駕乘人員安全帶智能檢測系統設計

曾心遠，張正華，錢 錦

(揚州大學 信息工程學院，江蘇 揚州 225127)

0 引言

近年來客車事故頻繁發生，因未正確佩戴安全帶的死亡率高達80%[1]。正確佩戴安全帶可有效降低死亡率[2]，每年至少可以挽救1 000人的生命，減少直接財產損失達2億人民幣[3]。目前，國內外研究的安全帶檢測裝置，均采用經典的提醒裝置[4]，由車速傳感器、儀表盤、帶扣傳感器、點火鑰匙、直流電源和車載控制器6個模塊構成。但安全帶提醒裝置主要檢測駕駛位和副駕駛位，缺少對于駕乘人員統一的檢測和管理。

針對此缺陷，國內外學者進行了大量研究。郭海濤等[4]針對傳統安全帶提醒裝置無法提醒除駕駛員和副駕駛的不足，提出一種以物聯網為技術手段的提醒裝置，可同時提醒車內所有駕乘人員，比視頻監控更加有效。胡凍三等[5]將安全帶提醒系統、車票識別系統以及站口閘道控制系統融合為一個整體，不僅可以提醒駕乘人員系好安全帶、快速識別座位號，還可以讓客車更方便快捷地通過閘道。文獻[6]設計的系統進一步加大了對安全帶安全性的檢測，通過乘客座位上的壓感傳感器和安全帶的扣帶傳感器，檢測此座位是否坐著駕乘人員，并且是否扣好安全帶。然后將檢測結果通過無線傳輸的方式發送到車輛的遠程控制端，此方法更加安全有效。傅生輝等[7]考慮對安全帶進行定位，對道路監控圖像進性剖析，提出一種基于梯度變換的安全帶定位方法，將其轉化為單線梯度定位計算，具有較強的適用性。M.A.Regan等[8]研究了安全帶提醒對駕駛性能的影響，建立安全帶正確確認系統，可以進一步改善已經佩戴安全帶乘客的安全帶佩戴正確率。H.Gupta等[9]將道路允許最大行駛速度和安全帶結合起來，達到安全行駛的目的。J.Yongquan[10]等，利用CNN網絡提高檢測駕乘人員的安全帶佩戴信息的檢測率。綜上所述，安全帶報警裝置朝著無線監控、自動化、智能化方向發展。

針對以上研究的不足，本文從低成本、低功耗、抗干擾性等方面出發，采用分布式結構，將多個傳感器分布在各個座椅上，用來檢測駕乘人員安全帶的佩戴情況，再利用ZigBee組網技術，單個終端節點給傳感器分配地址，通過無線傳輸的方式獲取每個傳感器的狀態，并將駕乘人員的安全帶使用情況顯示在車載顯示屏上，駕駛員可以更加快捷直觀地獲得相應的信息。

1 系統模型設計

1.1 安全帶智能檢測原理

本文采用座椅薄膜壓力傳感器、安全帶鎖扣傳感器檢測駕乘人員的入座及安全帶佩戴情況。座椅薄膜壓力傳感器的觸點均勻分布在座椅的受力表面，駕乘人員入座時，產生觸發信號；安全帶鎖扣傳感器中有一個微動開關，鎖舌沒有插入時，開關閉合，產生觸發信號。

由于客車駕乘人員數量多，容易忽視佩戴安全帶或應付檢查后解除安全帶。終端將傳感器檢測結果分為入座/未佩戴安全帶、入座/佩戴安全帶、未入座/佩戴安全帶和未入座/未佩戴安全帶4種情況，其中第2和第4種為安全情況；第1和第3種則觸發報警器報警，如表1所示。

表1 檢測結果分類

1.2 系統整體設計

系統框架如圖1所示。以50座客車為例，系統采用ZigBee組網技術[11]，通過10個終端及對應傳感器，采集各駕乘人員的入座情況及安全帶佩戴情況，一方面終端控制報警器報警，另一方面協調器將終端發送的數據預處理，并傳輸至嵌入式車載系統，在顯示器上生成可視化座椅表。

圖1 系統框架

2 終端節點

終端節點硬件如圖2所示。終端節點微控制器采用CC2530F256芯片[12]，為5個座椅的5個安全帶鎖扣傳感器、壓力傳感器分配引腳地址，根據引腳接收傳感器的觸發信號，判斷各座椅駕乘人員的安全帶佩戴情況，并控制報警器報警。ZigBee無線模塊采用RF2530A芯片[13]，用于將微控制器采集的信息傳輸至協調器節點。

圖2 終端節點硬件

終端節點的工作流程如圖3所示。

圖3 終端節點流程

首先，引腳初始化，第1組安全帶鎖扣傳感器、薄膜壓力傳感器、報警器分配引腳PIN1，PIN2，PIN3，依次類推分配5組，則有PIN1～PIN15處于工作狀態。

其次，檢測PIN1PIN2，PIN4PIN5，PIN7PIN8，PIN10PIN11和PIN13PIN14，5組引腳電平，將檢測結果分為4類情況，以PIN1PIN2為例：① PIN1高電平、PIN2高電平，則為駕乘人員入座，未佩戴安全帶；② PIN1低電平、PIN2高電平，則為駕乘人員入座，佩戴安全帶；③ PIN1低電平、PIN2低電平，則為駕乘人員未入座，佩戴安全帶；④ PIN1高電平、PIN2低電平，則為駕乘人員未入座，未佩戴安全帶。其中，第②，④類情況為安全情況；第①，③類情況為報警情況。

然后，根據上一步判別的結果，為PIN3，PIN6，PIN9，PIN12，PIN15分配高低電平控制報警器報警。以PIN3為例：若為上一步中第②，④類情況，則分配PIN3低電平，報警器不工作；若為上一步中第①，③類情況，則分配PIN3高電平，報警器工作。

最后，終端節點將終端ID、5個乘客的4類狀況存入數組，并通過ZigBee網絡將數組數據發送至協調器。

3 協調器及嵌入式車載系統

協調器、嵌入式車載系統硬件如圖4所示。協調器節點微控制器采用CC2530F256芯片，ZigBee無線模塊采用RF2530A芯片，嵌入式車載系統[14]采用Up squared作為車載芯片。終端節點采集的數據進行預處理并通過串口傳輸至嵌入式車載系統；嵌入式車載系統接收協調器節點數據預處理后的信息，在顯示屏上將安全帶佩戴情況可視化[15]。

圖4 協調器、嵌入式車載系統硬件

數據預處理方法，以終端1，2檢測結果為例：若終端1檢測的第1～5位駕乘人員均佩戴安全帶，即第②類情況，則格式化為1∶22 222；若終端2檢測的第6～10位駕乘人員均未佩戴安全帶，即第①類情況，則格式化為2∶11 111。

結合上述例子及如圖5所示的可視化座椅表，顯示屏可視化安全帶佩戴情況的方法如下：

圖5 可視化座椅表

首先，繪制可視化座椅表。

然后，嵌入式車載系統利用串口接收協調器數據，根據終端ID及相應終端發送的數據，為座椅填充顏色，以表示駕乘人員4種安全帶佩戴情況，具體為：

終端1采集座椅1～5的數據，終端2采集座椅6～10的數據，以此類推。第1類情況，駕乘人員入座，未佩戴安全帶，座椅為紅色；第2類情況，駕乘人員入座，佩戴安全帶，座椅為綠色；第3類情況，駕乘人員未入座，佩戴安全帶，座椅為橙色；第4類情況，駕乘人員未入座，未佩戴安全帶，座椅為灰色；若無相應座位的數據，則座椅默認為灰色；以協調器節點發送1∶22 222，2∶11 111為例，座椅1～5號為綠色，座椅6～10號為紅色，其余座椅為灰色。

4 結束語

駕乘人員安全帶智能檢測系統利用單個終端節點采集多個駕乘人員信息，大型客車可節省約40%硬件成本，采用低功耗CC2530系列芯片，可有效降低系統功耗，節約電源成本；利用ZigBee無線組網技術，可減少布線；通過報警器或可視化界面提醒駕乘人員佩戴安全帶，可有效提高駕乘人員的安全帶佩戴率，以此保障駕乘人員的安全，減少事故中由于未佩戴安全帶而造成的財產損失和人員傷亡。可用于交通部門的違規檢查，分析交通事故的成因。為車管部門提供客車新領域的應用方案，為未來無人駕駛應用場景下的駕乘人員安全檢測提供方案。