一種安全駕駛智能輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

唐江波 劉素梅

摘 要：造成道路交通事故的原因是多方面的，其中駕駛員疲勞程度、飲酒程度等身體狀況對(duì)道路交通安全的影響最大。鑒于此，設(shè)計(jì)了一種安全駕駛智能輔助系統(tǒng)，利用多種傳感器采集駕駛員的身體信息數(shù)據(jù)和車(chē)廂內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，借助控制系統(tǒng)對(duì)傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確處理和分析后，根據(jù)預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷駕駛員的各項(xiàng)身體指標(biāo)是否正常，在駕駛員身體情況異常時(shí)進(jìn)行警報(bào)提醒，從而達(dá)到安全駕駛的目的。

關(guān)鍵詞：安全駕駛;傳感器;控制系統(tǒng);單片機(jī)

0 引言

近年來(lái)，隨著人們生活水平的提高，機(jī)動(dòng)車(chē)的人均擁有數(shù)量逐年遞增，汽車(chē)已經(jīng)成為普通消費(fèi)品。與此同時(shí)，道路交通事故的發(fā)生率也隨之逐年提升。據(jù)國(guó)家交通部的交通事故原因統(tǒng)計(jì)，疲勞駕駛和酒后駕駛所導(dǎo)致的交通事故占道路交通事故的1/2，且酒駕事故造成的人員死亡量占總事故死亡量的一半以上。隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)汽車(chē)駕駛的安全性提出了更高的要求。在現(xiàn)代科技迅速發(fā)展的引領(lǐng)下，傳感器技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生活中，使得人們的生活更加便捷化、智能化。借助于傳感器技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了一種安全駕駛智能輔助系統(tǒng)，它能很好地輔助并陪護(hù)駕駛員駕駛，有效減少道路交通事故的發(fā)生。

1 安全駕駛智能輔助系統(tǒng)的硬件組成

本文設(shè)計(jì)的安全駕駛智能輔助系統(tǒng)著眼于解決駕駛員的駕駛安全問(wèn)題，通過(guò)車(chē)廂內(nèi)的多種傳感器協(xié)同工作，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)駕駛員身體狀況信息和車(chē)廂內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)信息，借助觸摸屏和語(yǔ)音模塊與駕駛員進(jìn)行交互，滿足駕駛員的多重駕駛安全需求，包括疲勞駕駛、酒駕的監(jiān)測(cè)與提醒，駕駛員體溫、血壓、心率等指標(biāo)的監(jiān)測(cè)與提醒等功能。安全駕駛智能輔助系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

其中：①壓力傳感器模塊，用來(lái)采集駕駛員的體重?cái)?shù)據(jù)，當(dāng)有體重?cái)?shù)據(jù)而心率、血壓數(shù)據(jù)異常時(shí)，控制系統(tǒng)控制語(yǔ)音模塊發(fā)出警報(bào)提醒。②疲勞駕駛預(yù)警模塊，安裝在車(chē)內(nèi)的方向盤(pán)上，主要包括壓力傳感器和角位移傳感器，用于采集方向盤(pán)上壓力和角度數(shù)據(jù)的變化情況。系統(tǒng)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)來(lái)判斷駕駛員的疲勞程度，當(dāng)駕駛員處于疲勞駕駛狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)提醒。③血壓、心率傳感器模塊，戴在駕駛員手腕上，可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)駕駛員的血壓、心率情況，同時(shí)將監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)。④紅外線體溫傳感器模塊，可以根據(jù)人體釋放的熱輻射的強(qiáng)弱來(lái)實(shí)時(shí)無(wú)接觸地監(jiān)測(cè)駕駛員的體溫，并反饋給控制系統(tǒng)。⑤酒精傳感器模塊，可以探測(cè)駕駛員呼出氣體的酒精濃度，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，系統(tǒng)根據(jù)電壓大小測(cè)定環(huán)境中的酒精濃度，從而判定駕駛員是否酒駕。⑥異常氣體感知模塊，主要由CO、CO2、CH4等傳感器組成，用于實(shí)時(shí)感知車(chē)廂內(nèi)對(duì)人體有害的異常氣體，并將車(chē)廂內(nèi)的監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)反饋到控制系統(tǒng)。⑦觸摸屏和控制系統(tǒng)，不僅是用來(lái)與駕駛員交互，更重要的是處理從傳感器接收到的信息指標(biāo)數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的各項(xiàng)指標(biāo)的閾值來(lái)判斷所測(cè)得數(shù)據(jù)是否超標(biāo)，從而確定是否需要發(fā)出對(duì)應(yīng)的警報(bào)。

2 車(chē)載安全駕駛智能輔助系統(tǒng)工作流程

車(chē)門(mén)打開(kāi)的同時(shí)，安全駕駛智能輔助系統(tǒng)就開(kāi)始工作，系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

（1）首先進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)檢測(cè)。考慮到駕駛員有可能只是關(guān)閉了發(fā)動(dòng)機(jī)在休息，因此無(wú)論發(fā)動(dòng)機(jī)是否啟動(dòng)，都需要檢測(cè)駕駛員是否在車(chē)上。如果駕駛員不在車(chē)上，安全駕駛智能輔助系統(tǒng)可以退出工作狀態(tài)。

（2）駕駛員坐上駕駛位時(shí)，壓力傳感器模塊就開(kāi)始采集駕駛員的體重?cái)?shù)據(jù)。電阻應(yīng)變片壓力傳感器結(jié)合24位A/D轉(zhuǎn)換芯片，可以實(shí)時(shí)采集駕駛員的體重?cái)?shù)據(jù)，再由無(wú)線傳輸模塊將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。

（3）駕駛員準(zhǔn)備開(kāi)車(chē)時(shí)，疲勞駕駛預(yù)警模塊開(kāi)始工作，實(shí)時(shí)監(jiān)控駕駛員的疲勞程度。壓力傳感器和角位移傳感器，用于采集方向盤(pán)上壓力數(shù)據(jù)和角度數(shù)據(jù)的變化情況，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)來(lái)判斷駕駛員的疲勞程度。駕駛員處于疲勞狀態(tài)時(shí)，雙手對(duì)方向盤(pán)施加的壓力將會(huì)異常，或者壓力正常但方向盤(pán)轉(zhuǎn)角長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)發(fā)生變化，都可認(rèn)定駕駛員處于疲勞駕駛狀態(tài)，控制系統(tǒng)據(jù)此進(jìn)行判斷，從而發(fā)出警報(bào)提醒。

（4）與高性能的8位單片機(jī)相連的異常氣體感知模塊開(kāi)始工作，微嵌入式的CO、CO2、CH4傳感器模塊能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)廂內(nèi)對(duì)人體有害的異常氣體數(shù)據(jù)，并將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，與國(guó)家空氣污染指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，從而作出判斷，發(fā)出相應(yīng)的提醒或者警告。

（5）熱電堆紅外溫度傳感器用來(lái)無(wú)接觸地監(jiān)測(cè)駕駛員的體溫?cái)?shù)據(jù)。紅外傳感器中的光學(xué)系統(tǒng)將熱輻射能量匯集到光電探測(cè)模塊，光電探測(cè)模塊將熱輻射能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，探測(cè)物體的熱輻射能量，配合光路，可以實(shí)現(xiàn)在10 m范圍內(nèi)有效測(cè)得駕駛員的體溫?cái)?shù)據(jù)。體溫?cái)?shù)據(jù)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊處理后，經(jīng)無(wú)線傳輸模塊，發(fā)送給控制系統(tǒng)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到駕駛員的體溫異常時(shí)，控制系統(tǒng)將控制語(yǔ)音模塊發(fā)出警告。

（6）佩戴在駕駛員手腕上的血壓、心率傳感器模塊能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量駕駛員的血壓和心率。心率、血壓傳感器能感測(cè)駕駛員的心率和血壓數(shù)據(jù)，經(jīng)前端模擬和算法芯片處理后，就可以實(shí)現(xiàn)心率、血壓結(jié)果的輸出，結(jié)果將通過(guò)無(wú)線傳輸模塊發(fā)送給控制系統(tǒng)。

（7）酒精傳感器監(jiān)測(cè)駕駛員體內(nèi)、空氣環(huán)境中的酒精濃度，表面電阻控制型酒精氣體濃度氣敏傳感器能感知環(huán)境中的酒精濃度，并將酒精濃度轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬電壓值。A/D轉(zhuǎn)換模塊將監(jiān)測(cè)到的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，通過(guò)無(wú)線傳輸模塊發(fā)送給控制系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的閾值來(lái)判定駕駛員是否酒駕。

（8）各傳感器將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)精確地處理和分析之后，判斷駕駛員的各項(xiàng)身體指標(biāo)是否正常，如果不正常，語(yǔ)音模塊會(huì)發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)提醒。比如，系統(tǒng)能有效地采集到駕駛員的體重?cái)?shù)據(jù)，卻不能監(jiān)測(cè)到心率或血壓數(shù)據(jù)，這屬于不正常的情況，系統(tǒng)將會(huì)發(fā)出警報(bào)提醒。如果控制系統(tǒng)判斷各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)正常，各傳感器將繼續(xù)監(jiān)測(cè)，同時(shí)持續(xù)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給控制系統(tǒng)進(jìn)行處理判斷。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的安全駕駛智能輔助系統(tǒng)中，用來(lái)測(cè)量駕駛員身體指標(biāo)數(shù)據(jù)和車(chē)廂內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的各傳感器不僅成本低、使用壽命長(zhǎng)，而且靈敏度高、體積小，十分節(jié)省空間，同時(shí)易于安裝和操作，綜合性能非常高。市面上主流的單片機(jī)都可以用作控制系統(tǒng)的處理器，比如STM32系列的單片機(jī)或者STC15系列的單片機(jī)。這類單片機(jī)不僅穩(wěn)定性好、集成度高、可靠性強(qiáng)，而且控制能力強(qiáng)，易于擴(kuò)展，同時(shí)功耗低、體積小，容易嵌入，是在數(shù)據(jù)量不是很大的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析的最佳選擇。該控制系統(tǒng)的核心處理器的價(jià)格低，有利于做成性價(jià)比高、有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品，有效陪伴駕駛員安全行駛。

本文提出的安全駕駛智能輔助系統(tǒng)是針對(duì)當(dāng)前駕駛員駕駛汽車(chē)時(shí)存在的一些安全隱患而設(shè)計(jì)的安全輔助系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)廂內(nèi)的CO、CO2、CH4含量，監(jiān)測(cè)駕駛員身體指標(biāo)是否正常、是否酒駕、是否疲勞駕駛等基本狀況，并通過(guò)語(yǔ)音等模塊提醒甚至警告駕駛員，讓駕駛員能夠更加安心地駕駛，為駕駛員提供安全保障。

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收稿日期：2021-01-26

作者簡(jiǎn)介：唐江波（1981—），女，湖南祁陽(yáng)人，講師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信。

劉素梅（1981—），女，河南柘城人，講師，研究方向：信號(hào)處理。