基于腦電波模塊駕車疲勞檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

黃雄，吳勇堅，文哲雄，廖明華（廣州商學(xué)院計算機系，廣東廣州511363）

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基于腦電波模塊駕車疲勞檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

黃雄，吳勇堅，文哲雄，廖明華
（廣州商學(xué)院計算機系，廣東廣州511363）

摘要：采用腦電波模塊檢測駕駛員的腦電波實時數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析來判斷駕駛員的疲勞程度。當(dāng)駕駛員疲勞駕駛時，對其進(jìn)行提醒和報警，確保駕駛員在駕駛車輛過程中處于監(jiān)控狀態(tài)，達(dá)到減少交通事故的目的。應(yīng)用腦電波模塊將復(fù)雜的腦電信號轉(zhuǎn)化成可以用計算機分析的數(shù)據(jù)，開發(fā)者使用計算機或者微機控制器可以分析數(shù)據(jù)包來判斷人腦的精神狀況。腦電波模塊提供串行數(shù)據(jù)口，并且數(shù)據(jù)包為固定的格式，為開發(fā)者提供接口，開發(fā)者抓取數(shù)據(jù)包，去除雜波與干擾信號，得到數(shù)據(jù)處理結(jié)果。該模塊廣泛應(yīng)用于消費類電子、醫(yī)療設(shè)備、汽車行業(yè)、玩具及教具等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：疲勞程度；交通事故；腦電波；數(shù)據(jù)分析

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，有超過1/3的交通事故是由于駕駛員疲勞而造成的。這些交通事故造成了很多的家庭支離破碎，所造成的經(jīng)濟損失達(dá)到千億元。通過在駕車過程中，對駕駛員的疲勞程度進(jìn)行檢測，當(dāng)駕駛員處于疲勞狀態(tài)時對其進(jìn)行報警提示。目前這種駕車疲勞檢測系統(tǒng)在汽車中的應(yīng)用還是比較少見的，只有一些歐美國家的高端汽車上才裝配有瞌睡報警系統(tǒng)。因此，駕車疲勞檢測系統(tǒng)在汽車產(chǎn)品中有廣闊的市場。

本文通過對各種不同的駕車疲勞檢測系統(tǒng)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出基于腦電波駕車疲勞檢測的應(yīng)用系統(tǒng)。

1　駕車疲勞檢測系統(tǒng)的原理

駕車疲勞檢測系統(tǒng)主要通過檢測人的身體狀態(tài)來判斷駕駛員的疲勞程度，當(dāng)人處于疲勞狀況的時候，通過聲音、震動、光照等物理方法來對駕駛員進(jìn)行及時的提醒，從而減少交通事故的發(fā)生。

實現(xiàn)該系統(tǒng)功能主要有兩種不同的方案，1）通過人臉識別技術(shù)對駕駛員進(jìn)行檢測；2）通過腦電信號判別駕駛員的疲勞程度。

2　人臉識別監(jiān)測駕車疲勞

2.1人臉識別技術(shù)的原理

國內(nèi)外主流的汽車廠商主要是通過人臉識別技術(shù)，對駕駛員眼睛的狀況和駕車習(xí)慣進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測到駕駛員疲勞駕駛時，對其進(jìn)行燈光、聲音等方式提醒。該系統(tǒng)的原理是：通過疲勞的檢測，分析駕駛員的行為信息，比如眼睛、臉、心臟、腦等活動來判斷駕駛員是否處于駕車疲勞的狀態(tài)。目前有通過人眼來判斷人是否疲勞的系統(tǒng)，其實現(xiàn)的原理是：攝像頭通過采集人眼圖像，分析虹膜、瞳孔、眼皮來判別疲勞程度，疲勞程度會與眼皮的閉合程度、時間、頻率和人的閉眼習(xí)慣有關(guān)，通過聲音和閃光燈來提示危險。采用紅外攝像頭，可以白天和夜里全天候使用。

2.2存在的問題

每個人的人臉有很大的不同，還有眨眼習(xí)慣也有很大的不同，單單通過這些不能準(zhǔn)確地判斷駕駛員的疲勞程度，并且有頭發(fā)、眉毛、眼鏡都會對人臉識別帶來干擾，從而導(dǎo)致無法判別駕駛員的疲勞程度。這種系統(tǒng)需要駕駛員去適應(yīng)該檢測方式，產(chǎn)品不夠人性化。

3　腦電波檢測駕車疲勞

腦電波模塊的駕車疲勞檢測系統(tǒng)主要是通過檢測人的腦電波來判別人的疲勞程度，將人的腦電波這種電信號轉(zhuǎn)化成為數(shù)字信號，數(shù)字信號可以用微機進(jìn)行處理，從而根據(jù)程序算法的計算來檢測人腦的活躍程度。

3.1腦電波介紹

人的腦電波分4個頻段，即得爾塔（δ）為1～3 Hz、西塔（θ）為4～7 Hz、阿爾法（α）為8～13 Hz、貝塔（β）為14～30 Hz。人腦的活躍程度直接與腦電波的頻率相關(guān)，頻率越高代表著大腦越活躍。當(dāng)人處于完全放松的精神狀態(tài)時，或是在心神專注的時候出現(xiàn)α腦電波；當(dāng)人在一種通常的、日常的清醒狀態(tài)時，會出現(xiàn)β腦電波；當(dāng)人處于睡眠的初期階段時，會出現(xiàn)θ腦電波；當(dāng)人處于深度睡眠階段時，會出現(xiàn)δ腦電波。腦電波的電信號通常并不是單純出現(xiàn)，而是錯綜復(fù)雜，人的每一種狀況都會存在不同頻段的腦電波，主要根據(jù)腦電波處于哪個頻段來確定人腦的活躍程度。

3.2腦電波模塊參數(shù)

神念科技的腦電波模塊采用專用的集成ic，供電電壓為3.3 V，支持3 V電池的供電，其數(shù)據(jù)采用串口通訊，波特率為9 600、57 600、115 200 Baud。表1為腦電波模塊的參數(shù)。

表1　神念科技腦電波模塊參數(shù)

腦電波模塊的數(shù)據(jù)幀也是按照一定的協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)，TGAM大約每秒發(fā)送513個包，發(fā)送包的個數(shù)是不會變的，發(fā)送513個包所花費的時間是1 s左右。發(fā)送的包有小包和大包兩種，小包的格式是0×AA、0×AA、0×04、0×80、0×02、××High、××Low、××CheckSum，前面的AA AA 04 80 02是不變的，后3個字節(jié)是一直變化的，××High和××Low組成了原始數(shù)據(jù)rawdata，××CheckSum是校驗和。一個小包里面只包含了一個對開發(fā)者來說有用的數(shù)據(jù)，那就是rawdata，即一個小包就是一個原始數(shù)據(jù)，大約每秒會有512個原始數(shù)據(jù)。rawdata=（××High<<8）|××Low if（rawdata>32 768）{rawdata=65 536}。原始數(shù)據(jù)根據(jù)該式計算出來，在計算原始數(shù)據(jù)之前，應(yīng)該先檢查校驗和。首先將0×04后面的4個字節(jié)加起來，取反，再取低八位，如果算出來的sum和××CheckSum是相等的，說明這個包是正確的。然后再計算rawdata，否則直接忽略這個包。丟包率在10%以下是不會對最后結(jié)果造成影響的。上位機軟件抓取的腦波數(shù)據(jù)幀如圖1所示。校驗和計算公式為

sum=（（0×80+0×02+××High+××Low）^0×FFFFFFFF）&0×FF。

（1）

圖1　腦電波模塊數(shù)據(jù)幀

3.3基于腦電波產(chǎn)品開發(fā)的可行性

現(xiàn)今，腦電波的研究處于快速發(fā)展階段，很多的資源也在開源，一些公司也有提供腦電波采集數(shù)據(jù)的開發(fā)接口。ThinkGrear AM模塊是現(xiàn)在市面上比較常用的腦電波開發(fā)模塊，它可以從人的大腦中檢測到微弱的腦電信號，并同時過濾掉周圍的噪音及電磁干擾，通過數(shù)據(jù)的處理，可以得到需要的專注度、冥想度與眨眼3個參數(shù)。將這3個參數(shù)的處理值可以應(yīng)用在各個方面，如游戲、應(yīng)用程序、玩具等研究中。這些數(shù)據(jù)都是通過藍(lán)牙進(jìn)行發(fā)送，開發(fā)者能夠方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。這款模塊體積小，可以使產(chǎn)品盡量迷你化，方便攜帶，且采用串口發(fā)送數(shù)據(jù)包，低電壓供電。2014年最受歡迎的玩具意念貓耳朵和溫哥華冬奧會用意念控制尼亞加拉瀑布的燈光，就是采用神念科技的腦波模塊控制的。

3.4腦波檢測系統(tǒng)的工作原理

腦波模塊疲勞檢測系統(tǒng)使用了神念科技的腦電芯片模塊，通過對腦電波中的各種信號進(jìn)行采集，藍(lán)牙對腦電波進(jìn)行無線傳輸，電子積木arduino單片機對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，也可以使用手機自帶的藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，并采用android系統(tǒng)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。腦波采集系統(tǒng)將腦電波采集模塊安裝于帽子上，這樣既可以方便攜帶，也可以有一物二用的功能。腦電波采集發(fā)射系統(tǒng)實物如圖2所示。圖2通過夾在人耳朵上兩個導(dǎo)電夾子來采集腦電波數(shù)據(jù)。腦電波模塊有兩個電極，一個電極接電源地，另一個電極是腦波的采集端。采集端將采集的電信號經(jīng)腦電波芯片進(jìn)行處理，即電信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊（藍(lán)牙2.0版本）進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。

圖2　腦電波采集發(fā)射系統(tǒng)實物

單片機處理終端（arduino手機）通過藍(lán)牙接收到腦波采集系統(tǒng)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，將腦波數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，這些數(shù)據(jù)包是有規(guī)律的，可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)包判斷佩戴者是否在眨眼，因為佩戴者在眨眼的情況下，腦波的小包數(shù)據(jù)波動會比正常情況要大，具體的情況要根據(jù)實際腦波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。第513個數(shù)據(jù)包是一個大包，在這個大包數(shù)據(jù)里面有很多腦波參數(shù)，比如冥想度、專注度及各種腦波的強度。開發(fā)人員可以通過小數(shù)據(jù)包來分析是否眨眼，利用專注度和冥想度來分析人的精神狀態(tài)。

此外，醫(yī)學(xué)研究者可以通過各種腦電波的強度來分析人大腦發(fā)電的狀況。值得注意的是，這些腦波傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較大，如果采用低級別的單片機是完全跟不上腦波模塊發(fā)送數(shù)據(jù)包的速度。應(yīng)當(dāng)采用較為高級別的單片機或者其他類型的微型處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。同樣可以通過個人計算機將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。腦波模塊的數(shù)據(jù)包通過處理軟件將數(shù)據(jù)繪成曲線，顯示可以非常直觀地看到大腦的活躍程度。同理也可以將處理的結(jié)果通過數(shù)碼管顯示，用按鍵切換系統(tǒng)的模式。還可以設(shè)置警戒值，當(dāng)監(jiān)測到低于某個警戒值時，系統(tǒng)通過蜂鳴器進(jìn)行報警。腦電波檢測報警系統(tǒng)電路如圖3所示。

圖3　腦電波檢測報警系統(tǒng)電路

手機處理終端工作原理：手機連接藍(lán)牙后，將接收到的腦波數(shù)據(jù)各個參數(shù)顯示在手機界面上。當(dāng)專注度低于用戶設(shè)定值時，手機將震動和發(fā)出報警聲音，提醒駕駛員安全駕駛。自行開發(fā)的Android手機腦波處理系統(tǒng)軟件UI界面如圖4所示。

圖4　 Android手機軟件處理系統(tǒng)UI界面

3.5腦電波模塊監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)腦電波現(xiàn)有的處理機制，將腦電波模塊資源利用率最大化，系統(tǒng)在原有的基礎(chǔ)上加入一些其他的功能，使得功能不再單一。在原有的基礎(chǔ)上，根據(jù)單片機和Android手機的資源以及系統(tǒng)的可行性，在本系統(tǒng)中加入了音樂播放的功能。腦波模塊監(jiān)控系統(tǒng)框架如圖5所示。

圖5　腦電波模塊監(jiān)控系統(tǒng)框架

3.6其他應(yīng)用

腦電波模塊通過檢測腦電波的數(shù)據(jù)，不僅可以應(yīng)用在駕車疲勞監(jiān)控系統(tǒng)中，而且可以應(yīng)用在其他方面，如測謊儀、睡眠儀以及應(yīng)用腦電波來進(jìn)行各種行為控制等。

（1）睡眠儀。睡眠儀通過人的腦電波來播放對應(yīng)的雙聲節(jié)拍來引導(dǎo)使用者進(jìn)入深度睡眠，目前美國軍方可以通過腦電波來播放對應(yīng)的雙節(jié)拍音樂。雙聲節(jié)拍音樂輸出兩路不同頻率的節(jié)拍或者音樂，在使用者的左右耳播放不同頻率的音樂時，會在大腦中產(chǎn)生一個頻差，這個頻差聲波與腦電波產(chǎn)生一個共振，從而引導(dǎo)使用者進(jìn)入深度睡眠。這種通過腦波音樂的引導(dǎo)使人進(jìn)入深度睡眠，可以達(dá)到不用藥物提升睡眠質(zhì)量、治療失眠癥的作用。

（2）測謊儀。測謊儀就是通過分析人的腦電的波動，判斷佩戴者是否在說謊。

（3）行為控制。腦電波模塊可以應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)，比如可以通過腦電波信號控制電腦游戲，增加其趣味性；可以通過腦電波的活躍程度來改變電影劇情的發(fā)展，這樣就更加符合不同人們的需求；通過分析腦電波可以幫助禪修的人發(fā)掘身體與精神的聯(lián)系。

此外，現(xiàn)在也有通過腦電波控制飛行器和各種設(shè)備。

由此可知，集多功能為一體的駕車疲勞檢測系統(tǒng)，方便攜帶，可以輔助解決很多問題。

4　小結(jié)

通過人臉識別技術(shù)判別駕駛員的疲勞程度因受到很多因素的干擾有其局限性。基于腦電波的駕車疲勞檢測系統(tǒng)能很好地解決了這些問題，采用神念科技的腦電波模塊，使腦電波數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)的開發(fā)更加方便。例如，采用數(shù)據(jù)包分析軟件使得專注度、冥想度以及眨眼數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。采用Android手機作為系統(tǒng)處理終端，且通過藍(lán)牙通信傳輸數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)的組成更加簡化。且該系統(tǒng)使用成本低，操作方便，便于普及推廣。

腦電波檢測與控制系統(tǒng)還可以在多領(lǐng)域中進(jìn)行開發(fā)和應(yīng)用，具有較大的實際應(yīng)用價值和巨大的消費市場，值得大力應(yīng)用和推廣。

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【責(zé)任編輯：任小平renxp90@163.com】

Design and implementation of driving fatigue detection system based on brain wave module

HUANGXiong, WUYong- jian, WENZhe- xiong, LIAOMing- hua
（Department of Computer, Guangzhou College of Commerce, Guangzhou 511363, China）

Abstract:The real- time data ofthe driver’s brain waves are detected bythe brain wave module, and the driver’s fatigue level is judged bydata analysis. When the driver fatigue driving, it is to ensure that the driver is in a state of control in the process of driving the vehicle, to reduce the traffic accident. Brain wave module provides serial data port, and the data packet for a fixed format for developers to provide interface, developers data packet capture, remove clutter and interference signal, data processing result. The module is widely used in consumer electronics, medical equipment, automotive industry, toys, teachingaids and other fields.

Keywords:fatigue; traffic accident; brain waves; data analysis

作者簡介：黃雄（1993-），男，廣州龍川人，廣州商學(xué)院工程師。

收稿日期：2015-10-19

文章編號：1008- 0171（2016）02- 0054- 06

中圖分類號：TP274.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A