智能車載健康管家的系統設計

陳清清　邵開麗

摘 要：近年來，隨著人們生活水平的日益提升，越來越多的人擁有車，而且許多人在車上時間更是增多，因此對于車輛的駕駛安全各類問題值得關注。對于此類情況，文中設計智能車載健康管家系統。該系統實現了通過車載傳感器對駕駛員每次開車進行實時的身體狀況監測，通過Web端智能監控系統顯示數據，相當于一次微型的體檢，當人疲勞或身體出現意外情況時，可以通過該系統進行預警和給出及時的解決方案，有效地解決了人們在駕駛過程中遇到的意外情況。

關鍵詞：車聯網;健康監測;無線實時通信;Arduino;智能車;健康管家

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）04-00-03

0 引 言

隨著人們生活水平的提高，現在的車載系統越來越完善，而城市化進程的加快，使人們對車載導航的使用訴求已經不僅僅是衛星定位和電子地圖那么簡單，行車安全和駕駛員安全問題日益受到關注，比如由于酒駕造成的事故非常之多，有些人喝了酒就會忘記，還有的認為自己的只喝了一點點不算酒駕，從而導致事故頻發。而汽車公司系統設計大致針對車的安全狀況，對駕駛員的身體情況關注較少，比如車載自動化控制系統中車載單元OBU僅負責采集車輛的信息，包括GPS定位信息、汽車油量、車輛狀態信息等，以及司機遇到緊急事件時所進行的操作記錄[1]。還有一種以Arduino開發平臺為基礎的無線遠程監測系統對車內滯留人員進行檢測，通過聲音、物體運動、人體紅外檢測進行監測預警，但并沒有對滯留人員的健康狀況進行監測[2]。也有相關的監測駕駛員的系統—車載疲勞駕駛預警系統，該系統可以有效地避免疲勞駕駛造成的交通事故，但是不夠全面而且需要配置近紅外攝像頭模組等較貴的設備[3]。由以上情況，本文針對駕駛員健康情況設計了智能車載健康管家系統，保障人們的出行安全。

本系統運用溫度傳感器采集駕駛員體溫情況，脈搏監測傳感器采集駕駛員心跳情況，在心跳異常的情況下，及時提醒乘坐員，并對車進行自動定位，在安全停車區停車。酒精濃度傳感器測量駕駛員是否飲酒駕駛，提醒駕駛員飲酒量超標，請更換駕駛員，存在誤差是可能會受乘坐人員飲酒情況的影響。各傳感器節點將收集的數據發送至藍牙，通過無線網絡連接藍牙接收數據，通過IntelliJ IDEA 軟件將數據呈現至頁面，通過軟件調用該頁面讓用戶查看到。該系統對駕駛員每次開車進行一次小體檢，對出現的意外情況及時給出預警和解決方案，讓每一位出行的人都能有安全舒適的一次旅程，這是智能車載健康管家系統設計的目的。

1 系統總體結構

本文基于物聯網技術設計一種智能車載健康管家系統，包括一套智能健康監測裝置和安裝在車載控制系統中的車載健康監測與預警系統，系統總體結構主要分為三層：感知層、網絡層和應用層。感知層是生理參數和車內環境參數的采集終端，負責對駕駛員的生理狀況（心源性休克和人體生理狀態）、吸煙飲酒和車內環境進行實時監測，將采集的數據通過藍牙網絡傳輸至車載PC終端;網絡層中的服務器將感知層采集得到的數據存儲到數據庫中，并對數據庫中的數據變化進行反饋;應用層是人機交互界面的接口，應用程序軟件主要安裝在車載控制系統上，負責對采集的數據進行分析、異常指標的監測和人體健康綜合評價。將感知層采集駕駛員的所有數據，利用藍牙（IEEE 802.15.1標準）通信協議連接傳輸數據到網絡層的服務器，在應用層上借助車載終端系統將其存儲在終端。系統總體結構如圖1所示。

2 系統硬件設計

將智能車載健康管家硬件設計為一套智能健康監測裝置，可以便捷地檢測出駕駛員的酒精含量、體溫、心率及車內空氣環境等健康指標，并以藍牙無線傳輸至應用端。該系統采用Arduino模塊對傳感器進行連接，1引腳接5 V電源，

2引腳接地，1和2引腳再連接面包板的正負極，在面包板上將傳感器通過串并聯電路連接，傳感器在數字輸入/輸出口選擇需要的引腳，引腳RX發出數據，TX接收數據。具體連接圖如圖2所示。

2.1 傳感器模塊設計

傳感器模塊負責采集體溫、脈搏數據、酒精濃度、煙霧濃度和其他車內環境參數。在選擇傳感器時，優先選擇功耗低的傳感器，在此基礎上考慮傳感器的分辨率、測量范圍、精度、性價比等因素。本系統中分別采用負溫度系數熱敏電阻10D-92作為溫度傳感器。負溫度系數熱敏電阻器溫度計的精度可以達到0.1 ℃，感溫時間少于10 s。它的測量范圍一般為-10～300 ℃;腕部脈搏傳感器工作溫度為0～60 ℃，其靈敏度高，性能穩定。脈搏測量采用Pulse sensor心率傳感器，可穿戴，手指和手腕等不同部位模擬信號輸出，兼容Arduino，使用方便。煙霧濃度傳感器采用MQ-2 Sensor檢測煙霧和氣體酒精，MQ-2 Sensor基于QM-NG1探頭的氣體傳感器。QM-NG1是采用廣譜性氣體傳感器，最大特點對各種可燃氣體以及酒精、乙醚、乙醇、煙霧等有毒氣體具有高度敏感性。通過空調ECU可使空氣交換器在有煙霧時自動運轉，當煙霧濃度達到傳感器閾值時，發出警告，并提醒駕駛員停止煙霧的來源，直至警告停止。部分傳感器實物如圖3所示。

2.2 無線傳輸方案的選擇

本文基于物聯網技術設計一種智能車載健康管理系統。對比現有成熟的幾種物聯網技術的優缺點和研究本系統獨特的設計要求，采用最穩定的藍牙技術進行無線組網。藍牙技術是一種短距離、低功耗、低成本、易操作且支持多種設備的雙向無線通信技術，由于WiFi和ZigBee技術使用比較普遍，大多人會選擇這兩種，比如基于ZigBee的遠程數據傳輸對甲醛的監測，但網絡會存在安全威脅，可能會造成數據丟失等問題，不便于維護[4]。

全新藍牙4.0規范的核心是低功耗技術，該技術最大的特點是擁有超低的運行功耗和待機功耗，即使用一粒紐扣電池也可以連續工作數年之久，相比WiFi和ZigBee更優越。它的容量大，數據傳輸可靠，支持點對點及點對多點的通信。綜合考慮功能、通信、功耗、性價比等因素，本設計中采用HC-05模塊作為無線收發模塊。HC-05模塊具體功耗低、可靠性高、安全性高等特點，兼容3.3 V和5 V單片機。將傳感器模塊采集的數據通過藍牙無線通信傳輸至COM-HC串口，然后通過IntelliJ IDEA軟件顯示到網頁端。藍牙模塊原理圖如圖4所示。

3 系統軟件設計

Web智能監控管理系統基于Web開發平臺，完成藍牙同服務器間的數據交互，提供友好的界面供用戶進行相應操作，以及便于系統操作員管理系統內的所有傳感器獲取的數據和不同角色使用者之間的信息共享[5]。系統軟件設計采用Web開發環境，主要有主程序設計、數據處理子系統和數據庫管理，可以實現數據的自動分析、處理、顯示、查詢和預警等功能，系統總設計如圖5所示。軟件設計會采用Web對頁面進行設計實現，車載終端系統大部分汽車采用Android系統，把Web網頁顯示添加至車載PC中[6]。其中外部中斷尤為重要，當溫度檢測模塊、酒精檢測模塊、脈搏檢測模塊檢測到有異常時，就會觸發中斷并報警。其次是GSM 模塊，通過GSM模塊連接到車載系統終端上，使車主第一時間了解自己的情況[5]。GSM是一種新型的分組數據傳輸方式，適用于間斷的突發性的或頻繁的少量的數據傳輸和偶爾的大數據量傳輸，是該系統需要的傳輸方式。

（1）主程序設計

采用Web開發環境，利用Java，JS和數據庫進行程序設計，由藍牙接口輸出數據，將溫度、酒精濃度和脈搏次數寫入主界面進行顯示，通過數據處理模塊判斷數據是否為異常數據，附加用戶的基本信息，發生的警告日常健康狀況數據，將所有數據存入數據庫，保障數據的完整性和安全性。

（2）數據處理子系統

數據采集裝置利用傳感器對駕駛員進行健康監測，并把監測得到的信息傳送到 Arduino，Arduino單片機利用 ESP8266或 Ethernet通過藍牙把數據上傳到遠端服務器，服務器對數據進行分析判斷并做出決策，把預警信息發回到后臺，后臺控制相應執行機構動作，實現數據傳輸[7]。采用數據融合的方式分析、整理數據，數據融合中心對來自多個傳感器的信息進行融合，也可以將來自多個傳感器的信息和人機界面的觀測事實進行信息融合，提取必要的信息。在推理機作用下，將預警信息與知識庫中的知識匹配，做出故障診斷決策，提供給用戶，如圖6所示。

（3）數據庫管理

數據庫管理的主要內容有：數據庫的安全管控、數據庫的調優、數據庫的重組、數據庫的重構、報錯問題的分析匯總和處理、數據庫數據的日常備份。使用SQL Server數據庫為各個傳感器建立表格，這樣建立4個表格，把傳感器得到的數據分別使用js導入數據庫，建立一個總表格對其他的表格進行增刪改查，每天對數據進行一次整理，把一些無用的從數據庫中刪除，保證數據庫的空間充足和數據庫中數據的安全。

4 結 語

本文設計系統實現了人們的安全駕駛出行，防止意外發生，對于生活中的一些由于司機身體突發狀況引起的交通事故提供了參考價值。該系統主要是對于人體的健康進行實時監測，較其他車載人體監測更豐富。尤其適用大巴司機，掌握著一車人的命，司機的健康至關重要，還有喝了一點酒存在僥幸心理的人。而帶有智能車載健康管家系統的汽車，會讓人們感覺到安心，為每一位駕駛員保駕護航。本系統是置于車載PC端的，汽車擁有車載PC的品牌較少，這也是該系統的一個不足。

參考文獻

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作者簡介：陳清清（1997—），女，河南淮陽人，研究方向為物聯網工程。