中圖分類號：U462 收稿日期：2025-04-16 DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.06.003

Abstract：Basednhowtodesignasimpleandefectiveinformationinteractionsystem，thispaperstartstoresearchfromthreeaspects：thedesignofcarBluetothunlockingbasedonenvironmentalperception，thedesignofvoicerecognitionbasedonhuman-vehicleinteraction，andthedsignofananti-theftdeviceforcars basedonnetworkedinteractionandenvironmentalperception.Among them，Bluetoothulocingndarantitheftareothelatedtovionmentalpereptionandarebothaplidtocarlocks，oyare designedasanintegratedcircuitandprogram.Thevoicerecognitiontechnologyisanewoicerecognitionnoisereductiontechnology based on Mel-frequency cepstral coefficients（MFCC）.

Keywords：Inteligentinternetofvehicles;nformationinteraction;Vehiclebodyperception;Single-chipmicrocomputer

1前言

智能網(wǎng)聯(lián)汽車是搭載先進的車載傳感器、控制器、執(zhí)行器等裝置，并融合現(xiàn)代通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)V2X（Vehicle-to-Everything）智能信息交換共享，具備復(fù)雜的環(huán)境感知、智能決策、協(xié)同控制和執(zhí)行等功能，可實現(xiàn)安全、舒適、節(jié)能、高效行駛，并最終可替代人來操作的新一代汽車[1]。人機交互系統(tǒng)通過研究人與計算機之間相互理解的交流與通信，并在最大程度上實現(xiàn)人們對信息的收集、處理、加工，并且反作用于人、服務(wù)于人，使計算機真正成為人們學(xué)習(xí)工作的幫手。而智能網(wǎng)聯(lián)汽車的人機交互系統(tǒng)包含以下主流技術(shù)：車載語音助手、觸控交互界面、手勢識別技術(shù)、頭部顯示技術(shù)等。通過將汽車聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)真正互聯(lián)，將用戶的信息收集處理，然后進行反饋，從而可以為用戶提供更便捷有效的駕駛方式[2]。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車與智能交通緊密相關(guān)，兩者協(xié)同合作、共同發(fā)展是未來的主要趨勢。如今的V2X包括車輛與車輛、車輛與基礎(chǔ)設(shè)施、車輛與行人、車輛與外部網(wǎng)絡(luò)等各種通信應(yīng)用場景。目前，基于V2V通信車輛能實現(xiàn)前方碰撞預(yù)警、變道輔助、左轉(zhuǎn)輔助、協(xié)同式自適應(yīng)巡航控制等，基于V2I通信可以實現(xiàn)速度建議、交通優(yōu)先權(quán)、路況預(yù)警、闖紅燈預(yù)警、當(dāng)前天氣影響預(yù)警、停車位和充電樁尋位等應(yīng)用；基于V2P通信，能實現(xiàn)弱勢道路使用者的預(yù)警和防護，基于V2N通信可實現(xiàn)實時交通路線規(guī)劃、地圖更新等服務(wù)[3]。

2設(shè)計目的及意義

隨著互聯(lián)網(wǎng)以及人工智能的發(fā)展，汽車車艙內(nèi)飾中的物理旋鈕越來越少，取而代之的是液晶屏幕中的接觸按鈕，因此人們對于“大彩電\"的要求越來越高，對不同品牌的車輛進行匯總得出，當(dāng)前智能網(wǎng)聯(lián)汽車主要依賴多種屏幕作為交互媒介，普遍配置包含儀表盤、中控信息娛樂屏幕及平視顯示器（HUD）中的一個或多個組件。中控顯示屏作為儀表盤在空間與功能上的拓展，扮演著智能互聯(lián)車輛中央控制臺的角色，囊括了人機界面（HMI）的絕大多數(shù)功能，實現(xiàn)了車輛控制與信息展示的高度集成。智能網(wǎng)聯(lián)汽車信息交互的設(shè)計，包含人車交互、車車交互、車身與環(huán)境的交互設(shè)計，雖然市面上已經(jīng)出現(xiàn)多種信息交互設(shè)計的手段，但使用便捷性與覆蓋面仍然是良莠不齊，因此要通過更精準(zhǔn)的算法與更為精密的控制手段，使得信息交互系統(tǒng)設(shè)計更具集成化、更具便捷性[3]。

3信息交互系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1車載感知系統(tǒng)的概述

整車傳感系統(tǒng)由3個模塊組成：環(huán)境傳感、車身傳感和網(wǎng)聯(lián)傳感。對于環(huán)境傳感，它的功能是將車輛從外部世界中獲得的信息，例如附近的車輛、車道線、行人、建筑、障礙物、交通標(biāo)志、信號燈等進行識別和信息處理。車身傳感其核心技術(shù)包括慣導(dǎo)、衛(wèi)星導(dǎo)航以及高精度地圖等，主要依靠高精度地圖，利用INS和GPS，不依賴環(huán)境的定位信息，高精度為環(huán)境傳感提供輔助，從而獲得超視距路況情況。而網(wǎng)聯(lián)傳感主要是為了實現(xiàn)車輛和外界的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通以實現(xiàn)V2X云平臺[4]。

毫米波雷達、激光雷達、超聲波雷達以及車載攝像頭等四大硬件傳感器就像智能網(wǎng)聯(lián)汽車的眼睛，是汽車感知環(huán)境的重要工具，智能網(wǎng)聯(lián)汽車對環(huán)境信息的感知、采集、傳遞處理是實現(xiàn)智能駕駛的前提與關(guān)鍵。基于這個前提，且考慮到智能座艙發(fā)展至今也不過20年不到的時間，仍處于起步階段，因此設(shè)計符合世人需求的信息交互系統(tǒng)已成為主流任務(wù)[5]。

3.2系統(tǒng)設(shè)計思路

基于如何設(shè)計簡便有效的信息交互系統(tǒng)，從3個角度入手，分別是基于環(huán)境感知的車載藍牙解鎖設(shè)計、基于人車交互的語音識別設(shè)計、基于網(wǎng)聯(lián)交互和環(huán)境感知的汽車防盜裝置。其中藍牙解鎖和汽車防盜均與環(huán)境感知相關(guān)且均應(yīng)用于車鎖，所以設(shè)計為一體的電路和程序，而語音識別技術(shù)則是基于梅爾頻率倒譜系數(shù)（Mel-frequencycepstralcoefficients，MFCC）進行了新型的語音識別降噪技術(shù)。

3.3系統(tǒng)設(shè)計方案

設(shè)計簡便有效的信息交互系統(tǒng)，從3個角度入手，分別是基于環(huán)境感知的車載藍牙解鎖、基于人車交互的語音識別、基于網(wǎng)聯(lián)交互和環(huán)境感知的汽車防盜。其中藍牙解鎖和汽車防盜主要是環(huán)境感知且均應(yīng)用于車鎖，故設(shè)計為一體的電路和程序，語音識別技術(shù)則是在梅爾頻率倒譜系數(shù)基礎(chǔ)上進行的新型語音識別降噪技術(shù)。

3.3.1藍牙解鎖和防盜報警設(shè)計

藍牙解鎖和防盜報警系統(tǒng)的設(shè)計中，需考慮到藍牙解鎖及報警程序所需要的條件，初步考慮藍牙解鎖程序中需要有藍牙感知程序以及存在藍牙設(shè)備，且兩者并存即為有藍牙設(shè)備出現(xiàn)在藍牙感知程序范圍以內(nèi)；在防盜報警系統(tǒng)設(shè)計中，初步考慮人為盜竊的可能性較大，因此將人體作為研究對象，分析出在偷盜過程中會有聲音以及人體的動作，可初步考慮通過程序識別出振動信號與紅外溫度信號，并通過兩者的協(xié)同控制來進行識別，在識別后可通過報警器進行報警處理作為威慢。

3.3.2語音識別設(shè)計

說話人識別是一種利用人的語音特征進行身份識別的生物識別技術(shù)，一般由聲學(xué)特征提取器、聲紋嵌入碼提取器和后端相似度判別器3個部分組成。

聲學(xué)特征提取器的功能是將輸入語音信號轉(zhuǎn)換為聲學(xué)特征向量，聲聞嵌入碼提取器的作用是將聲學(xué)特征向量轉(zhuǎn)換為固定大小的聲聞嵌入碼向量。后端相似度判別器用于計算兩個聲紋嵌入碼的相似度，以區(qū)分輸入注冊語音和測試語音是否來自同一個人。聲學(xué)提取器的工作流程如圖1所示。通過這套程序系統(tǒng)可以準(zhǔn)確識別不同人的聲音從而實現(xiàn)自然語言的識別，使得語音交互系統(tǒng)能夠更好地理解用戶的語音指令和信息意圖，從而實現(xiàn)更智能更自然的交互設(shè)計，最終完成更智能的交互方式，使駕駛員能夠更便捷地與車輛進行信息交互和控制[6-7]。

語音識別是一種將人類語音信號轉(zhuǎn)換為文本形式的技術(shù)，是實現(xiàn)人機交互的前提。它通常由特征提取、聲學(xué)模型、語言模型和解碼器等4個部分組成。常用的聲學(xué)特征提取器包括梅爾頻率倒譜系數(shù)和FBank[6]。Mel頻率倒譜系數(shù)是一種聲學(xué)特征提取方法，可以將語音信息轉(zhuǎn)換為一組特征向量，被轉(zhuǎn)變成的特征向量同時又可以代表說話人的語音信息，其主要思想是將語音信號轉(zhuǎn)換到梅爾頻率尺度上，并且運用DCT對信號進行降維處理，得到一組MFCC系數(shù)，具有較強的魯棒性[7]。FBank是一種基于濾波器組的聲學(xué)特征提取方法，通過將聲音信號分成不同頻率帶的子帶，并將每個子帶應(yīng)用到濾波器中，計算每個子帶的能量，以提取聲音信號的特征。

運用Mel頻率倒譜系數(shù)提取特征向量的方法如圖2所示，這些變化是由信號處理和人類聽覺系統(tǒng)所驅(qū)動的。語音信號在傳輸時，由于高頻分量更容易被衰減，因此會對其進行預(yù)加重處理，即在信號傳輸時，對語音信號進行高通濾波，提高高頻分量的強度，降低其損失。

隨后對其進行分幀處理，將語音信號分成若干長度的固定時間的幀，需要注意的是在每幀之間要保留一定的重合部分，以防止幀數(shù)丟失，便于處理。然后進行加窗處理，以減少每幀邊緣處的頻譜泄露。然后對加窗后的語音信號進行傅里葉變換，將時域信號轉(zhuǎn)為頻域信號，得到每幀的頻譜信息，對每一個頻帶運用梅爾濾波器進行濾波處理，提取該頻帶的能量分布。之后對每個濾波器輸出數(shù)據(jù)取對數(shù)，得到對應(yīng)的對數(shù)功率譜，帶人離散余弦變換，得到MFCC系數(shù)，完成從語音信息到數(shù)字信息的轉(zhuǎn)化[8]。

3.4基于經(jīng)濟性的方案評估

AT89C52單片機的價格相對較低，一般在幾十元到一百元之間。HX1838、HC-SR501、M20、震動感應(yīng)器等傳感器的價格也較為經(jīng)濟實惠，但不同品牌其性能有所差異。GSM模塊-SIM800L和藍牙模塊M20的價格也需要考慮初始投資成本。LCD1602顯示器的價格相對較低，一般在幾十元左右?？傮w來說，從經(jīng)濟性角度分析單片機各個部件的購買成本并不高。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)人體紅外感知、藍牙感知、信息發(fā)送和呼叫等功能，安全性和便利性也得到提升，如果該系統(tǒng)應(yīng)用于家庭安防、車輛防盜等特定領(lǐng)域可能會帶來一定的經(jīng)濟回報[9]。

綜合以上因素，可以進行成本效益分析，評估該系統(tǒng)方案的經(jīng)濟合理性。如果系統(tǒng)的效益能夠顯著提升安全性、便利性，并且成本相對較低，那么該方案在經(jīng)濟上是合理的。如果成本較高且效益不明顯，可能需要重新評估系統(tǒng)設(shè)計和成本結(jié)構(gòu)。

4系統(tǒng)硬件設(shè)計

依據(jù)選定方案，繪制系統(tǒng)整體架構(gòu)圖，清晰展現(xiàn)電路系統(tǒng)內(nèi)部硬件的宏觀布局。在此基礎(chǔ)上，深入展開系統(tǒng)的硬件設(shè)計工作，具體涵蓋以下3個核心部分：數(shù)據(jù)處理模塊的構(gòu)建、顯示模塊的設(shè)計及報警模塊的規(guī)劃（報警模塊集成了無線收發(fā)功能與終端控制單元）。設(shè)計過程中，每一步都緊密圍繞所選芯片的獨特功能特性和運作機制，精心定制各個模塊的硬件電路方案，確保系統(tǒng)性能的最優(yōu)化及功能的高效集成。

4.1系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

采用AT89C52單片機作為中央控制器（圖3），分別利用HX1838通用一體紅外接收頭接收管作為信息發(fā)送板塊、HC-SR501紅外感應(yīng)模塊作為人體紅外感知板塊、M20藍牙自動感應(yīng)模塊作為藍牙感知板塊、GSM模塊-SIM800L作為信息發(fā)送和呼叫板塊以及一個震動感應(yīng)器作為主要板塊，通過轉(zhuǎn)換處理后的數(shù)據(jù)顯示在LCD1602顯示器上。震動報警器的控制原理為在震動傳感器和紅外感知器同時感應(yīng)到人后發(fā)出指令，蜂鳴報警器做出反應(yīng)，同時GSM模塊發(fā)送消息至手機來提醒車主。藍牙控制開關(guān)則是在藍牙進入藍牙感知模塊范圍內(nèi)時，藍牙感知模塊識別并反饋至開關(guān)處，使得繼電器控制模塊從低電平至高電平，此時開關(guān)閉合，LED顯示“open”。

4.2模塊功能

4.2.1數(shù)據(jù)處理模塊

目前常用的工業(yè)控制處理器有工控機和單片機，單片機具有高可靠性、易擴展、控制功能強、體積小、功耗低等特點[10]。從系統(tǒng)的功能上考慮，足以完成前面所介紹的任務(wù)，因此選用單片機作為控制芯片。在此處用的是AT89C52單片機作為中央處理器，該單片機不僅兼容MCS51指令系統(tǒng)，同時又有比AT89C51單片機更大的內(nèi)部FLASH和RAM容量，能儲存更多的數(shù)據(jù)。選用HC-49STH11.0592MHZ20PF20PPM的石英晶振，電容為 20PF 。在XTAL1和XTAL2引腳之間連接一個石英晶體，內(nèi)部振蕩器便能產(chǎn)生自激蕩，從而調(diào)整單片機的精度。

4.2.2顯示器模塊

顯示器采用的是LCD1602顯示器（圖4，可顯示16×2 的字符，可用于顯示字母、數(shù)字、點陣，此處用以顯示汽車?yán)^電器是否鎖止或開啟。

4.2.3報警模塊

如圖5所示，運用HC-SR501紅外感應(yīng)模塊作為人體紅外感知板塊，同時還用了一個震動傳感器作為控制傳感器，兩者同時產(chǎn)生響應(yīng)時報警器才會有所反應(yīng)，即有震動產(chǎn)生時，震動傳感器由低電平轉(zhuǎn)為高電平，此時震動傳感器有輸出，但紅外熱電偶并無輸出，因此并無響應(yīng)，而有人經(jīng)過時，人體紅外電偶有輸出，此時傳感器由低電平變?yōu)楦唠娖?，兩者同為高電平時產(chǎn)生響應(yīng)，產(chǎn)生電流傳遞至蜂鳴報警器。D5導(dǎo)通此時蜂鳴報警器產(chǎn)生響聲用于提醒（圖6）。

由于只有威慢作用，無法讓車主第一時間得知，此時GSM模塊便發(fā)揮作用，該模塊的核心是SimCom的SIM800LGSM蜂窩芯片（圖7）。SIM800LGSM芯片的所有必需數(shù)據(jù)引腳均被拆分為0.1英寸（ （2.54mm） 間距接頭。這包括通過UART與微控制器通信所需的引腳。該模塊支持 1200bps 至115200bps的波特率，并具有自動波特率檢測功能。該模塊需要外部天線才能連接到網(wǎng)絡(luò)，該模塊通常帶有螺旋天線，并直接焊接到PCB上的NET引腳。該板還具有U.FL連接器功能，以防天線遠離板[10]。

GSM板塊作用機理為：對汽車的狀態(tài)進行采集，將采集的信息以壓縮的形式，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳遞給車主的手機，以達到報警的目的。圖8為報警顯示文例。

4.2.4藍牙控制開鎖系統(tǒng)

藍牙控制系統(tǒng)相對來說較為簡單，系統(tǒng)中應(yīng)用了M20藍牙感應(yīng)（圖9），在藍牙設(shè)備進入藍牙感知模塊范圍內(nèi)時，藍牙感知模塊識別并反饋至開關(guān)處，使得繼電器控制模塊從低電平至高電平，此時開關(guān)閉合，車鎖打開。

5系統(tǒng)軟件設(shè)計

在硬件設(shè)計部分，筆者詳盡規(guī)劃了系統(tǒng)中每個模塊的硬件構(gòu)成、功能特性及其相互間的連接方式。在此基礎(chǔ)之上，本節(jié)轉(zhuǎn)向軟件設(shè)計領(lǐng)域，根據(jù)先前定義的硬件模塊連接圖和明確的功能需求，展開應(yīng)用程序與系統(tǒng)軟件的架構(gòu)與開發(fā)工作。這意味著下文將把硬件層面的布局轉(zhuǎn)化為軟件邏輯，確保軟件能夠充分利用硬件資源，實現(xiàn)預(yù)期的系統(tǒng)功能與性能目標(biāo)。

5.1系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖10所示，主控制模板作為整個系統(tǒng)的核心，對各個相關(guān)模塊進行初始化、控制和管理。首先對各個模塊進行初始化操作，判斷是否上鎖。若未上鎖，則報警器不工作；若已上鎖，則布陣成功，報警器可以工作。開啟監(jiān)測傳感器，對傳感器采樣，即判斷周圍是否有人且發(fā)生震動，若采樣成功，則5s后進入監(jiān)測，監(jiān)測0＼～5s，確認(rèn)狀態(tài)后向目標(biāo)號碼發(fā)送短信，且蜂鳴報警器發(fā)出警報，否則退出監(jiān)測。為保證電量，界面會定時刷新，這時可進行藍牙解鎖程序，首先判斷藍牙是否進入監(jiān)測范圍，若已進入，則自動解鎖，如果未能識別，則開始檢測是否存在按鍵或紅外遙控解鎖，此時可以通過處理按鍵功能上鎖或解鎖。

5.2程序設(shè)計

將函數(shù)初始化，若初始化成功返回1，失敗則返回0。返回1后開始主循環(huán)，如果所至為高電平，此時為上鎖狀態(tài)，切入下一個循環(huán)，定義紅燈為0，綠燈為1，若只亮一個燈則輸出1，即若單純有人路過或者單純產(chǎn)生振動時汽車都不會進入監(jiān)測模式，只有有人通過且振動產(chǎn)生時才會進入監(jiān)控狀態(tài)，此時兩燈亮起，進入監(jiān)控模式后5＼～10s內(nèi)持續(xù)監(jiān)測，若未消失則蜂鳴報警器會響起。

藍牙解鎖時，傳感器檢測到藍牙自動解鎖控制引腳上升，延遲1s后，藍牙傳感器顯示1，此時開鎖。10s后，程序重新循環(huán)即此時車鎖關(guān)閉。

5.3GSM通信模塊軟件設(shè)計

與GSM任務(wù)相關(guān)的程序包括GSM的啟動、短信息的處理以及發(fā)送短信息。在整個軟件設(shè)計過程中，與GSM相關(guān)的處理設(shè)置為一個任務(wù)，由主程序調(diào)度。單片機與GSM的串口連接，通過硬件控制串口工作，首先判斷GSM模塊是否初始化（若未初始化則硬件接收不到移動網(wǎng)絡(luò)），初始化成功后便可以接收處理短信，然后關(guān)閉GSM串口工作，退出軟件[10]

5.4系統(tǒng)仿真結(jié)果

打開程序輸入系統(tǒng)后顯示正常。

將模擬人體傳感器和震動傳感器由高電平轉(zhuǎn)至低電平，此時GSM顯示如圖11所示，即模擬向手機發(fā)送信息，此時蜂鳴傳感器發(fā)出報警，表示模擬報警裝置設(shè)計無錯誤。

如圖12、圖13所示。將藍牙模擬傳感裝置由低電平轉(zhuǎn)至高電平，模擬藍牙進入檢測范圍，此時開關(guān)打開，表示車鎖打開。藍牙解鎖模擬完成無誤。

6結(jié)語

本文對智能網(wǎng)聯(lián)汽車信息交互界面作了詳細介紹，并且基于汽車環(huán)境識別技術(shù)和網(wǎng)聯(lián)傳感器做了藍牙解鎖和車載報警程序的設(shè)計，以AT89C52單片機為媒介，運用Proteus8Professional軟件執(zhí)行仿真設(shè)計，并采用Dev- ^-C++ 程序和KeiluVision5程序進行編程翻譯和轉(zhuǎn)碼，使用了合適的傳感器，如HC-SR501紅外感應(yīng)傳感器和M20藍牙感應(yīng)傳感器等，并采用以SIM800LGSM蜂窩芯片為核心的網(wǎng)聯(lián)傳導(dǎo)信息發(fā)射模塊對車載報警設(shè)施進行了優(yōu)化，以保證該報警裝置有一個相對閉環(huán)的邏輯，便于未來的開發(fā)使用。

同時，本文對于未來的信息交互主流發(fā)展趨勢做了推測并提供了發(fā)展方向，包括但不限于更簡潔的HMI設(shè)計、座艙交互優(yōu)化設(shè)計、信息簡化處理、適老化設(shè)計，同時還基于MFCC對語音識別的準(zhǔn)確性、識別率、可靠性等方面提供了一個參考范本，這對未來的研究有一定的參考價值[11]。

參考文獻：

[1]SubramanianAS，WengC，WatanabeS，etal.Deeplearningbasedmulti-source localization with source splitting and its effectiveness inmulti-talker speech recognition[J].arXiv preprint arXiv：21O2.07955，2021.

[2]李洋.基于改進DTW算法的嵌入式語音識別系統(tǒng)的實現(xiàn)[D].西安：西安理工大學(xué)，2011.

[3]方玉杰.智能網(wǎng)聯(lián)汽車智能座艙交互系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2023.

[4]劉建偉，趙會丹，羅雄麟，等.深度學(xué)習(xí)批歸一化及其相關(guān)算法研究進展[J].自動化學(xué)報，2020，46（6）：1090-1120.

[5]Ucar S，Ergen SC，Ozkasap O.Multi-hop cluster based IEEE 802.11pandLTE hybrid architecture for VANET Safety message dissemination[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2016，65（4）：2621-2636.

[6]鄭靚.基于改進MFCC 和DeepSpeech2的智能網(wǎng)聯(lián)汽車語音交互關(guān)鍵技術(shù)研究[D].十堰：湖北汽車工業(yè)學(xué)院，2023.

[7]崔琳，王芷悅.基于LFBank與FBank混合特征的聲紋識別研究[J].計算機科學(xué)，2022，49（S2）：621-625.

[8]米良宇.基于認(rèn)知負荷理論的汽車人機交互界面適老化設(shè)計策略研究[D].鄭州：鄭州輕工業(yè)大學(xué)，2023.

[9]劉濤.基于增強現(xiàn)實技術(shù)的車機交互界面設(shè)計研究[D].沈陽：魯迅美術(shù)學(xué)院，2023.

[10]王映霓.基于用戶體驗的新能源汽車人機交互界面設(shè)計研究[D].成都：四川師范大學(xué)，2022.

[11]Honghong X.Inteligent network-connected new energy vehicle tech-nologyand application under the dual-carbon strategy[J].Proceed-ings ofBusiness and Economic Studies，2024，7（2）：79-83.

作者簡介：程新宇，男，1995年生，助理工程師，研究方向為車輛質(zhì)量監(jiān)督管理。