一種安全駕駛智能輔助系統(tǒng)的設計

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道路交通安全的影響最大。鑒于此，設計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)和車廂內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，借助控制系統(tǒng)對傳感器檢測到的數(shù)據(jù)進行精確處理和分析后，根據(jù)預設的標準來判斷駕駛員的各項身體指標是否正常，在駕駛員身體情況異常時進行警報提醒，從而達到安全駕駛的目的。

關鍵詞：安全駕駛;傳感器;控制系統(tǒng);單片機

0 引言

近年來，隨著人們生活水平的提高，機動車的人均擁有數(shù)量逐年遞增，汽車已經(jīng)成為普通消費品。與此同時，道路交通事故的發(fā)生率也隨之逐年提升。據(jù)國家交通部的交通事故原因統(tǒng)計，疲勞駕駛和酒后駕駛所導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。隨著科技的進步，人們對汽車駕駛的安全性提出了更高的要求。在現(xiàn)代科技迅速發(fā)展的引領下，傳感器技術已經(jīng)廣泛應用于生活中，使得人們的生活更加便捷化、智能化。借助于傳感器技術，本文設計了一種安全駕駛智能輔助系統(tǒng)，它能很好地輔助并陪護駕駛員駕駛，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

本文設計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題，通過車廂內(nèi)的多種傳感器協(xié)同工作，實時監(jiān)測駕駛員身體狀況信息和車廂內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)信息，借助觸摸屏和語音模塊與駕駛員進行交互，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)測與提醒，駕駛員體溫、血壓、心率等指標的監(jiān)測與提醒等功能。安全駕駛智能輔助系統(tǒng)構成如圖1所示。

其中：①壓力傳感器模塊，用來采集駕駛員的體重數(shù)據(jù)，當有體重數(shù)據(jù)而心率、血壓數(shù)據(jù)異常時，控制系統(tǒng)控制語音模塊發(fā)出警報提醒。②疲勞駕駛預警模塊，安裝在車內(nèi)的方向盤上，主要包括壓力傳感器和角位移傳感器，用于采集方向盤上壓力和角度數(shù)據(jù)的變化情況。系統(tǒng)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)來判斷駕駛員的疲勞程度，當駕駛員處于疲勞駕駛狀態(tài)時，系統(tǒng)將發(fā)出警報提醒。③血壓、心率傳感器模塊，戴在駕駛員手腕上，可用于實時監(jiān)測駕駛員的血壓、心率情況，同時將監(jiān)測得到的數(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弱來實時無接觸地監(jiān)測駕駛員的體溫，并反饋給控制系統(tǒng)。⑤酒精傳感器模塊，可以探測駕駛員呼出氣體的酒精濃度，通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，系統(tǒng)根據(jù)電壓大小測定環(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，用于實時感知車廂內(nèi)對人體有害的異常氣體，并將車廂內(nèi)的監(jiān)測結(jié)果實時反饋到控制系統(tǒng)。⑦觸摸屏和控制系統(tǒng)，不僅是用來與駕駛員交互，更重要的是處理從傳感器接收到的信息指標數(shù)據(jù)，并根據(jù)預設的各項指標的閾值來判斷所測得數(shù)據(jù)是否超標，從而確定是否需要發(fā)出對應的警報。

2 車載安全駕駛智能輔助系統(tǒng)工作流程

車門打開的同時，安全駕駛智能輔助系統(tǒng)就開始工作，系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

（1）首先進行發(fā)動機啟動檢測。考慮到駕駛員有可能只是關閉了發(fā)動機在休息，因此無論發(fā)動機是否啟動，都需要檢測駕駛員是否在車上。如果駕駛員不在車上，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，壓力傳感器模塊就開始采集駕駛員的體重數(shù)據(jù)。電阻應變片壓力傳感器結(jié)合24位A/D轉(zhuǎn)換芯片，可以實時采集駕駛員的體重數(shù)據(jù)，再由無線傳輸模塊將數(shù)字數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。

（3）駕駛員準備開車時，疲勞駕駛預警模塊開始工作，實時監(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)來判斷駕駛員的疲勞程度。駕駛員處于疲勞狀態(tài)時，雙手對方向盤施加的壓力將會異常，或者壓力正常但方向盤轉(zhuǎn)角長時間沒發(fā)生變化，都可認定駕駛員處于疲勞駕駛狀態(tài)，控制系統(tǒng)據(jù)此進行判斷，從而發(fā)出警報提醒。

（4）與高性能的8位單片機相連的異常氣體感知模塊開始工作，微嵌入式的CO、CO2、CH4傳感器模塊能實時監(jiān)測車廂內(nèi)對人體有害的異常氣體數(shù)據(jù)，并將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，與國家空氣污染指標數(shù)值進行對比，從而作出判斷，發(fā)出相應的提醒或者警告。

（5）熱電堆紅外溫度傳感器用來無接觸地監(jiān)測駕駛員的體溫數(shù)據(jù)。紅外傳感器中的光學系統(tǒng)將熱輻射能量匯集到光電探測模塊，光電探測模塊將熱輻射能量轉(zhuǎn)換成電信號，探測物體的熱輻射能量，配合光路，可以實現(xiàn)在10 m范圍內(nèi)有效測得駕駛員的體溫數(shù)據(jù)。體溫數(shù)據(jù)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊處理后，經(jīng)無線傳輸模塊，發(fā)送給控制系統(tǒng)。當監(jiān)測到駕駛員的體溫異常時，控制系統(tǒng)將控制語音模塊發(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測量駕駛員的血壓和心率。心率、血壓傳感器能感測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，就可以實現(xiàn)心率、血壓結(jié)果的輸出，結(jié)果將通過無線傳輸模塊發(fā)送給控制系統(tǒng)。

（7）酒精傳感器監(jiān)測駕駛員體內(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)換成對應的模擬電壓值。A/D轉(zhuǎn)換模塊將監(jiān)測到的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，通過無線傳輸模塊發(fā)送給控制系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)預設的閾值來判定駕駛員是否酒駕。

（8）各傳感器將檢測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，控制系統(tǒng)經(jīng)過精確地處理和分析之后，判斷駕駛員的各項身體指標是否正常，如果不正常，語音模塊會發(fā)出相應的警報提醒。比如，系統(tǒng)能有效地采集到駕駛員的體重數(shù)據(jù)，卻不能監(jiān)測到心率或血壓數(shù)據(jù)，這屬于不正常的情況，系統(tǒng)將會發(fā)出警報提醒。如果控制系統(tǒng)判斷各項指標數(shù)據(jù)正常，各傳感器將繼續(xù)監(jiān)測，同時持續(xù)將數(shù)據(jù)實時發(fā)送給控制系統(tǒng)進行處理判斷。

3 結(jié)語

本文設計的安全駕駛智能輔助系統(tǒng)中，用來測量駕駛員身體指標數(shù)據(jù)和車廂內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的各傳感器不僅成本低、使用壽命長，而且靈敏度高、體積小，十分節(jié)省空間，同時易于安裝和操作，綜合性能非常高。市面上主流的單片機都可以用作控制系統(tǒng)的處理器，比如STM32系列的單片機或者STC15系列的單片機。這類單片機不僅穩(wěn)定性好、集成度高、可靠性強，而且控制能力強，易于擴展，同時功耗低、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)的核心處理器的價格低，有利于做成性價比高、有競爭力的產(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)是針對當前駕駛員駕駛汽車時存在的一些安全隱患而設計的安全輔助系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測車廂內(nèi)的CO、CO2、CH4含量，監(jiān)測駕駛員身體指標是否正常、是否酒駕、是否疲勞駕駛等基本狀況，并通過語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

作者簡介：唐江波（1981—），女，湖南祁陽人，講師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、移動通信。

劉素梅（1981—），女，河南柘城人，講師，研究方向：信號處理。