基于CAN總線的智能汽車座椅設計

龔志鵬，高秋榮，潘汨，余偉豪，張鑫明

（湖南工程學院電氣信息學院，湖南湘潭，411104）

0 引言

隨著社會生產力的發展和人們生活水平的提高，汽車進入了千家萬戶，成為人們日常生活中的一部分，但同時也產生了大量的交通事故，中國成為世界上交通事故死亡人數最多的國家之一，嚴重影響人們生命財產的安全。數據顯示，酒后駕駛和疲勞駕駛是引發交通事故的重要原因[1]。雖然目前有較嚴厲的交通法規明文禁止并進行處罰，但現實中不可能時刻全面檢查，而且有些問題，比如疲勞駕駛是難以檢測的。同時駕駛員不夠重視，抱有各種僥幸心理，也使得酒后駕駛和疲勞駕駛屢禁不止。這時我們需從另一個方面對駕駛員進行善意提醒與幫助，如積極改善駕駛環境，及時告知其目前狀況是否適合于繼續駕駛。為達到此目的，駕駛員在行車時接觸較多的座椅成為許多學者重點研究對象，目前研究工作主要集中于座椅的形狀、構造性能參數的研究等方面，試圖在坐姿上改善舒適性[2]，部分學者嘗試使用單片機檢測酒駕[3]，但沒有考慮與車輛總線連接與數據傳輸。一些汽車零部件供應商提出了在車后加裝傳感器感應心率，以判斷疲勞駕駛，目前尚在概念階段[4]。本文嘗試設計一款功能全面，性能更好且與整車控制融于一體的智能汽車座椅，旨在一定程度上避免了因汽車座椅舒適度、酒后駕駛、疲勞駕駛而導致的不必要的交通事故。

1 系統方案設計與實現

■1.1 系統的組成

基于CAN總線的智能汽車座椅設計方案如圖1所示，汽車座椅的電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）用于檢測座位是否有人，測量座椅溫度，根據設置的溫度要求控制制熱元件；檢測空氣中酒精濃度，判斷是否有酒后駕駛；經藍牙從從智能手環讀取心率數據，依據心率變化判斷是否有疲勞駕駛行為。座椅ECU將判斷結果及所測得的參數通過CAN總線發送個主控ECU，提醒駕駛員安全駕駛。

智能座椅各控制單元，傳感器及執行器的布置的布置如圖2所示，加熱墊采用標準電壓為12V碳纖維材料；壓力檢測開關用于檢測作為上是否有人，置于座位下方；座椅ECU主板置于座椅背后，這樣受震動與擠壓影響相對較小，有利于電路穩定工作；溫度傳感器置于加熱墊背后，且靠近ECU位置；考慮到目前非接觸式心率測量技術尚不成熟，系統中采用了智能手環測量駕駛員心率，經藍牙傳至座椅ECU進行處理。

圖1 汽車座椅設計方案

圖2 智能座椅布置方案

■1.2 系統硬件實現

系統實現如圖3所示，系統采用STM32F103ZET6為核心，其內核為cortex-M3，且具有512K FLASH，64KRAM，性能較強；溫度傳感器采用DS18B20，自行完成溫度檢測并轉換成數字信號，通過數據總線傳給CPU；酒精濃度傳感器采用MQ-03；為保存本機參數，如設定酒精報警濃度，特定辨識心率及設定溫度值等，系統擴展一個EEPROM芯片AT24C02，容量256字節；CAN接口采用MCP2551驅動芯片；人員檢測采用壓力開關；電熱墊采用12V功率為45W碳纖維材料，具有抗折疊，發熱快，效率高及安全好等優點，并采用雙通道功率MOSFET IRL6297驅動，最大電路可達15A；ECU與手環通信采用CC2541低功耗串口透傳藍牙模塊。智能手環采用集低功耗藍牙的DA14580芯片，并采用SON7015作為心率傳感器。

圖3 系統實現框圖

■1.3 系統軟件實現

1.3.1 J1939協議及數據結構實現

J1939是美國汽車工程協會（Society of Automotive Engineers，SAE）制定的基于CAN總線的汽車控制與通信網絡標準，包括對CAN總線物理層、數據鏈路層、網絡層及應用層定義，還有故障診斷和網絡管理，是在商用車輛最廣泛的協議標準。SAE J1939協議詳細指定了數據傳輸類型、報文結構及其各字段組成，規定了車輛各類數據的編碼，范圍，周期。J1939采用CAN2.0B標準，使用29位幀標識符，其數據鏈路層協議數據單元（Protocol Data Unit，PDU）格式如圖4所示。PDU由七部分組成，分別是優先級P，保留位R，數據頁DP，PDU格式PF，特定PDU位PS（可作為目標地址、組擴展或專用源地址），和數據域DATA。

圖4 J1939 PDU格式

車輛控制網絡上的多個相關參數可以打包在一起，組成參數群，有一個參數群編號（Parameter Group Numbers，PGN），并將其分配給PDU。PGN是一個24位的數據結構，一般包括數據頁，PDU格式，特定PDU位等。其中的每一個參數也有一個編號，稱為可疑參數號（Suspect Parameter Number，SPN）。網絡上每新增一個參數，J1939都有一種稱為SLOT的推薦定義方式，定義內容包括放大比例，限制范圍，偏移，以及參數長度。本系統中，新增的參數包括心率，溫度，酒精濃度，座椅上是否有人4個參數，設置如表1所示。

表1 新增參數定義

軟件開發使用KEIL MDK-ARM開發工具，界面友好，調試方便，程序設計采用C語言的編寫，設計流程圖如圖5所示。在座椅ECU系統初始化完畢，檢測藍牙手環并進行配對，配對成功后會將藍牙地址存入EEPROM，然后初始化CAN總線，向主控ECU申請設備地址，開始CAN通信。CAN接收到主控ECU數據后，在中斷程序中進行處理，如設置座椅溫度，發布命令等。系統每500ms循環一次，檢測座椅溫度，酒精濃度以及心率等參數，并依次進行數據處理，判斷駕駛員狀態，然后發送給主控ECU。

圖5 設計流程圖

2 系統測試

為測試智能座椅能否正常運行以及性能是否滿足要求，特設計制作了一個主控ECU，模擬汽車駕駛環境，和座椅ECU間采用CAN通信，其運行界面如圖6所示。主控ECU可以對溫度進行設置，并顯示溫度，酒精濃度，心率等參數，根據這些參數，如果判斷出駕駛員有酒后駕駛或疲勞駕駛行為，為立即發出警報聲提醒駕駛員注意安全駕駛。

圖6 測試界面

3 結束語

本文為改善駕駛環境、提醒酒后駕駛和疲勞駕駛，研究并設計了一款智能汽車座椅，系統符合基于CAN 2.0 B的J1939汽車通信網絡標準，使得設計具有較好的通用性。經測試標明，產品具有安裝簡單，操控方便，實用性強且成本低廉的特點，有較好的市場推廣價值。

* [1]龔杰 賀玉龍，酒后駕駛與我國交通事故現狀分析[J]. 道路交通與安全, 2016,5: 7—10.

* [2]殷康勝，陳勇，汽車座椅和懸架系統舒適性結構優化設計，計算機仿真[J]. 2017.9: 160—166.

* [3]任建鵬，李勤，基于單片機的智能防酒駕控制系統[J]，科技創新與應用, 2017.20: 16—17.

* [4]章遠岸，解決疲勞駕駛有新招：座椅下方裝心率感應器 htt ps://www.leiphone.com/[c] 2014.