基于嵌入式的车载安全及舒适度评价系统设计

徐 昊，梁祥波，李东辉

（信阳职业技术学院 数学与计算机学院，河南 信阳　464000）

基于嵌入式的车载安全及舒适度评价系统设计

徐 昊，梁祥波，李东辉

（信阳职业技术学院 数学与计算机学院，河南 信阳464000）

以51单片机作为核心处理平台，以 MATLAB仿真为手段，设计一款提高现代汽车安全性、舒适度的车载舒适度及驾驶安全实时记录评价系统.在驾驶过程中，通过测量驾驶时间、车辆前后左右的距离、加速度、速度及振动强度对安全性进行检测预防，对舒适度进行评价，并对车主作出相应的提醒及报告.该系统是首次针对车辆行驶安全设计的，在功能上将安全检测预防、事故报警追踪、舒适度评价等相结合，体现互联网、电子、车辆相结合的优越性，具有很好的应用前景.

51单片机；安全检测预防；舒适度评价

1　国内外研究现状以及发展动态

国外的车载舒适度的研究已经获得应用.国际标准组织和国际铁路联盟，在1985年制定了《震动冲击对人的影响评判标准》，针对该标准的科学研究一直展开.在过去的车载舒适度研究领域，美国、日本、德国等汽车大国相继作出了研究，研究成果已经广泛应用于汽车制造领域，用以增强本国汽车制造行业的竞争力.如日本制定了舒适度曲线，德国的Sperling平稳性指标等.中国的汽车制造业起步较晚，随着近些年汽车制造行业的崛起，国内平稳性指标相继出台.如国内制定的GB5599—85《铁道车辆动力学性能评定和鉴定规范》、TB/T 2360—93《铁道车辆机车动力学性能试验鉴定方法和评定准则》等［1］.对于汽车安全驾驶等领域，国外很早就开始进行研究，如车速与车祸，加速度与车祸之间的关系，国外做了大量的统计工作，并用特征匹配的方法估算每种车型的驾驶安全技术.这类成果为车载舒适度和安全驾驶等领域提供强有力的理论依据.国内目前也开始这方面的研究，但实际工程应用还比较少.基于互联网的车载系统作为未来发展过程中新的发展方向，许多国家及其大型互联网、电子方面的公司都对该系统进行了研究和探索，使其能够提高安全性、方便性、娱乐性等.

车载智能娱乐系统是衡量汽车品质的重要指标.最初该系统由磁带机、收音机一体，后逐步演变成目前的集视频和音频播放为一体的模式.后汽车时代，车载娱乐系统还将提供上网服务，智能导航服务等模式.本设计以车载安全舒适为理念，通过嵌入式系统的设计与理解，结合车载系统实际应用的环境需求，设计一种基于嵌入式的车载舒适度智能衡量系统，该系统主要实现事故的追踪报警，安全检测、预防，以及车载舒适度智能评价等功能.还可根据用户的需求，在此基础上扩展其他功能.

2　系统方案设计

通过对目前存在的车载系统的分析，设计系统功能框图，如图1所示.

图1　系统功能框图

通过对系统功能需求的分析和相关功能指标的规划，设计系统总体功能实现方案:

1） 当系统启动后，会自动进行空气酒精浓度检测，当检测到空气酒精浓度超标时，系统会发出酒驾语音报警提醒驾驶员不要酒后驾驶，以保证驾驶安全性.

2） 车辆行驶过程中，系统会实时采集并显示环境温湿度、振动强度、行驶速度、行驶加速度等信息，同时对采集到的数据进行处理，计算出车辆当前的舒适度和安全度并分级显示.

3） 当车辆安全度和舒适度过低时，系统会分别发出安全度和舒适度过低的语音警告，提醒驾驶员调整驾驶行为.

4） 系统的正前方和左右两个侧面装有超声波测距模块，实时监测车子与周围车辆或物体的距离，当距离低于安全距离时，系统会发出车距危险的语音警告，提醒驾驶员保持安全车距.

5） 系统中的SD卡存储模块会将车辆行驶过程中的速度、加速度、振动强度、空气酒精浓度、行驶方向、GPS定位坐标等驾驶数据全部记录下来，当发生事故时可以用来对事故进行分析.当车辆在驾驶途中发生事故时，会触发系统自动报警，发出警报语音并提醒来往车辆行人注意.同时GSM短信模块会向预设的电话号码如亲属或交通警察发送包含车辆具体GPS地理位置的求救短信，这大大减少了报警所需时间，提高了车辆人员的人身安全保障.

6） 在驾驶途中迷路时，车主可利用GPS获取的地理位置向外求救或者查询进而寻求路径.在车辆被盗时，可通过GPS获取车辆地理位置从而缩短找回车辆的时间.

3　系统设计与实现

3.1系统硬件设计

本系统硬件部分主要包括:加速度模块、振动传感器模块、GSM模块、语音模块、酒精测试模块、超声波模块、温湿度采集模块、显示屏模块、GPS模块、SD卡存储模块等［2］.系统硬件框图如图2所示.

3.1.1部分传感器数据采集模块设计

1） 温湿度检测模块.考虑到温度、湿度是影响人们是否感觉舒适的重要环境指标，通过使用温湿度传感器实时采集温湿度信息，即时在显示屏上显示，并通过相应的数据处理与分析对舒适度进行评价.

2） 振动传感器模块.如果要对舒适度进行评价，人坐在车里感觉到的震动也是很重要的一个因素［3］.采用高精度振动传感器采集车辆振动强度，实物图如图3所示.压电传感器是利用压电效应来检测振动系数.具体工作方式为当被检测物体的振动对压电传感器产生压力后，晶体元件会产生相应的压电，通过电压系数即可转换出振动参数，根据振动参数还可计算出系统的加速度［4］.

图2　硬件设计框图

图3　振动传感器模块

3） 酒精浓度检测模块.发生交通事故的原因很大一部分是由于酒驾引起的，本系统通过酒精浓度检测，判断是否存在酒驾行为，并提醒驾驶员不要酒后驾驶.同时酒驾行为可以通过系统存储的驾驶数据识别出来，在事故发生时可成为驾驶员危险驾驶的有力证据，可以协助警方严厉查处酒驾行为.

4） 超声波测距模块.用超声波模块实时测量车辆与周围车辆或物体的距离，能帮助驾驶员在驾驶过程中时刻保持安全距离，最大程度上保证驾驶的安全性.

5） 三轴陀螺仪.车辆行驶过程中的加速度和速度的大小很大程度上决定了车辆的安全性和舒适度，系统中的三轴陀螺仪可以精确地测量出车辆行驶的加速度、转动角速度，并通过显示屏显示出来，让驾驶员能够直观地掌握驾驶情况并及时作出调整，保证车辆行驶的安全性和舒适度.

3.1.2语音报警器驱动模块

当车辆处于舒适度低、安全度低、没有保持安全车距或驾驶员有酒后驾驶行为时，会触发语音报警系统发出语音报警，有效地对驾驶员作出警示，一定程度上避免事故发生.

3.1.3GSM模块

系统使用的GSM模块是双频900/1 800 MHz高度集成的TC35系列.TC35无线GSM通信模块集成了标准的RS232接口以及SIM卡，其最高频率可达90 MHz，片内4 K以上FLASH程序存储器，8 K左右的片内EEROM，512—1 208 B片内RAM，36个IO口.通过使用TC35无线GSM通信模块，在事故发生或车辆被盗后，GSM会自动发送短信给专业救援人员、交通警察或亲属等.GSM模块实物图如图4所示.

3.1.4SD卡存储模块

以SD卡为载体的汽车黑匣子系统已经广泛应用于汽车制造行业.本系统SD卡采用SPI读写方式，根据SPI四线通信协议，对SD卡进行读写操作，记录系统的车载实时数据，便于后期的数据处理以及车载安全舒适度的评价.

图4　GSM模块实物图

3.1.5GPS模块

GPS模块是一款全球定位系统的高精度芯片，用于对车载系统的实时定位.GPS芯片能够同时追踪高达20多个的定位卫星，定位算法稳定且精确.本系统利用GPS获取汽车的确切位置以及行驶的记录，通过对行驶路径的分析可以大大提高系统的耐用性以及稳定性.为汽车的安全系数评价奠定数据基础.GPS模块实物图如图5所示.

图5　GPS模块实物图

3.1.6可触摸液晶显示屏

7寸串口屏具有上电即刻运行、速度快、可靠性强、高清晰度、低功耗等特点，可生动直观地显示车辆行驶过程中的状态信息，同时也可触摸查看更详细的信息，还可以手动触发事故报警.

3.2系统软件设计

系统的软件设计流程图如图6所示.

图6　软件设计流程图

4　设计创新点

本系统充分利用嵌入式可扩展性优异的特点，开发出一款低成本、高效益的车载舒适系统.该系统通过相关智能算法可以很好地完成对车载舒适度和车载安全系数的智能评估［5］.研究表明，车辆震动是人体产生不舒适的主要因素，本系统根据IOS相关标准建立基于加速度的车载舒适度智能算法，能够有效地对车载安全舒适度进行分析，提高测量的综合性能.结合目前市场上的车载舒适度评价系统，本系统具有如下特点:

1） 可扩张性能好.本系统接口丰富，能够极大地方便用户扩展自己的外用设备.

2） 研究价值高.本系统利用黑匣子思路，实时记录车载的各类数据，便于研究人员对车载安全舒适度的进一步探索.

3） 本系统价格普遍低于市面上的车载安全舒适度评价系统以及车载定位系统，物美价廉使本系统具有很强的竞争优势.

［1］ 杜子学，李宁，陈帅. 跨坐式单轨车辆曲线通过性能仿真分析［J］. 城市轨道交通研究，2012，15（7）:22-25.

［2］ 王剑锋. Altium Designer 10 PCB设计过程优化探讨［J］. 机电一体化，2015，21（6）:65-68.

［3］ 崔志磊，苏东，王金娥. 汽车座椅电动滑轨舒适性测试系统的研究［J］. 苏州市职业大学学报，2014，25（4）:15-17.

［4］ 薛玉. 铁路旅客列车振动舒适度评价分析研究［D］. 北京:北京交通大学，2011.

［5］ 丁鹏芳. 基于DSP的列车舒适度、平稳性指标测试仪设计［D］. 成都:西南交通大学，2006.

（责任编辑:李 华）

Design of A Vehicle Safety and Comfort Evaluation System Based on Embedded

XU Hao，LIANG Xiang-bo，LI Dong-hui
（School of Mathematics and Computer，Xinyang Vocational and Technical College，Xinyang 464000，China）

By adopting 51 single chip microcomputer as the core processing platform and MATLAB simulation as a means， an evaluating system， which targets at improving safety， comfort and real time recording of vehicles，is designed. It can evaluate the safety and comfort of driving by measuring drive time， the space around the vehicle， acceleration， speed and vibration. It can also report to or caution the driver accordingly. It is the first time that this system has been designed to address the problem of safety in driving， which enjoys the superiority of integrating such functions as safety detection and precaution， accident alarming and tracing and comfort evaluating and of integrating the internet， the electronic devices and the vehicles. It is believed to have a good prospect of application.

51 single chip microcomputer；safety detection and precaution；comfort evaluation

U463.6

A

1008-5475（2016）03-0030-04

10.16219/j.cnki.szxbzk.2016.03.005

2016-02-06；

2016-03-05

徐 昊（1981-），男，河南信阳人，讲师，硕士，主要从事网络技术及电子技术研究.

徐昊，梁祥波，李东辉.基于嵌入式的车载安全及舒适度评价系统设计［J］.苏州市职业大学学报，2016，27（3）：30-33.