姿態誤差.

表1 理論記憶值與實際恢復值對比

5 結束語

本文提出了一套完整的智能汽車座椅硬軟件系統設計方案,并基于STM32F407 平臺進行開發與實現,智能座椅在姿態調節的基礎上加入了通過語音和指紋對座椅的姿態進行調整和記憶的功能,使用藍牙mesh 自組網實現對座椅的群控功能,使用慣導模塊對座椅姿態進行監測,實現了座椅姿態異常時發送短信給緊急聯系人的安全守護功能. 這些功能提高了用戶使用智能座椅的體驗感,減少了人們對汽車座椅的不舒適感,打造出更加舒適和智能的車內環境.