基于語音控制的OBD車載智能終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳少偉 潘夢鷂 何哲宇 鐘玉靈

摘 ?要：針對現(xiàn)有車載智能終端手動操作煩瑣，轉(zhuǎn)移駕駛員注意力進(jìn)而導(dǎo)致交通安全事故風(fēng)險(xiǎn)等問題，通過對語音控制技術(shù)的研究，提出了一種基于語音控制的OBD車載智能終端系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括車載智能終端和OBD系統(tǒng)交互端兩大部分，基于語音識別控制可以實(shí)現(xiàn)讀VIN碼、讀故障碼、讀數(shù)據(jù)流和車輛控制等功能。經(jīng)過實(shí)車試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠準(zhǔn)確識別語音指令，降低了車載智能終端操作的復(fù)雜程度，有效減少了交通安全風(fēng)險(xiǎn)因素。

關(guān)鍵詞：語音控制;語音識別;STM32;OBD

中圖分類號：TP391.4;TN929.5 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）12-0041-03

Abstract： In view of the problems that cumbersome manual operation of the existing on-board intelligent terminal， which diverts the driver's attention and then leads to the risk of traffic safety accidents， through the research of voice control technology， an OBD on-board intelligent terminal system based on voice control is proposed. The system includes two parts of on-board intelligent terminal and OBD system interaction terminal. Based on voice recognition control， it can realize the functions of reading VIN code， reading fault code， reading data flow and vehicle control and so on. The real vehicle test shows that the system runs stably and reliably， can accurately recognize voice commands， reduce the complexity of on-board intelligent terminal operation， and effectively reduce traffic safety risk factors.

Keywords： voice control; voice recognition; STM32; OBD

0 ?引 ?言

隨著智能技術(shù)的快速發(fā)展，汽車智能化產(chǎn)品應(yīng)用越來越多。OBD，簡稱車載診斷系統(tǒng)，主要用于監(jiān)測汽車各電控系統(tǒng)工作狀態(tài)信息[1]，它是汽車內(nèi)部電子系統(tǒng)和外部電子設(shè)備信息交互的主要渠道?；贠BD技術(shù)的車載智能終端因能夠給車主提供車輛實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測、故障快速診斷等功能而得到廣泛應(yīng)用[2]。車載智能終端主要以固定車載裝置或者手機(jī)APP的形式存在[3]，駕駛員往往需要手動操作這些車載智能終端，操作繁雜很不方便，在行車過程中容易轉(zhuǎn)移駕駛員的注意力而導(dǎo)致存在很大的安全駕駛風(fēng)險(xiǎn)。本文對語音控制技術(shù)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種基于語音控制的OBD車載智能終端系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用語音控制方式，降低駕駛員的操作難度，減輕操作負(fù)擔(dān)，讓駕駛員專注于汽車安全駕駛，對避免交通安全事故的發(fā)生，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全有十分重要的意義。

1 ?系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于語音控制的OBD車載智能終端系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，在一般實(shí)際車輛中，OBD接口往往是在駕駛方向盤下面比較隱蔽的地方，本系統(tǒng)需要通過OBD接口和汽車內(nèi)部電控單元進(jìn)行交互通信，實(shí)現(xiàn)汽車控制和汽車數(shù)據(jù)獲取等功能。

本系統(tǒng)還需要考慮方便駕駛員擁有良好的人機(jī)交互效果，因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了車載智能終端和OBD系統(tǒng)交互端兩大模塊，兩大模塊通過藍(lán)牙通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，OBD系統(tǒng)交互端的OBD插頭與汽車的OBD接口直接連接。其主要工作過程為：車載智能終端的語音模塊實(shí)時(shí)監(jiān)聽駕駛員的語音指令信息，如果監(jiān)聽到語音指令信息，語音模塊自動把語音信息和內(nèi)部預(yù)設(shè)的語音信息進(jìn)行匹對，如果匹對成果，語音模塊輸出中斷信號給車載智能終端的STM32F1控制模塊進(jìn)行語音結(jié)果獲取，STM32F1控制模塊通過藍(lán)牙通信方式把語音指令數(shù)據(jù)下傳到OBD系統(tǒng)交互端的STM32F1控制模塊，STM32F1控制模塊根據(jù)指令的要求獲取汽車的數(shù)據(jù)或者控制汽車執(zhí)行相應(yīng)的動作。若STM32F1控制模塊成功獲取汽車的數(shù)據(jù)，則通過藍(lán)牙通信方式把數(shù)據(jù)上傳到STM32F1控制模塊，并最終在車載智能終端的顯示模塊中顯示，同時(shí)在語音模塊中進(jìn)行播報(bào)。

2 ?硬件設(shè)計(jì)

2.1 ?智能控制單元

車載智能終端和OBD系統(tǒng)交互端兩大模塊分別擁有一個(gè)智能控制單元。車載智能終端涉及語音識別、語音播報(bào)、數(shù)據(jù)顯示、藍(lán)牙通信等功能，需要引腳數(shù)量比較多和運(yùn)行速度比較快的單片機(jī)。OBD系統(tǒng)交互端需要具有CAN通信模塊以便和車載OBD系統(tǒng)進(jìn)行交互通信?？紤]本系統(tǒng)的實(shí)際需求，最終選擇了ST公司的STM32F103ZET6作為兩大模塊智能控制單元的主控芯片。STM32F103ZET6芯片是一款采用基于ARMCortex—M3內(nèi)核的高性能低功耗處理器[4]，工作頻率高達(dá)72 MHz，運(yùn)行速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，還集成非常豐富的外設(shè)資源，包括串口、CAN、引腳端口、中斷等，滿足系統(tǒng)多功能實(shí)現(xiàn)需求?？刂破骶邆涞腃AN控制器，可與車載OBD系統(tǒng)的CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互通信，實(shí)現(xiàn)車輛數(shù)據(jù)采集和車輛控制。

2.2 ?數(shù)據(jù)傳輸單元

本系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)車載智能終端和OBD系統(tǒng)交互端之間的數(shù)據(jù)傳輸，藍(lán)牙通信采用無線電波通信，中間省去了通信線束的影響，同時(shí)具有和串口通信一樣簡便的軟件編程操作，因此，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸單元選擇了藍(lán)牙通信方式，藍(lán)牙模塊型號為HC-02，通過上位機(jī)軟件進(jìn)行AT指令操作設(shè)置藍(lán)牙模塊參數(shù)，該藍(lán)牙模塊工作頻段2.4 GHz，內(nèi)置PCB天線，默認(rèn)波特率9 600，有效傳輸距離10米，滿足我們系統(tǒng)車內(nèi)空間工作距離要求[5，6]。

2.3 ?語音交互單元

語音交互單元主要是完成駕駛員與系統(tǒng)之間的語音溝通，包括駕駛員發(fā)出語音請求，語音交互單元需要完成語音識別，并且把識別結(jié)果以數(shù)據(jù)形式讓智能控制單元獲取。也包括在駕駛員交互過程中，系統(tǒng)能夠以語音的方式進(jìn)行應(yīng)答，比如，在駕駛員喚醒系統(tǒng)的時(shí)候，系統(tǒng)能夠說出“小明在，請問有什么事嗎？”的應(yīng)答詞語，還有能夠播報(bào)故障碼、數(shù)據(jù)流等信息，讓駕駛員有一個(gè)非常好的人機(jī)交互體驗(yàn)。因此，本系統(tǒng)采用ICRoute公司的LD3323語音識別模塊[4]，該模塊內(nèi)部集成了穩(wěn)定高效的語音處理算法，不需用戶額外接Flash、RAM，不需要用戶事先訓(xùn)練和錄音而完成非特定人語音識別，識別準(zhǔn)確率高。這個(gè)模塊不但具有語音識別還有語音播報(bào)功能，滿足系統(tǒng)的語音交互需求。

2.4 ?信息顯示單元

信息顯示單元主要是顯示故障碼、數(shù)據(jù)流，以及一些語音交互過程信息等。本系統(tǒng)采用4.3寸的TFTLCD液晶顯示器，分辨率為800×480，16位真彩顯示，滿足信息顯示要求。TFTLCD液晶顯示器采用16位并行方式接口，可以與STM32F103ZET6的FSMC接口直接相連接，有效提高了數(shù)據(jù)傳輸速度。

3 ?軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括車載智能終端程序和OBD系統(tǒng)交互端程序兩大部分。OBD系統(tǒng)交互端程序主要根據(jù)語音控制指令要求完成車載數(shù)據(jù)采集和汽車控制等兩個(gè)功能。OBD系統(tǒng)交互端程序設(shè)計(jì)思路和車載智能終端程序是一樣的。本文主要介紹車載智能終端程序設(shè)計(jì)思路，主程序如圖2所示。主程序首先進(jìn)行串口、TFTLCD液晶顯示模塊、LD3320語音模塊和芯片中斷等初始化，然后進(jìn)入while循環(huán)程序。在while循環(huán)程序里面通過判別標(biāo)記變量Flag值的不同而跳轉(zhuǎn)執(zhí)行相應(yīng)的功能程序。由于LD3320語音模塊的語音識別和語音播報(bào)，還有數(shù)據(jù)顯示等都會首先觸發(fā)中斷，因此，在中斷服務(wù)程序里面識別來自不同功能中斷觸發(fā)，然后把標(biāo)記變量flag值修改成相對應(yīng)的值，最后在主程序里面執(zhí)行相應(yīng)的功能程序，如圖3所示。

4 ?系統(tǒng)應(yīng)用

為了驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性和穩(wěn)定性，我們選擇在2017款豐田卡羅拉上進(jìn)行測試，系統(tǒng)實(shí)物如圖4所示。我們用車載電源給系統(tǒng)供電，系統(tǒng)上電后立刻進(jìn)入硬件初始化，然后進(jìn)入循環(huán)監(jiān)控待機(jī)狀態(tài)。試驗(yàn)開始，駕駛員首先說出“小明，在嗎？”一級語音指令，語音識別成功后，車載智能終端立刻說出“小明在，請問有什么事嗎？”緊接著駕駛員就是陸續(xù)說出“讀VIN碼”“讀故障碼”“讀數(shù)據(jù)流”“清故障碼”“控制車輛執(zhí)行”等二級語音命令，系統(tǒng)最終按指令要求一一順利完成功能，如圖5所示，驗(yàn)證了系統(tǒng)功能的可靠性。為了驗(yàn)證語音識別功能的穩(wěn)定性，我們研究了實(shí)際使用環(huán)境情況，最終設(shè)計(jì)了不同駕駛員分別在停車狀態(tài)（發(fā)動機(jī)沒啟動）、行駛狀態(tài)等不同場景的語音識別測試項(xiàng)目，測試結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，系統(tǒng)識別成功率在95%左右，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，滿足駕駛員對系統(tǒng)的控制需要。從表格數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，停車狀態(tài)比行駛狀態(tài)效果要好，普通話標(biāo)準(zhǔn)比不標(biāo)準(zhǔn)的駕駛員效果要好。對此，我們采取了增加鄰近發(fā)音詞匯的識別，提高了系統(tǒng)的識別可靠性。還有，當(dāng)語音識別不成功的時(shí)候，系統(tǒng)會自動說出“主人，小明聽不清，請您再說一遍”，這樣有效增強(qiáng)了系統(tǒng)的人機(jī)語音交互體驗(yàn)。

5 ?結(jié) ?論

本文設(shè)計(jì)了一種基于語音控制的OBD車載智能終端系統(tǒng)，該系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)車測試，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)功能，語音識別成功率達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)操作由傳統(tǒng)的手動操作升級為語音智能操作，降低駕駛員的操作難度，提高駕駛員的駕駛安全性，它是屬于智能語音技術(shù)在汽車安全駕駛領(lǐng)域的成功應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 白東，錢松榮.基于OBD的車輛信息管理平臺 [J].微型電腦應(yīng)用，2017，33（7）：65-68.

[2] 陳曉娟，樓培德.基于OBD的車載智能終端現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢 [J].軟件，2014，35（10）：95-99.

[3] 陳傳燦，徐聰.汽車OBD系統(tǒng)發(fā)展綜述 [J].汽車零部件，2016（7）：94-96.

[4] 蘇鵬，周風(fēng)余，陳磊.基于STM32的嵌入式語音識別模塊設(shè)計(jì) [J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011，11（2）：42-45.

[5] 姜太強(qiáng).基于STM32F1平臺的AGV避障設(shè)計(jì) [J].電子制作，2020（21）：19-21.

[6] 徐琬婷，蔣玲，余紅英，等.基于藍(lán)牙技術(shù)的家用環(huán)境監(jiān)控測試儀設(shè)計(jì) [J].西安文理學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，24（3）：26-30.

作者簡介：陳少偉（1987.10—），男，漢族，廣東廣州人，講師，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)電液智能測控。