智能安全駕駛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 鴻，吉泉仲，王 諄，張 卓，歐陽(yáng)文凱，黃 鐿

(河海大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提高以及基礎(chǔ)交通建設(shè)的不斷推廣，車輛的普及程度也在逐年增加，但隨之而來的交通問題也越發(fā)嚴(yán)峻。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公開的統(tǒng)計(jì)資料顯示，近三年來，我國(guó)交通事故發(fā)生數(shù)量均在20萬(wàn)以上，其中機(jī)動(dòng)車的占比高居不下，而汽車事故占機(jī)動(dòng)車事故約75%，汽車事故造成直接財(cái)產(chǎn)損失占機(jī)動(dòng)車造成直接財(cái)產(chǎn)損失約88%。在這些汽車事故中有極大部分是由于駕駛員存在疲勞駕駛、不規(guī)范駕駛行為、以及突發(fā)身體疾病等因數(shù)造成的[1]。

現(xiàn)有的輔助駕駛系統(tǒng)主要分為三類：第一類是通過監(jiān)測(cè)駕駛員的疲勞程度，并給出實(shí)時(shí)的提醒，以減少交通事故的發(fā)生。如劉芳[2]等提出的基于視頻的駕駛員疲勞駕駛實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方法，該方法通過提取視頻中駕駛員的眼部特征變換來分析駕駛員的疲勞狀態(tài)；金國(guó)宜[3]提出的疲勞駕駛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過PERCLOS疲勞檢測(cè)方法用于計(jì)算駕駛員的疲勞程度。第二類是通過檢測(cè)汽車周圍車輛和估算前方車輛的距離，以減少交通事故的發(fā)生。如孔雅潔等[4]提出的通過深度學(xué)習(xí)對(duì)行車過程中前方車輛進(jìn)行距離估算以及識(shí)別車輛前方的目標(biāo)；吳驊躍[5]通過視覺處理對(duì)混合道路車道檢測(cè)感知、以及車輛環(huán)境全向障礙物識(shí)別。第三輪是檢測(cè)駕駛員的體征狀況，判斷是否存在酒駕和突發(fā)身體狀況等行為。如吳斌[6]通過微處理器與酒精傳感器計(jì)算當(dāng)前駕駛員的酒精含量。上述的輔助駕駛系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)的內(nèi)容局限在駕駛員是否存在疲勞駕駛、是否有飲酒行為，汽車周圍的環(huán)境狀況等單一內(nèi)容，沒有對(duì)影響駕駛安全的因素進(jìn)行全方位的考慮。

針對(duì)上述局限性，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種智能安全駕駛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)安裝在駕駛室內(nèi)，在行車前判斷駕駛?cè)藛T是否飲酒，在行車時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄駕駛員的體征參數(shù)以及駕駛行為并將監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)上傳到移動(dòng)端APP進(jìn)行直觀的展示。在駕駛員突發(fā)重大身體疾病時(shí)，移動(dòng)端APP可以自動(dòng)發(fā)送當(dāng)前定位消息給緊急聯(lián)系人。該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)各種安全威脅，并進(jìn)行及時(shí)的提醒，可以有效減少交通事故的發(fā)生。系統(tǒng)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括：

低功耗防作弊酒精含量檢測(cè)。我們提出了一種低功耗防作弊酒精含量檢測(cè)儀器，該方法通過氣流傳感器檢測(cè)駕駛員是否對(duì)一次性吹嘴吹氣，防止出現(xiàn)通過吸氣躲避檢測(cè)的行為，而后使用酒精傳感器對(duì)酒精含量進(jìn)行測(cè)量，通過STM32核心處理器處理相關(guān)數(shù)據(jù)。經(jīng)檢驗(yàn)，該裝置功耗低可以有效防止駕駛員出現(xiàn)酒后駕駛的行為。

駕駛行為檢測(cè)模型的優(yōu)化。考慮到邊緣計(jì)算對(duì)于成本控制與實(shí)時(shí)性的要求，我們使用成本較低的樹莓派作為邊緣計(jì)算的處理器。與此同時(shí)，處理圖像時(shí)受限于樹莓派硬件性能，幀數(shù)較低。而駕駛員駕駛途中正常駕駛占主要部分，因此，為避免長(zhǎng)時(shí)間的無效運(yùn)算，我們首先檢測(cè)駕駛員嘴部及下顎的特征向量變換，當(dāng)出現(xiàn)較大變換后再運(yùn)行駕駛行為檢測(cè)模型。通過上述方法，大幅度提高了幀數(shù)，相較于原來的0.2幀，幀數(shù)提高至正常駕駛情況下4.9幀/s；違規(guī)行為監(jiān)測(cè)速率為1.2幀/s,響應(yīng)時(shí)間約為0.2秒，極大地提高了運(yùn)行處理速率。

多方位監(jiān)測(cè)判斷，同時(shí)對(duì)駕駛員的駕駛行為、身體健康狀況、以及酒精濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)處理判斷，對(duì)駕駛員進(jìn)行實(shí)時(shí)的提醒。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

智能安全駕駛系統(tǒng)，要求實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)駕駛員的身體健康狀況，在突發(fā)心臟病等緊急情況能夠第一時(shí)間聯(lián)系家屬，并使家屬知曉當(dāng)前的GPS定位。同時(shí)需要在開車前檢測(cè)駕駛員是否飲酒，如果飲酒將主動(dòng)告知家屬，駕駛員將出現(xiàn)酒駕行為。在駕駛途中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)駕駛員的駕駛行為，一旦出現(xiàn)抽煙、喝水、打電話、疲勞等情況，通過語(yǔ)音及時(shí)播報(bào)提醒。另外該系統(tǒng)還應(yīng)該將監(jiān)測(cè)到的健康數(shù)據(jù)和駕駛行為等記錄，生成健康報(bào)表，駕駛行為監(jiān)測(cè)報(bào)表等更為直觀的方式呈現(xiàn)給駕駛?cè)藛T，讓駕駛?cè)藛T了解自己的健康狀況和駕駛習(xí)慣，做出及時(shí)的調(diào)整，減少交通事故的發(fā)生機(jī)率。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

智能安全駕駛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由“酒精濃度檢測(cè)單元”“駕駛行為監(jiān)測(cè)單元”，“體征智能監(jiān)測(cè)模塊”，“移動(dòng)端APP”四部分組成。酒精濃度檢測(cè)單元基于STM32單片機(jī)，使用內(nèi)置12位ADC對(duì)費(fèi)加羅氣體傳感器TGS822進(jìn)行采樣，同時(shí)使用氣流傳感器對(duì)駕駛員是否吹氣進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)防作弊酒精含量檢測(cè)。駕駛行為監(jiān)測(cè)單元采用ARM架構(gòu)的微型電腦樹莓派4B，搭載Linux操作系統(tǒng)，在該操作系統(tǒng)上運(yùn)行YOLOV5和疲勞檢測(cè)模型檢測(cè)駕駛員是否存在抽煙、打電話、喝水、疲勞駕駛等行為。體征智能監(jiān)測(cè)模塊采用開放第三方接口的SDK的智能手表，該手表可以實(shí)現(xiàn)體溫、血壓、血氧和心率的監(jiān)測(cè)。移動(dòng)端APP實(shí)現(xiàn)駕駛?cè)藛T的GPS定位，同時(shí)可以利用該定位進(jìn)行導(dǎo)航，以及通過藍(lán)牙通信收集駕駛員的違規(guī)駕駛行為等數(shù)據(jù)，通過wifi熱點(diǎn)通信完成體征參數(shù)的收集。移動(dòng)端APP完成收集數(shù)據(jù)的可視化展示，并以健康報(bào)表的形式呈現(xiàn)給用戶。系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)

智能安全駕駛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過酒精濃度檢測(cè)單元檢測(cè)駕駛員的酒精含量，將該酒精含量通過USART傳輸?shù)綐漭桑绻凭砍稣７秶瑯漭蓪⑼ㄟ^藍(lán)牙傳送到移動(dòng)端APP，APP將撥打電話給相關(guān)家屬，防止酒駕行為的發(fā)生。如果酒精含量正常，樹莓派正常運(yùn)行YOLOV5駕駛行為監(jiān)測(cè)程序，將該數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙連接傳給移動(dòng)端APP。同時(shí)體征智能監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)到的體征數(shù)據(jù)通過wifi熱點(diǎn)通信的形式傳到移動(dòng)端APP，移動(dòng)端APP分析當(dāng)前體征數(shù)據(jù)是否正常，如果出現(xiàn)如突發(fā)心臟病等情況，移動(dòng)端APP自動(dòng)撥打緊急聯(lián)系家屬的電話，并將駕駛?cè)说漠?dāng)前GPS定位發(fā)送給緊急聯(lián)系家屬。系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 酒精濃度檢測(cè)單元

圖3 酒精濃度檢測(cè)單元原理圖

酒精濃度檢測(cè)單元由費(fèi)加羅氣體傳感器TGS822、氣體傳感器和STM32F103C8T6單片機(jī)組成。使用費(fèi)加羅氣體傳感器TGS822作為酒精傳感器，費(fèi)加羅氣體傳感器的氣敏素子使用在清潔空氣中電導(dǎo)率低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)存在對(duì)象氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中氣體濃度增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化，轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)[7]。該傳感器具有對(duì)乙醇等有機(jī)溶劑有高靈敏度、長(zhǎng)期穩(wěn)定性優(yōu)良、長(zhǎng)壽命、低成本以及可簡(jiǎn)單電路測(cè)量使用等特點(diǎn)。使用氣流傳感器對(duì)駕駛?cè)藛T吹出氣流方向進(jìn)行測(cè)試，防止檢測(cè)者通過吸氣躲避酒精檢測(cè)。氣流傳感器采用專用芯片檢測(cè)吸氣、呼氣的氣流變化，元件在無氣流時(shí)會(huì)輸出高電平，有氣流時(shí)輸出低電平。因此只需要通過微控制器的GPIO輸入輸出接口即可對(duì)該傳感器進(jìn)行采集。同時(shí)氣流傳感器有特制的電子開關(guān)，超強(qiáng)抗干擾性能，敲擊、振動(dòng)、高分貝聲音和磁場(chǎng)等都不會(huì)影響開關(guān)的正常工作，性能非常穩(wěn)定可靠。微處理器采用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的STM32F103C8T6微處理器，它是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)核STM32 系列的32位的微控制器，程序存儲(chǔ)器容量是64 KB，需要電壓2～3.6 V，工作溫度為-40～ 85 ℃。主頻72 MHz，具有GPIO，12 位ADC，12 位DAC，TIMER，USART等多種常用外設(shè)，具有 NVIC 中斷嵌套管理器，是一款性能較高，價(jià)格合適的一款單片機(jī)[8]。

傳統(tǒng)酒精檢測(cè)儀在使用過程中往往出現(xiàn)系統(tǒng)功耗較大的問題，所以在酒精檢測(cè)單元中采用STM32F103C8T6 低功耗微處理器作為主控芯片，芯片通過 GPIO口連接氣流傳感器。氣流傳感器監(jiān)測(cè)是否存在吹氣氣流，系統(tǒng)周期性的檢測(cè)氣流的存在，沒有檢測(cè)到氣流的存在，酒精傳感器則處于禁止?fàn)顟B(tài)，系統(tǒng)電流可降低為大約1 mmA從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗，如果檢測(cè)到氣流，主控芯片將會(huì)在GPIO口檢測(cè)到低電平，同時(shí)芯片開啟ADC對(duì)酒精傳感器進(jìn)行采樣計(jì)算，獲取駕駛員吹出氣體中的酒精濃度，如若超過交通法規(guī)定的酒駕標(biāo)準(zhǔn)，則將此信息通過USART接口上傳至樹莓派。同時(shí)USART使用CH340芯片引出，通過USB接口與樹莓派相連，保證STM32F103C8T6的穩(wěn)定連接和傳輸速率要求。酒精濃度檢測(cè)單元原理圖如圖3所示。

2.2 駕駛行為監(jiān)測(cè)模塊

駕駛行為監(jiān)測(cè)模塊的主要功能是檢測(cè)駕駛員是否存在疲勞駕駛行為，以及是否出現(xiàn)違規(guī)駕駛行為如抽煙、喝水、打電話等行為。駕駛行為監(jiān)測(cè)模塊采用的硬件平臺(tái)為樹莓派4B和高清LRCP1620攝像頭。樹莓派4B的CPU為1.5 GHz，GPU為500 MHz,藍(lán)牙版本為5.0，供電電壓為5 V-3 A，能夠滿足我們對(duì)于深度學(xué)習(xí)模型的使用。LRCP1620攝像頭分辨率為1 080 p，采用的攝像頭為3.6 mm M12鏡頭，該攝像頭可以滿足在對(duì)駕駛?cè)藛T行為的監(jiān)控。駕駛監(jiān)測(cè)單模塊中運(yùn)行的模型主要分為疲勞駕駛監(jiān)測(cè)模型和違規(guī)行為監(jiān)測(cè)模型。

疲勞駕駛監(jiān)測(cè)模型基于DLIB模型先獲得臉部特征點(diǎn)坐標(biāo)并轉(zhuǎn)換為特征向量，再在讀幀過程中判斷特征向量的變化從而得到眼睛和嘴巴開合程度，進(jìn)而判斷是否存在閉眼或打哈欠等情況。DLIB模型提取人臉68個(gè)面部特征點(diǎn)，可以通過提取到的面部特征圖分別獲取左右眼面部標(biāo)志以及嘴部標(biāo)志的索引，通過opencv對(duì)視頻流進(jìn)行灰度化處理，檢測(cè)出人眼和嘴部的位置信息[9]。根據(jù)這個(gè)位置信息可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的眼睛開合度和嘴巴開合度。當(dāng)人眼睜開時(shí)，眼睛的開合度會(huì)在某個(gè)值上下波動(dòng)，當(dāng)人眼閉合時(shí)，該值迅速下降，理論上會(huì)接近于零。所以我們認(rèn)為當(dāng)眼睛的開合度低于某個(gè)閾值時(shí)，眼睛處于閉合狀態(tài)。同樣當(dāng)嘴部的開合度也會(huì)隨著嘴部的張開與閉合而變化[10]。為檢測(cè)眨眼與打哈欠的次數(shù)，采取對(duì)視頻流每幀圖片進(jìn)行處理，獲取連續(xù)3幀內(nèi)眼睛、嘴部的長(zhǎng)寬比，本系統(tǒng)閾值初步設(shè)為0.2、0.3。當(dāng)計(jì)算出的眼睛和嘴部的長(zhǎng)寬比小于設(shè)定的閾值時(shí)，認(rèn)為是眼睛和嘴部合閉。在一定時(shí)間計(jì)算眼睛合嘴部的張開與閉合的次數(shù)，代表眨眼和打哈欠的頻率，眨眼和打哈欠的頻率越高，疲勞程度越高。

違規(guī)行為監(jiān)測(cè)模塊使用YOLOV5的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，YOLOV5官方發(fā)布的代碼中,檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)共有4個(gè)版本,依次為YOLOV5x、YOLOV5l、YOLOV5m、YOLOV5s。其中YOLOV5s是深度和特征圖寬度均最小的網(wǎng)絡(luò)，另外3種可以認(rèn)為是在其基礎(chǔ)上，進(jìn)行了加深、加寬。本方案采用YOLOV5s目標(biāo)監(jiān)測(cè)算法識(shí)別車內(nèi)攝像頭采集的圖像，相較于其他版本其深度最小，特征圖的寬度最小,其包括Input、BackBone、Neck、Prediction 四部分，每個(gè)部分較前一版本均有一定的優(yōu)化策略，保證算法檢測(cè)精度的情況下盡可能的提升識(shí)別速度。YOLOV5s的結(jié)構(gòu)中主干網(wǎng)絡(luò)BackBone將原始608×608×3的圖像輸入Focus結(jié)構(gòu)，采用切片操作，先變成304×304×12的特征圖，再經(jīng)過一次32個(gè)卷積核的卷積操作，最終變成304×304×32的特征圖[11-14]。

Input模塊同YOLOV4一樣采用Mosaic數(shù)據(jù)增強(qiáng)的方式，通過隨機(jī)使用四張照片，經(jīng)過隨機(jī)分布拼接，極大豐富了檢測(cè)數(shù)據(jù)集，通過隨機(jī)縮放增加更多的小目標(biāo)，讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的魯棒性更好。同時(shí)采用Mosaic數(shù)據(jù)增強(qiáng)還可以減少GPU的負(fù)荷，利用Mosaic增強(qiáng)訓(xùn)練，直接處理4張圖片的數(shù)據(jù)，有效限制Mini-batch大小，一個(gè)GPU就可以表現(xiàn)出較好的運(yùn)算效果。

在Iuput模塊還對(duì)自適應(yīng)圖片縮放進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)原始圖像進(jìn)行自適應(yīng)添加最少的黑邊，減少信息冗余，計(jì)算量也會(huì)相應(yīng)減少，目標(biāo)檢測(cè)速度則會(huì)得到提升。

BackBone模塊新添了Focus結(jié)構(gòu)，YOLOV5將原始608*608*3的圖像輸入Focus結(jié)構(gòu)，在切片操作，先變成304*304*12的特征圖，再經(jīng)過一次32個(gè)卷積核的卷積操作，最終變成304*304*32的特征圖。同時(shí)，YOLOV5s設(shè)計(jì)了兩種CSP結(jié)構(gòu)，CSP1_X結(jié)構(gòu)應(yīng)用于Backbone主干網(wǎng)絡(luò)，另一種CSP2_X結(jié)構(gòu)則應(yīng)用于Neck中。在Backbone中，使用帶有殘差結(jié)構(gòu)的CSPl_X，因?yàn)?Backbone網(wǎng)絡(luò)較深，在反向傳播時(shí)殘差結(jié)構(gòu)的加入使得層和層之間的梯度值得到增強(qiáng)，有效防止網(wǎng)絡(luò)加深時(shí)所引起的梯度消失，得到的特征粒度更細(xì)[15]。

Neck模塊這里采取的是FPN特征金字塔結(jié)構(gòu)做一個(gè)特征融合，本文選取最后3個(gè)卷積層C3, C4, C5，然后經(jīng)過FPN結(jié)構(gòu)，將高層級(jí)語(yǔ)義信息和低層級(jí)信息進(jìn)行融合。在YOLOV5的Neck結(jié)構(gòu)中，采用借鑒CSPNet設(shè)計(jì)的CSP2新結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)特征融合的能力。Neck結(jié)構(gòu)特征如圖4所示。

圖4 Neck結(jié)構(gòu)特征圖

Prediction模塊則繼續(xù)沿用YOLOV4中的CIOU_Loss做Bounding box的損失函數(shù)。在目標(biāo)檢測(cè)的后處理過程中，針對(duì)很多目標(biāo)框的篩選，通常需要nms操作，在不增加計(jì)算成本的情況下，改善識(shí)別效果。

在駕駛途中駕駛員出現(xiàn)疲勞駕駛、違規(guī)駕駛的行為在整個(gè)駕駛過程中占比較少，所以為規(guī)避樹莓派長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行無效的運(yùn)輸，浪費(fèi)CPU資源的行為。本方案首先通過DLIB人臉特征提取模型處理視頻流中駕駛員的面部照片。在一段時(shí)間內(nèi)利用DLIB計(jì)算的面部特征點(diǎn)，連續(xù)提取10幀的照片的臉部特征進(jìn)行存儲(chǔ)，分別計(jì)算駕駛員的嘴部和下顎的特征向量，當(dāng)駕駛員的嘴部和下顎的特征向量發(fā)生巨大變換時(shí)，代表駕駛可能出現(xiàn)了如打哈欠、喝水、抽煙等行為。此時(shí)運(yùn)行疲勞監(jiān)測(cè)模型和駕駛行為監(jiān)測(cè)模型。通過這種預(yù)處理的方式可以有效的節(jié)約計(jì)算資源。算法流程圖如圖5所示。

圖5 算法流程圖

2.3 體征智能監(jiān)測(cè)模塊

由于需要監(jiān)測(cè)用戶的體征參數(shù)范圍較廣，所以本系統(tǒng)選取的體征智能監(jiān)測(cè)模塊為提供二次開發(fā)協(xié)議的T520智能手表，該智能手表可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于血壓血氧、體溫、心率、計(jì)步、睡眠監(jiān)測(cè)等功能，完全滿足我們的功能需求。

手表的心率監(jiān)測(cè)功能采用基于光電式檢測(cè)法的脈搏波檢測(cè)法，該光電檢測(cè)法的PPG脈搏波測(cè)量是一種無創(chuàng)傷的無感監(jiān)測(cè)，使用者無需干預(yù)操作或者說在無感知的情況下就可以完成心率指標(biāo)的采集。設(shè)備的血氧飽和度監(jiān)測(cè)采用雙色光(紅光和紅外光)交替照射皮膚獲得各自波長(zhǎng)的PPG信號(hào)，然后通過算法來獲得SPO2，而且監(jiān)測(cè)血氧飽和度的時(shí)候需要被測(cè)者保持相對(duì)的靜止?fàn)顟B(tài)。可以做到5%以內(nèi)甚至1%的精度，延時(shí)在5秒以內(nèi)。設(shè)備的體溫檢測(cè)采用接觸式ADC熱電堆傳感器。該傳感器等同于我們常用的體溫槍紅外傳感器，可以精確感知溫度。背面的兩個(gè)鋁片直接接觸皮膚，偵測(cè)細(xì)微的體溫差異，利用先進(jìn)測(cè)溫傳感技術(shù)，能精準(zhǔn)控制體溫，測(cè)量誤差范圍僅±0.3。手表的血壓監(jiān)測(cè)通過光電傳感器采集手腕部位的脈搏波波形，分析脈搏波的上升斜率及波段時(shí)間等特征參數(shù)可以得到特定的計(jì)算公式，以估算血壓數(shù)值，該方法可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)血壓[16]。

智能手表與手機(jī)APP的通信協(xié)議基于 TCP/IP的長(zhǎng)鏈接進(jìn)行通訊。手機(jī)APP作為服務(wù)器，與終端手表交互數(shù)據(jù)格式協(xié)議如下：包頭：IW協(xié)議號(hào)：上行(設(shè)備到服務(wù)器) AP+[兩位數(shù)字]，下行(服務(wù)器到設(shè)備) BP+[兩位數(shù)字]，數(shù)據(jù)包內(nèi)容結(jié)束符。在通信時(shí)APP端首先聲明一個(gè)ServerSocket對(duì)象并且指定端口號(hào)，然后調(diào)用Serversocket的accept()方法接收客戶端的數(shù)據(jù)。Accept()方法在沒有數(shù)據(jù)進(jìn)行接收的處于堵塞狀態(tài)。(Socketsocket=serversocket.accept()),一旦接收到數(shù)據(jù)，立即通過inputstream讀取接收的數(shù)據(jù)。客戶端創(chuàng)建一個(gè)Socket對(duì)象，指定服務(wù)器端的ip地址和端口號(hào)(Socketsocket=newSocket(“196.168.20.18”,8080);)通過inputstream讀取服務(wù)器中的數(shù)據(jù)(OutputStreamoutPutstream=socket.getOutputStream())，最后將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入到outputstream即可進(jìn)行TCP協(xié)議的socket數(shù)據(jù)傳輸[17]。

傳統(tǒng)檢測(cè)手環(huán)基于基于BLE協(xié)議[18]，基于BLE協(xié)議的終端設(shè)備與中心設(shè)備(智能手機(jī))連接過程只是秒級(jí)的時(shí)間，之后再啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸。由于BLE協(xié)議本身的復(fù)雜程度，導(dǎo)致實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸速率極低。正常情況下，終端設(shè)備(運(yùn)動(dòng)手環(huán))從產(chǎn)生數(shù)據(jù)，到傳輸?shù)狡脚_(tái)至少都是幾秒之后的事情。由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡托В暾臄?shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_(tái)需要經(jīng)過多次連接和交互。針對(duì)車載情況，很難保證數(shù)據(jù)的時(shí)效性和完整性。而本方案采用的手環(huán)基于wifi熱點(diǎn)通信，通過手機(jī)開啟wifi熱點(diǎn)，智能手表連接熱點(diǎn)后，建立TCP/IP長(zhǎng)鏈接，實(shí)時(shí)傳送智能手表監(jiān)測(cè)的體溫、血壓、血脂、心率等數(shù)據(jù)，該協(xié)議數(shù)據(jù)傳送效率高效，傳送速度快，能夠滿足在駕駛?cè)松眢w出現(xiàn)不適后，及時(shí)反饋車主的身體狀況。

2.4 移動(dòng)端APP

移動(dòng)端APP主要實(shí)現(xiàn)對(duì)于駕駛員當(dāng)前的GPS定位在駕駛員突發(fā)緊急狀況的時(shí)候，能夠?qū)PS定位發(fā)送給緊急聯(lián)系人。同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)于體征監(jiān)測(cè)智能手環(huán)數(shù)據(jù)的可視化展示，生成健康報(bào)表讓駕駛員時(shí)刻了解自己的身心健康。移動(dòng)端APP還需要對(duì)駕駛員的駕駛行為進(jìn)行實(shí)時(shí)的記錄。為實(shí)現(xiàn)上述功，移動(dòng)端APP主要分為四部分，這四部分別為實(shí)時(shí)定位、健康監(jiān)測(cè)、行為檢測(cè)、信息設(shè)置，移動(dòng)端總體架構(gòu)如圖6所示。

圖6 移動(dòng)端APP架構(gòu)

基于上述對(duì)于移動(dòng)端功能的描述，移動(dòng)端APP由定位頁(yè)面、健康頁(yè)面、功能頁(yè)面、我的頁(yè)面構(gòu)成，這4個(gè)頁(yè)面風(fēng)別與實(shí)時(shí)定位、健康監(jiān)測(cè)、行為監(jiān)測(cè)、信息設(shè)置4個(gè)功能一一對(duì)應(yīng)。同時(shí)為了保護(hù)用戶的隱私安全，我們?cè)黾恿说卿涰?yè)面。登錄頁(yè)面基于Bmob后端云實(shí)現(xiàn)。通過Bmob 提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與文件存儲(chǔ)功能，儲(chǔ)存用戶的注冊(cè)信息。同時(shí)調(diào)用Bmob的API接口完成驗(yàn)證碼功能的實(shí)現(xiàn)[19]。在登錄頁(yè)面上，若用戶已經(jīng)注冊(cè)，擁有用戶名和密碼，則直接在該界面輸入正確的手機(jī)號(hào)碼和密碼進(jìn)入應(yīng)用，若用戶還未注冊(cè)，則可以點(diǎn)擊登錄界面中的“注冊(cè)”按鈕跳轉(zhuǎn)到用戶注冊(cè)界面，輸入注冊(cè)的手機(jī)號(hào)碼以及收到的驗(yàn)證碼進(jìn)行注冊(cè)，注冊(cè)完成后回到登錄界面輸入手機(jī)號(hào)碼以及密碼即可登錄。除此以外，本APP 還具有密碼修改功能，若用戶忘記自己的密碼，可以點(diǎn)擊“忘記密碼”進(jìn)入密碼找回頁(yè)面，在密碼修改頁(yè)面輸入之前注冊(cè)的手機(jī)號(hào)碼，在收到并填寫驗(yàn)證碼輸入新密碼，點(diǎn)擊確認(rèn)修改即完成密碼修改。返回登陸界面輸入修改后的賬號(hào)與密碼即可完成登錄并進(jìn)入應(yīng)用。

定位頁(yè)面通過調(diào)用高德地圖接口實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的定位。高德Web服務(wù)API向開發(fā)者提供對(duì)應(yīng)的HTTP接口，移動(dòng)端APP調(diào)用這些接口使用對(duì)應(yīng)地理數(shù)據(jù)服務(wù)。用戶進(jìn)入該頁(yè)面后，系統(tǒng)提醒用戶打開手機(jī)的GPS定位功能，并賦予APP讀取定位信息的權(quán)限[20]。用戶賦予相關(guān)權(quán)限后，APP將在該頁(yè)面展示用戶的經(jīng)緯度信息，同時(shí)顯示用戶周圍的地理環(huán)境信息。健康頁(yè)面通過WiFi熱點(diǎn)的形式與體征智能監(jiān)測(cè)模塊建立TCP/IP通信，接收來自智能手表的監(jiān)測(cè)到的駕駛員的健康數(shù)據(jù)，根據(jù)通信協(xié)議從數(shù)據(jù)中解析出用戶的心率、血氧、血壓、體溫等有效數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)展示在健康頁(yè)面的展示列表上，用戶可以對(duì)自身的健康狀態(tài)有更直觀的感受。點(diǎn)擊展示列表，可觀測(cè)到詳細(xì)的健康狀況，實(shí)時(shí)顯示用戶健康變化情況，并針對(duì)不同的健康狀況給予不同的健康建議。需要注意的是，使用健康觀測(cè)功能時(shí)必須連接相對(duì)應(yīng)的健康手表，否則無法觀測(cè)到用戶實(shí)時(shí)的健康狀況。功能頁(yè)面通過手機(jī)藍(lán)牙連接樹莓派設(shè)備，樹莓派實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶的駕駛行為。當(dāng)駕駛員出現(xiàn)違規(guī)駕駛行為后，樹莓派將監(jiān)測(cè)到的違規(guī)駕駛行為通過藍(lán)牙發(fā)送到移動(dòng)端APP，APP對(duì)監(jiān)測(cè)到的打電話次數(shù)、抽煙次數(shù)、喝水次數(shù)進(jìn)行顯示，同時(shí)顯示駕駛員是否存在疲勞駕駛行為，并以紅色文字提醒駕駛員注意駕駛安全。除此以外，如果酒精濃度檢測(cè)單元判斷駕駛員存在酒駕行為，會(huì)把酒駕信息發(fā)送給移動(dòng)端APP，APP在接收到駕駛員存在酒駕行為之后會(huì)立即打電話并發(fā)送短信通知駕駛員的家屬，告知他們駕駛員存在酒駕行為，讓他們提醒駕駛員停止違規(guī)行為。信息設(shè)置頁(yè)面主要實(shí)現(xiàn)用戶設(shè)置緊急聯(lián)系號(hào)碼以及對(duì)于設(shè)備ID號(hào)的填寫等功能。

3 系統(tǒng)功能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的各項(xiàng)功能是否實(shí)現(xiàn)，各項(xiàng)功能完成的效果，系統(tǒng)各設(shè)備之間通信是否成功，APP是否能正常接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)展示，進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。測(cè)試環(huán)境為封閉路段，SUV汽車駕駛室,攝像頭安裝在車內(nèi)后視鏡斜對(duì)汽車駕駛員，酒精選取52°飲用酒，測(cè)試采用的移動(dòng)端設(shè)備有Android和HARMONY兩種系統(tǒng)分別進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如下。

1)測(cè)試酒精濃度檢測(cè)模塊。為判斷該模塊是否能夠正常檢測(cè)駕駛員具有飲酒駕駛行為，我們對(duì)酒精濃度檢測(cè)模塊進(jìn)行飲酒吹氣測(cè)試，飲酒吸氣測(cè)試，未飲酒吹氣測(cè)試，未飲酒吸氣測(cè)試，上述測(cè)試共進(jìn)行100次測(cè)試，測(cè)試的結(jié)果如表1所示。

表1 酒精檢測(cè)測(cè)試

2)測(cè)試行為檢測(cè)模塊。測(cè)試疲勞檢測(cè)模型和駕駛行為監(jiān)測(cè)模型的準(zhǔn)確率結(jié)果如表2所示。

表2 監(jiān)測(cè)模型算法精度

3)測(cè)試APP在不同操作系統(tǒng)上的性能。將APP分別在Android系統(tǒng)和HARMONY系統(tǒng)上部署測(cè)試并記錄各個(gè)頁(yè)面的點(diǎn)擊響應(yīng)時(shí)間如表3所示。

4)測(cè)試各模塊與系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)。將樹莓派通過藍(lán)牙與手機(jī)連接，體征智能監(jiān)測(cè)模塊通過WIFI熱點(diǎn)與手機(jī)端APP連接后。移動(dòng)端APP各數(shù)據(jù)展示頁(yè)面如圖7所示。

上述測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明智能安全駕駛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各功能實(shí)現(xiàn)完成并且效果理想，對(duì)于違規(guī)駕駛等行為識(shí)別率高，同時(shí)APP各界面打開流暢，運(yùn)行無卡頓，各模塊之間通信正常，該系統(tǒng)可靠性較高適用于汽車運(yùn)輸行業(yè)，可以有效減少交通事故的發(fā)生。

表3 APP響應(yīng)時(shí)間

圖7 移動(dòng)端APP數(shù)據(jù)頁(yè)面

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種智能安全駕駛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，創(chuàng)新型的提出了防作弊酒精濃度檢測(cè)以及在判斷駕駛行為時(shí)的預(yù)處理方法，可以有效的監(jiān)測(cè)駕駛員是否存在酒駕、違規(guī)駕駛、疲勞駕駛等行為，以及監(jiān)測(cè)駕駛員的身體健康狀況。同時(shí)系統(tǒng)中硬件設(shè)備高度集成化，連接車載電源即可供電，移動(dòng)端APP邏輯簡(jiǎn)單、交互友好。未來本文提出的智能安全駕駛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以在長(zhǎng)途客運(yùn)車輛、汽運(yùn)車輛中推廣，可以有效地減少交通事故的發(fā)生機(jī)率。