CN109733257A - 一种用于监控儿童安全的汽车智能座椅及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于监控儿童安全的汽车智能座椅及控制方法，属于汽车监控设备领域。该汽车智能座椅包括座椅主体、智能椅垫以及安全带自动调节松紧装置。该智能座椅能够实时的检测儿童的心率、呼吸以及坐姿等信息，并将检测到的信息实时的反馈到汽车前端显示屏以及远程的手机端，同时能够在危险状态下通过安全带的自动调节松紧装置有效的加强保护儿童的安全，对于无人看管儿童的情况尤其适用。

Description

一种用于监控儿童安全的汽车智能座椅及控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于监控儿童安全的汽车智能座椅及控制方法，属于汽车监控设备领域。

背景技术

随着人们生活水平的提高，越来越多的家庭为了保证儿童的出行安全会购买儿童安全座椅，现在市场上的儿童安全座椅各种各样，价钱也是各有差异。根据市场调查，现在市面上存在的儿童安全座椅已经向智能化方向发展，但是对于有效调节儿童坐姿，实时检测儿童生理信息的安全座椅仍然有很大的市场缺口，目前仍然存在很多儿童在乘坐汽车时因为没看管而造成意外，甚至死亡，主要原因就是儿童在发生危险时家人发现不及时，无法保证孩子的安全。

发明内容

本发明提供了一种用于监控儿童安全的汽车智能座椅及控制方法，解决了目前汽车安全座椅在监测儿童安全状态时的不及时性以及不准确性，同时本发明的汽车智能座椅采用智能坐垫与智能背垫相结合的方式同时监测儿童的生理信号，提高了监测的准确性，本发明的安全带自动调节松紧功能解决了现有技术中手动调节安全带的不便。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的用于监控儿童安全的汽车智能座椅，该智能座椅包括座椅本体，座椅本体上设有头枕、头部防护套及安全带；所述的座椅本体上椅背部内及坐垫部内分别设有智能背垫及智能坐垫；座椅本体内设有可调节安全带松紧度的驱动电机装置；所述的智能背垫及智能坐垫分别与电路控制模块相连；电路控制模块用于接收智能背垫及智能坐垫所监测的数据，并反馈至驱动电机装置，驱动电机装置对安全带的松紧度进行调节。

本发明所述的用于监控儿童安全的汽车智能座椅，所述的智能背垫及智能坐垫分别由压电电缆传感器，及包裹在外部的椅垫面料组成；压电电缆传感器呈盘绕状；压电电缆传感器与导线相连；压电电缆传感器通过导线与电路控制模块相连。

本发明所述的用于监控儿童安全的汽车智能座椅，所述的压电电缆传感器包括第一绝缘层，第一电极层，第二电极层，第二绝缘层；所述的第一电极层的上端面覆盖第一绝缘层；第二电极层的下端面覆盖第二绝缘层；第一电极层与第二电极层分别连接导线；第一电极层与第二电极层之间设有压电薄膜层；第一绝缘层与第二绝缘层由柔性绝缘胶材质制成。

本发明所述的用于监控儿童安全的汽车智能座椅，所述的压电薄膜层由第一黑磷层，PVDF压电薄膜层，第二黑磷层组成；所述的第一黑磷层与第二黑磷层之间设有PVDF压电薄膜层；压电薄膜层成圆形状；圆形状成矩阵状排列在压电电缆传感器内。

本发明所述的用于监控儿童安全的汽车智能座椅，所述的坐垫部内还设有电容式压力传感器，电容式压力传感器分布在坐垫部的坐面且位于坐面的边缘处。

本发明所述的用于监控儿童安全的汽车智能座椅，所述的第三电极层及第四电极层之间设有压力传感器阵列；第三电极层的上端面及第四电极层的下端面分别包裹第三绝缘层及第四绝缘层；

所述的第三电极层及第四电极层分别通过导线与电路控制模块相连；

所述的压力传感器阵列由若干个电容式压力传感器组成；若干个所述电容式压力传感器成方形矩阵状排列；每个电容式压力传感器分别引出电极连接到第三电极层和第四电极层。

第三电极层和第四电极层通过引出导线与电路控制模块相连。

本发明所述的用于监控儿童安全的汽车智能座椅的控制方法，步骤如下：

1）、当座椅检测到有人乘坐在座椅上时，智能背垫及智能坐垫分别对人体坐姿及人体心率呼吸的信号进行采集；并通过滤波处理；基于波形处理及频率进行计算；

2）、智能背垫检测人体心率呼吸信号，确定人体背部是否倚靠在座椅椅背上，如未检测到人体心率呼吸信号向终端发出警报信号；判定智能背垫检测到人体心率呼吸信号是否符合正常值，如符合正常值则判定人体坐姿处于安全状态，检测结束；

3）、如步骤2）中智能背垫检测人体心率呼吸信号未符合正常值；智能坐垫则检测坐垫边缘是否受力面积和受力大小增大；如坐垫边缘受力面积和受力大小增大而未检测监测到心率呼吸信号则判定人体坐姿向前倾斜；

4）、当判定人体坐姿向前倾斜后，则向驱动电机发出作动信号，驱动电机驱动收紧安全带，让人体坐姿回归至安全状态。

本发明所述的用于监控儿童安全的汽车智能座椅的控制方法，所述的步骤1)中智能背垫及智能坐垫通过压电电缆传感器获得的信号通过低通滤波后，经过AD转换传输给微处理器，得到原始的BCG信号；采用差分阈值法检测信号的峰值，并根据BCG信号的特点进行心率值的计算；利用sym8小波基函数对信号进行10尺度的信号分解与重构，实现对呼吸波的提取，并计算得到呼吸率。

本发明所述的用于监控儿童安全的汽车智能座椅的控制方法，所述的步骤2）中终端为电路控制模块、蓝牙模块及显示模块；智能背垫及智能坐垫将信号传输至电路控制模块进行计算并得到心率值、呼吸率并通过蓝牙模块传输至显示模块进行显示；

所述的电路控制模块还通过无线模块向用户手机端实时发送信息。

本发明所述的用于监控儿童安全的汽车智能座椅的控制方法，所述的智能背垫及智能坐垫通过压电电缆传感器获得的信号采用二阶差分阈值检测算法；该算法为原始BCG信号通过低通滤波后，其BCG信号中的IJK波形特征通过设定幅度阈值来定位J波的位置；通过计算J波的间隔得到心率值；将计算出的心率以及呼吸率与正常值进行比较，若结果与正常值相差较大，则判定为心率与呼吸不正常，启动报警功能。

有益效果

本发明提供的用于监控儿童安全的汽车智能座椅，能够实时的检测儿童的生理信息，并根据检测到的信息实现安全带的自动松紧功能，调整儿童的坐姿，同时能够通过无线模块、蓝牙模块将检测到的状态实时的反馈给用户，增加了驾驶汽车过程中的安全性，对于儿童乘坐汽车的安全性大大提高；

本发明提供的用于监控儿童安全的汽车智能座椅，其压电电缆传感器呈盘绕状同心圆的形式分布在垫子上，这样的布局增大了接触面积，节省材料。采用了黑磷薄膜与PVDF薄膜，黑磷薄膜的褶皱状结构增加了压电电缆传感器的灵敏度，使测量结果更加准确。

本发明提供用于监控儿童安全的汽车智能座椅的控制方法，其安全带自动调节松紧装置解决了驾驶员在驾车的过程中不能及时停车为儿童调整安全带的问题。智能坐垫部分的电路都采用了柔性材料制作而成，节约成本，利于大众接受。采用了智能坐垫与智能背垫相结合的智能椅垫，使检测结果更加的准确可靠。

附图说明

图1是本发明的汽车智能座椅主体图；

图2是本发明的汽车智能椅垫图；

图3是本发明的汽车智能坐垫俯视图；

图4是压电电缆传感器中的压电薄膜结构图；

图4a是黑磷晶体结构示意图；

图5是压电电缆传感器从外到内的结构示意图；

图6是电容式压力传感器阵列示意图；

图6a是电容式压力传感器阵列的层状结构示意图；

图6b是电容式压力传感器阵列的第三电极层示意图；

图6c是电容式压力传感器阵列的第四电极层示意图；

图7是安全带自动调节松紧装置图；

图8是测量电路框图；

图9是测量方法流程图；

图10是心率计算流程图。

图中附图标号的含义：

1为头枕，2为头部防护套，3为安全带一，5为安全带二，8为安全带三，4为肩带、6为卡扣一，7为卡扣二，9为底座、10-智能座椅、11a为智能坐垫，11b为智能背垫，12为椅垫面料，13为压电电缆传感器，14为导线一，15为导线二，16为电路控制模块，17为第一绝缘层，18为第一电极层，19为第一黑磷层，20为压电薄膜层，21为第二黑磷层、22为第二电极层，23为第二绝缘层，24为黑磷晶体结构，25为第三绝缘层，26为第三电极层，27为压力传感器阵列、28为第四电极层，29为第四绝缘层，30为第三电极引出导线，31为第四电极引出导线，32为单个电容式压力传感器，32a为电容式压力传感器电极一，32b为电容式压力传感器电极二，33为步进电机，34为安全带四，35为转动轴。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2所示：本发明提供了一种智能座椅，包括座椅主体、智能椅垫部分以及安全带自动调节松紧装置部分。所述的座椅主体包括头枕1、头部防护套2、安全带一3，安全带二5，安全带三8，肩带4，卡扣一6, 卡扣二7，底座9；头枕1的下方安装有智能背垫11b；下方为智能坐垫11a；肩带4的上下方分别与安全带一3、安全带二5相连；安全带二5的另一端与卡扣一6相连, 安全带三8与卡扣二7相连；卡扣一6与卡扣二7相连；安全带一3的另一端穿过靠背内部与转动轴35相连，靠背内部的电机33与转动轴35相连。

本发明通过智能坐垫和智能椅垫对儿童的心率呼吸同步检测，测量结果更加准确可靠。智能背垫11b及智能坐垫11a主要包括椅垫面料12以及内部的压电电缆传感器13、压电传感器引出的导线14和导线15以及电路控制模块16。

智能背垫11b及智能坐垫11a都包括内置的压电电缆传感器部分、电路控制模块部分、电容薄膜传感器部分，所述的压电电缆传感器部分从第一电极层、第二电极层引出两条导线与旁边的电路控制模块部分进行连接，所述的压电电缆传感器部分的下表面与电容薄膜传感器部分的上表面通过柔性绝缘胶层连接，所述的电容薄膜传感器部分的压力传感器阵列的上下表面分别为第三电极层和第四电极层，所述的第三电极层和第四电极层引出测量电极与电路控制模块部分的多路模拟开关进行连接；所述电路控制模块部分的微处理器与安全带自动调节松紧装置部分的电机连接，实现安全带的自动调节松紧功能。

如图3、图4、图5所示：压电电缆传感器从外到内依次为：第一绝缘层17、第一电极层18、压电薄膜层20，压电薄膜层20为PVDF压电薄膜层，第二电极层22、第二绝缘层23；所述压电薄膜层上下依次包括第一黑磷（BP）层19、第二黑磷层21，所述第一绝缘层17和第二绝缘层23分别采用柔性绝缘胶材质，所述第一电极层18和第二电极层22分别引出两个导线与电路控制模块相连。如图4a所示，所述第一黑磷层19和第二黑磷层21的晶体结构24具有独特的褶皱状结构，能够有效的增强压电电缆传感器的灵敏度，所述压电薄膜按照同心圆的形式分布在压电电缆传感器内，所述压电电缆传感器按照同心圆的形式呈盘绕状分布在垫子上。

进一步的，如图8所示，所述的电路控制模块包括：电源模块、传感器模块、信号处理模块、信号采集与分析模块、信号发送模块、电机驱动模块；所述电源模块包括基准电压源、模拟电源以及数字电源；基准电压源为传感器模块提供电源，模拟电源为信号处理模块提供电源，数字电源为信号采集与分析模块、电机驱动模块、信号发送模块提供电源；所述的信号处理模块主要包括对压电电缆传感器输出的信号进行信号放大的电路以及低通滤波、工频干扰处理电路，处理电容薄膜压力传感器阵列的输出信号的多路模拟开关；所述信号采集与分析模块包括STM32内置的AD转换器、STM32ZGT6微处理器，AD转换器接收经过信号处理模块处理后的压电电缆传感器输出信号转换成数字信号传给STM32，STM32将接受到的信号进行软件滤波以及生理信号波形提取、信号频率计算，并将结果通过蓝牙模块和无线模块发送到汽车显示屏以及远程手机终端；所述信号发送模块包括无线模块以及蓝牙模块；所述电机驱动模块包括ULN2003驱动、步进电机，ULN2003驱动与STM32相连控制步进电机。

进一步的，如图6所示，所述电容薄膜传感器部分是由多个电容式压力传感器构成的压力传感器阵列27，电容式压力传感器之间按照等间距的形式按行和列排开，本发明采用单位面积内放置4×4密度的电容压力传感器的阵列27形式， 每个电容式压力传感器都引出来电容式压力传感器电极一32a及电容式压力传感器电极二32b；其中每个电容式压力传感器电极一32a分别和压力传感器上方对应的第三电极层26中的第三电极引出导线30连接，每个电容式压力传感器电极二32b分别与下方第四电极层中的第四电极引出导线31进行连接，构成单个压力传感器信号引出，这样当所有的电容式压力传感器的信号全部输出后可以获知儿童坐着时的压力分布情况。

如图6a、图6b、图6c所示，在电容式压力传感器阵列的上下表面分别为第三电极层26和第四电极层28，每个电容式压力传感器分别引出电极连接到第三电极层26和第四电极层28，最后通过从第三电极层26和第四电极层28引出测量电极与电路控制部分的多路模拟开关相连接，微控制器控制模拟开关的切换选择各个电极，进而得到不同电容式压力传感器的输出值，所述压力传感器阵列第三电极层26的上表面和第四电极层28的下表面分别为柔性绝缘胶层。柔性绝缘胶层为绝缘层分别为第三绝缘层25及第四绝缘层29。

电容式压力传感器阵列能够实时的采集受力数据反馈给微处理器，通过不同位置所受压力的大小和变化情况实时的检测儿童的坐姿状态，当儿童出现身体前倾等危险坐姿时，分布在智能坐垫边缘的压力传感器阵列所受的压力就会显著增加，同时因为身体前倾，智能背垫接触不到人，没有信号输出。而在安全状态下，智能椅垫内部的压力传感器的受力基本相同。

如图7所示，安全带自动调节松紧装置部分包括步进电机33、转动轴35、安全带四34，步进电机33的一端与电路控制模块16部分的微处理器连接，另一端与转动轴35连接，转动轴35上面缠绕着安全带34，安全带34和安全带3相连。

步进电机33与电路控制模块部分的微处理器连接，微处理器将对压电电缆传感器输出信号进行滤波处理以及信号提取与信号频率计算，将最后的计算值与预先设定的正常值进行比较，并根据最终结果对步进电机33实现相应的控制，如果通过对比发现儿童有较大的体动或者出现了身体前倾或其它不安全的坐姿时，微处理器将驱动电机工作，电机带动转动轴顺时针方向旋转，连接在转动轴上面的安全带部分将会被拉紧，调整儿童的坐姿，使儿童重新回到安全状态，通过对呼吸率以及心率的实时监测来进一步的控制安全带拉紧的程度，避免安全带拉的过紧出现危险，同时将信息通过无线模块和蓝牙模块传给远程手机端以及汽车前端显示屏，实时掌握儿童的状态。

本发明还提供了一种汽车智能座椅的测量方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）当有人坐在智能座椅上面时，智能椅垫内部的传感器开始收集信号，通过信号调理电路对信号进行放大，经过低通滤波器对信号进行滤波后经过AD转换传输给微处理器，得到原始的BCG信号；

（2）设计直接性FIR滤波器实现对原始信号的滤波。借助Matlab的FDAtool工具生成滤波系数，将滤波系数导入到STM32中，同时调用ARM官方提供的库函数arm_fir_f32对BCG信号进行滤波；

具体的方案为：电容式压力传感器阵列将收集的信息传输给电路控制部分的多路模拟开关，并经过电容转换器传输给STM32，STM32控制模拟开关的切换选择各个电极，进而得到不同的电容值以此来判断压力的变化情况，然后经过软件滤波对信号进一步的处理。

（3）采用差分阈值法检测信号的峰值，并根据BCG信号的特点进行心率值的计算。

（4）利用sym8小波基函数对信号进行10尺度的信号分解与重构，实现对呼吸波的提取，并计算呼吸率。

（5）将计算结果与预先设定的正常值进行比较，并将结果通过蓝牙模块发送到汽车前端的显示屏上，通过无线模块发送到远程的手机终端，实现检测的实时性；同时微处理器根据比较结果实现对电机的控制，进而实现安全带的自动调节松紧功能。

进一步的，如图10所示，本发明采用二阶差分阈值检测算法进行心率值的计算，根据BCG信号波明显的IJK波形特征，通过设定幅度阈值来定位J波的位置，然后通过计算J波的间隔得到心率值。

进一步的，将计算出的心率以及呼吸率与正常值进行比较，若结果与正常值相差较大，则判定为心率与呼吸不正常，启动报警功能。

进一步的，本发明通过智能椅垫的输出信号来判断儿童是否处于安全状态，如图9所示，首先判断智能坐垫是否有心率和呼吸信号，如果没有直接启动手机和汽车的报警功能，如果有心率呼吸信号则进一步的判断智能背垫是否有心率和呼吸信号，增加判断结果的准确性和可靠性，如果智能背垫有心率呼吸信号输出，说明儿童背部是靠着智能椅的靠背的，处于安全状态，然后再进入判断心率与呼吸是否正常的步骤，如果智能背垫没有心率呼吸信号，说明儿童没有靠着智能椅背，进一步的判断儿童是否处于安全状态，如果此时智能坐垫的下边缘即靠近智能椅边缘部分的压力信号和最初儿童坐在智能椅处于安全状态时相比显著增大，说明此时儿童出现了身体前倾的危险状态，此时微处理器驱动电机带动转动轴工作，实现安全带的自动拉紧功能，同时手机和汽车显示屏显示“安全带正在自动拉紧”，在安全带拉紧的过程中要实时的检测儿童的心率与呼吸是否正常，以免安全带拉的过紧出现危险，同时实时判断智能背垫是否有了心率呼吸信号，若有了心率呼吸信号则安全带停止拉紧动作，同时手机和汽车显示屏上显示“安全带自动调节完成”，进入判断心率与呼吸是否正常的步骤；如果椅垫的下边缘压力信号和儿童刚坐在智能椅上时相比没有增大，则儿童仍然处于安全的坐姿状态，进入判断心率与呼吸是否正常的步骤，最后结束整个过程。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于监控儿童安全的汽车智能座椅，该智能座椅包括座椅本体，座椅本体上设有头枕、头部防护套及安全带；其特征在于：所述的座椅本体上椅背部内及坐垫部内分别设有智能背垫及智能坐垫；座椅本体内设有可调节安全带松紧度的驱动电机装置；所述的智能背垫及智能坐垫分别与电路控制模块相连； 电路控制模块用于接收智能背垫及智能坐垫所监测的数据，并反馈至驱动电机装置，驱动电机装置对安全带的松紧度进行调节。

2.根据权利要求1所述的用于监控儿童安全的汽车智能座椅，其特征在于：所述的智能背垫及智能坐垫分别由压电电缆传感器，及包裹在外部的椅垫面料组成；压电电缆传感器呈盘绕状；压电电缆传感器与导线相连；压电电缆传感器通过导线与电路控制模块相连。

3.根据权利要求2所述的用于监控儿童安全的汽车智能座椅，其特征在于： 所述的压电电缆传感器包括第一绝缘层，第一电极层，第二电极层，第二绝缘层；所述的第一电极层的上端面覆盖第一绝缘层；第二电极层的下端面覆盖第二绝缘层；第一电极层与第二电极层分别连接导线；第一电极层与第二电极层之间设有压电薄膜层；第一绝缘层与第二绝缘层由柔性绝缘胶材质制成。

4.根据权利要求3所述的用于监控儿童安全的汽车智能座椅，其特征在于：所述的压电薄膜层由第一黑磷层，PVDF压电薄膜层，第二黑磷层组成；所述的第一黑磷层与第二黑磷层之间设有PVDF压电薄膜层；压电薄膜层成圆形状；圆形状成矩阵状排列在压电电缆传感器内。

5.根据权利要求1所述的用于监控儿童安全的汽车智能座椅，其特征在于：所述的坐垫部内还设有电容式压力传感器，电容式压力传感器分布在坐垫部的坐面且位于坐面的边缘处。

6.根据权利要求5所述的用于监控儿童安全的汽车智能座椅，其特征在于：所述的第三电极层及第四电极层之间设有压力传感器阵列；第三电极层的上端面及第四电极层的下端面分别包裹第三绝缘层及第四绝缘层；

所述的第三电极层及第四电极层分别通过导线与电路控制模块相连；

所述的压力传感器阵列由若干个电容式压力传感器组成；若干个所述电容式压力传感器成方形矩阵状排列；每个电容式压力传感器分别引出电极连接到第三电极层与第四电极层；第三电极层与第四电极层通过引出导线与电路控制模块相连。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的用于监控儿童安全的汽车智能座椅的控制方法，其特征在于：步骤如下：

1）、当座椅检测到有人乘坐在座椅上时，智能背垫及智能坐垫分别对人体坐姿及人体心率呼吸的信号进行采集；并通过滤波处理；基于波形处理及频率进行计算；

2）、智能背垫检测人体心率呼吸信号，确定人体背部是否倚靠在座椅椅背上，如未检测到人体心率呼吸信号向终端发出警报信号；判定智能背垫检测到人体心率呼吸信号是否符合正常值，如符合正常值则判定人体坐姿处于安全状态，检测结束；

3）、如步骤2）中智能背垫检测人体心率呼吸信号未符合正常值；智能坐垫则检测坐垫边缘是否受力面积与受力大小增大；如坐垫边缘受力面积与受力大小增大而未检测监测到心率呼吸信号则判定人体坐姿向前倾斜；

4）、当判定人体坐姿向前倾斜后，则向驱动电机发出作动信号，驱动电机驱动收紧安全带，让人体坐姿回归至安全状态。

8.根据权利要求7任意一项所述的用于监控儿童安全的汽车智能座椅的控制方法，其特征在于：所述的步骤1)中智能背垫及智能坐垫通过压电电缆传感器获得的信号通过低通滤波后，经过AD转换传输给微处理器，得到原始的BCG信号；采用差分阈值法检测信号的峰值，并根据BCG信号的特点进行心率值的计算；利用sym8小波基函数对信号进行10尺度的信号分解与重构，实现对呼吸波的提取，并计算得到呼吸率。

9.根据权利要求7任意一项所述的用于监控儿童安全的汽车智能座椅的控制方法，其特征在于：所述的步骤2）中终端为电路控制模块、蓝牙模块及显示模块；智能背垫及智能坐垫将信号传输至电路控制模块进行计算并得到心率值、呼吸率并通过蓝牙模块传输至显示模块进行显示；

所述的电路控制模块还通过无线模块向用户手机端实时发送信息。

10.根据权利要求8任意一项所述的用于监控儿童安全的汽车智能座椅的控制方法，其特征在于:所述的智能背垫及智能坐垫通过压电电缆传感器获得的信号采用二阶差分阈值检测算法；该算法为原始BCG信号通过低通滤波后， 其BCG信号中的IJK波形特征通过设定幅度阈值来定位J波的位置；通过计算J波的间隔得到心率值；将计算出的心率以及呼吸率与正常值进行比较，若结果与正常值相差较大，则判定为心率与呼吸不正常，启动报警功能。