基于車聯網的健康監測系統的設計

孫同輝 邵開麗

摘 要：現代汽車產業是智能化、信息化高度發展的產業，汽車駕駛員在復雜的交通環境下，容易出現交通事故和心臟病突發等問題。針對駕駛員在駕駛過程中突發疾病或者突然失去駕駛能力的現象，系統采用物聯網與健康監測相結合的設計方案，通過AT89C51微處理器和傳感器檢測駕駛員的體溫、心率、脈搏、駕駛時間、是否過量吸煙飲酒等指標，經過數據采集模塊預處理后，由藍牙模塊傳輸至車載APP，綜合分析、顯示、評價駕駛員的健康狀況，對異常指標進行預警，防止駕駛員在行車過程中因突發疾病、過量飲酒或車內環境變化等影響安全駕駛，為駕駛員提供安全、高效的出行保障。

關鍵詞：汽車駕駛安全;物聯網;在線監測;健康評估;APP;微處理器;傳感器

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）12-00-04

0 引 言

我國幅員遼闊，人口眾多，交通設施關乎民生，隨著國民生活水平的提高，汽車走進千家萬戶，成為大多數人的首選出行工具。如今，汽車已成為廣大民眾出行、旅行的最便捷工具之一[1]。在此同時，生活方式、飲食結構改變引起的高血壓、糖尿病、冠心病、動脈硬化等心血管疾病成為常見病和多發病[2]。

由于汽車是由人駕駛的高速運行的交通工具，所以很多情況下行車安全受駕駛員生理因素的影響，許多車禍是由駕駛員的危險駕駛引起的[3]。為了更好地滿足社會需求和實際應用，為駕駛員提供更安全的駕駛環境，各領域科研技術人員加大了對車載健康監測的研究力度。汽車作為大部分人生活的必需品，將物聯網技術和嵌入式技術融入汽車安全駕駛領域將成為市場主流趨勢和時代發展的熱點[4]。

目前，市場上大多數人體健康監測設備過于單一，只能測量一個指標，這在車輛健康監測設備中更為明顯[5]。為了滿足駕駛員在行駛車輛的同時能夠直觀了解到自己的實時健康狀況，本文基于AT89C51微處理器設計了一款智能車載健康監測系統，將物聯網及嵌入式技術相結合，實時監測駕駛員的多種生理數據，通過短距離無線通信將數據傳輸到終端，經過數據分析得出駕駛員健康狀況并對異常數據報警，將有助于駕駛員及時了解自身的生理健康狀況。此外，還利用煙霧濃度傳感器模塊使系統能夠監測車內空氣環境質量，提高駕駛安全性。使用多傳感器數據融合技術消除監控過程中產生的錯誤數據，避免不必要的干擾，以正確獲取駕駛員的健康數據，從而實現提醒駕駛員安全駕駛、預防駕駛員危險駕駛的功能，幫助駕駛員在遇到危險時采取有效措施。

1 系統的總體結構

本系統是基于物聯網技術設計的一款智能車載健康監測系統，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APP，通過傳感器形成穿戴設備監測駕駛員的體溫、心率、脈搏、駕駛時間、是否過量吸煙飲酒及車內環境等指標，將測得的數據通過藍牙通信模塊迅速傳輸到智能終端，并向用戶顯示。

系統總體結構主要分為三層，即感知層、網絡層和應用層。感知層通過傳感器收集駕駛員的健康狀況和車內空氣質量，后臺服務器分析傳感器收集的健康數據并判斷是否超出正常健康指標，據此斷定下一步是否報警。系統總體結構如圖1所示。

本文設計的智能車載健康監測系統基于AT89C51微處理器，通過AT89C51引腳與各模塊連接，實現模塊功能。系統集成有溫度傳感器、脈搏傳感器、血壓傳感器、體溫傳感器、酒精傳感器、延遲傳感器、心率傳感器等，并采用藍牙無線通信技術傳輸信息。

（1）智能車載健康監測系統將多傳感器采集的數據通過安裝的藍牙設備進行接收、轉發，將接收的監測人員健康數據及環境數據轉發至上位機。

（2）對數據進行處理、優化并存儲在上位機中，然后通過GPRS網絡傳輸到遠程監控終端，實現信息的存儲、處理和顯示。

（3）用戶可以在終端通過APP實時監測自身的綜合健康狀態。同時，該系統還能利用煙霧傳感器實現車內空氣質量的檢測。

智能車載健康監測系統綜合利用傳感器、嵌入式開發、通信和軟件開發等技術，實現了感知人體健康數據和環境數據的目標，用戶可隨時查看各類傳感器信息和綜合健康評價。

2 系統的硬件設計

2.1 傳感器模塊

硬件設計是對安裝在駕駛區域內測量設備的設計，包括使用的微處理器、傳感器模塊的設計。智能車輛健康管家的微處理器和傳感器模塊的設計如圖2所示。

系統使用pt100溫度傳感器來收集用戶的實時體溫和環境溫度。pt100溫度傳感器顯示精度為0.1 ℃，綜合精度為0.3 ℃。標準化輸出信號主要為0～10 mA和4～20 mA（或1～5 V）的DC信號。該模塊具有體積小、精度高等優點，適合嵌入到智能車載健康監測系統中。

脈搏血壓傳感器的核心在于采用光電式容積脈搏波（PPG）的方式感應人體的脈搏信息并加以提取。人體的血壓正常范圍為高壓90～120 mmHg，低壓60～90 mmHg。設計的血壓脈搏傳感模塊采用脈搏波血壓傳感芯片YKB1712與反射式光電血壓傳感器芯片，測量方式更加自由。

心率傳感器模塊需要進行持續測量，并通過一段時間的心率數據給出身體健康信息。系統采用光反射測量的光電心率傳感器與傳感器模組LST1303。

酒精濃度傳感器模塊主要用于監測用戶是否存在酒后駕車的危險情況，在開始駕駛之前檢測用戶呼出氣體的酒精濃度，如果酒精濃度超過標準，將提醒用戶勿酒后駕駛車輛。使用MQ-3酒精傳感器，該模塊具有對酒精高度敏感，可以抵抗汽油和煙霧干擾等特點。

煙霧傳感器模塊主要用于實時了解用戶的環境條件。國內外研究表明，各種揮發性有機化合物（主要由烷烴、烯烴、苯和其他含氧化合物組成）會使車內空氣惡化。如果駕駛員和乘客經常處于汽車的狹小空間內，可能會出現頭痛、乏力等癥狀，甚至致癌[6]。本文設計的智能車載健康監測系統集成有車內氣體監測傳感器模塊，可通過氣體傳感器實時監測用戶所在環境的空氣質量，并全面監控各種動態數據，以有效評估用戶的健康狀況。TGS2600是日本進口的空氣質量傳感器，對極其微弱的空氣污染具有較高的靈敏度，可通過單片機控制氣體傳感器進行氣體數據的采集。

2.2 控制器模塊

AT89C51處理器是一款低電壓、高性能CMOS 8位處理器，帶有4 KB閃存，工作電壓為4.5 ～5.5 V。AT89C51微控制器為主控模塊，通過AT89C51引腳與各模塊連接。智能車輛健康管家電路原理如圖3所示，其核心為AT89C51控制電路模塊。智能車載健康監測系統可在AT89C51微處理器電路基礎上，結合上述傳感器模塊，利用藍牙技術實現感知數據的采集和傳輸。

3 智能車載健康監測系統的軟件設計

3.1 主程序設計

智能車載健康監測系統采用Eclipse軟件作為開發平臺，利用Java語言編寫程序。系統通電后完成初始化工作，AT89C51微控制器發送ROM命令和讀存儲器命令，數據讀取后，由數據分析模塊確定每個傳感器中的數據是否存在異常，如果數據正常，則程序保存數據后循環進入數據采集模塊;如果數據分析模塊監測到異常數據，則根據異常數據的種類播放相應錄音，提醒用戶安全駕駛，并將異常數據備份到云端，最后循環進入數據采集模塊繼續進行監測任務。智能車輛健康管家主程序的設計流程如圖4所示。

3.2 監控平臺設計

智能車載健康監測系統的監控平臺能夠方便用戶查看監測信息。系統監測平臺可以在Web終端、移動終端進行訪問，智能車載健康監測系統監控平臺的功能主要包括傳感器監測數據顯示、歷史數據查詢和人體健康綜合評價。其中，人體健康綜合評價是多傳感器數據融合技術處理后的融合值，人體溫度通過監測用戶脖頸部位體溫得到數據，酒精濃度傳感器可以從不同角度同時查看用戶呼出氣體的酒精濃度。所有數據能夠直觀以數字形式體現，而且可以顯示出實時的數據變化曲線以及正常數據變化范圍。智能車輛健康管家監控平臺的功能模塊結構如圖5所示。

3.3 數據處理

多傳感器數據融合[7]處理多個傳感器的數據信息，分析和合成多個數據，并完成所需的決策和估算。多傳感器數據融合方法包括加權分析、貝葉斯估計、模糊估計和神經網絡方法。

智能車輛健康管家采用多傳感器數據融合方法將每個傳感器的數據傳輸到上位機進行數據融合。傳感器測量的數據是系統中最原始的數據，每個傳感器的測量精度對系統而言尤為重要，可以根據多傳感器批量估計數據融合理論獲得測量數據的局部決策值。

將單只傳感器的測量數據分為兩組，分別為x11， x12， ...， x1m和x21， x22， ...， x2n則這兩組數據的平均值分別為與，標準差分別為σ1與σ2：

推導出分批估計數據融合的結果和方差：

利用式（1）～（4）可以得到每個傳感器測量數據的局部決策值。使用以上方法可得到智能車載健康監測系統對人體的綜合評價值。

智能車載健康監測系統具有數據量大、類型豐富、數據相互之間關系復雜的特點，因此，合理設計系統數據庫是系統開發的關鍵。系統采用關系型數據庫MySQL建立服務器端數據庫，使用可視化軟件MySQL-Front管理數據庫。

對產品數據流圖進行分析，用戶通過登錄界面輸入用戶名及密碼，后臺將在 Cookie中讀取其代表的域名，通過權限分配機制確定用戶擁有的權限，并進入不同的權限視圖。用戶進入系統后實施對智能車載健康監測系統的操作，收集用戶環境信息并上傳至數據庫，將用戶的個人信息和歷史健康記錄存儲在數據庫中[8]。圖6所示為用戶檔案數據流圖。

4 結 語

文中提出了一種智能車載健康監測方案，研究了系統的硬件類型、軟件搭建、無線傳輸、數據分析、數據庫建立等內容，完成了基于物聯網的車載健康監測系統的設計。該系統可以實現對駕駛員駕駛過程中遇到的危險及正常駕駛時健康指標的實時檢測，具有數據自動分析、處理、顯示、查詢和預警功能，并能提出個性化的健康指導。系統界面簡潔明了，交互性強，適用人群廣泛，可通過健康預警方式提醒駕駛員安全駕駛，提高交通安全，從而減少交通事故的發生，更好地保障人民生命財產安全。

參 考 文 獻

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