汽车智能座舱的生命健康状态监测系统研究

唐山学院 高 欣

智能化是目前汽车新四化趋势之一，旨在研发汽车的无人驾驶或者驾驶辅助系统等。世界各国的无人驾驶汽车都先后投入路试，汽车驾驶舱的智能技术备受社会各界关注。汽车的智能座舱可以让现代汽车越发智能、安全、舒适，越发适应当今社会的出行要求。

1 汽车智能座舱的功能需求分析

目前汽车能够检测座舱的温度信息，用于显示和自动控制空调，少数高端品牌汽车可以检测座舱中的有害气体，并自动进行排风处理。汽车座舱内的空气质量直接影响驾乘人员的人身安全。汽车的车内空气净化器的净化效果有限，且不具备有效预警等功能。同时，车内遗忘儿童并因座舱温度过高窒息的案例也不胜枚举，驻车状态下开空调休息引起有害气体中毒事件也偶有发生。

随着无人驾驶汽车技术的发展，汽车迫切需要一个智能座舱能代替“人”的选择与控制，保证座舱环境的健康舒适，自动监控驾驶人和乘客的健康水平数据，并通过长期采集数据形成大数据并进行后期的数据加工和处理，可以监测汽车的运行状态，保证汽车和车内人员的安全。

2 汽车智能座舱的生命健康状态监测系统组成

汽车智能座舱的生命健康状态监测系统采用模块化思路设计，主要由驾驶舱环境监测模块、控制核心模块及显示报警动作模块等组成。其中，驾驶舱环境监测模块由呼吸监测模块、人体热释红外感应模块、温度检测模块及CO检测模块等子模块组成。控制核心模块为宏晶科技的STC12C5A16S2单片机。显示报警动作模块主要由指示灯、蜂鸣器、车窗电机、风扇电机及12864液晶显示器等子模块组成。汽车智能座舱的生命健康状态监测系统组成如图1所示。

图1 汽车智能座舱的生命健康状态监测系统组成框图

3 汽车智能座舱的生命健康状态监测系统电路原理

图2 系统电路原理图（截屏）

利用Protues软件初步确定电路方案，并进行电气连接，如图2所示。本生命健康状态监测系统的基本功能为液晶显示屏显示座舱当前环境温度、CO浓度以及乘客的呼吸频率等指标。当呼吸、温度或CO浓度指标超出正常范围，系统启动报警并驱动相关风扇电机、门锁电机动作。

4 乘客呼吸状态监测

本文重点介绍乘客呼吸状态监测原理。驾驶舱环境监测模块中的呼吸监测模块采用Xethru公司的X4M200呼吸监测模块，它可检测身体运动、存在、距离及呼吸频率等，并能实现毫米级的呼吸图示跟踪。其采用非接触式检测，无需佩戴，能够透过衣服感应，有效距离高达5 m，能准确提供人的呼吸健康状况数据，其与单片机接口通信如图4所示。

图3 X4M200呼吸监测模块

图4 呼吸监测模块电气接口图

呼吸监测模块配置的呼吸参数状态协议为：〈Start〉 + 〈XTS_SPR_APPDATA〉 + [XTS_ID_RESP_STATUS（i）] + [Counter（i）] + [StateCode（i）] + [StateData（i）] + [Distance（f）] + [Movement（f）] + [SignalQuality（i）] + 〈CRC〉 + 〈End〉。协议中的“StateData”为每分钟呼吸次数；“Distance”为检测到的呼吸的距离；“Movement”为呼吸相对运动；“SignalQuality”是对呼吸信号质量的测量，通常用于识别传感器是否正确安装，是从0到10的值，其中0 =低（信号质量差）和10=高（信号质量好）。其中StateCode的对应取值见表1所列。

本系统设计架构合理，并利用Protues仿真验证电路和软件逻辑正确性，在系统调试阶段找出错误并解决，使系统能够正常运行。系统能够对汽座舱内温度、CO浓度及呼吸频率进行监测，当出现异常情况时能够驱动相应模块作出动作。设计功能基本能实现，对应功能可以提高行车安全，实现汽车座舱智能化。

表1 StateCode值