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(西安航空學(xué)院 車輛工程學(xué)院， 西安 710077)

0 引言

隨著生活水平的提高和國家對(duì)交通業(yè)的重視和發(fā)展，我國機(jī)動(dòng)車擁有量和機(jī)動(dòng)車駕駛員數(shù)量急劇增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2016年底，我國的汽車保有量達(dá)2.9億輛，機(jī)動(dòng)車駕駛員人數(shù)達(dá)到了3.6億人，我國已步入汽車大國。與此同時(shí)許多不文明駕駛行為也應(yīng)運(yùn)而生，疲勞駕駛就是其中之一，不僅在各類交通事故中占據(jù)很大比例，而且已經(jīng)成為危害社會(huì)安全的“隱形殺手”，需要引起重視[1]。

本文通過在實(shí)驗(yàn)室模擬駕駛員駕駛機(jī)動(dòng)車的行駛狀態(tài)，將駕駛員脈搏頻率特征信號(hào)作為判定睡意狀態(tài)的依據(jù)，設(shè)計(jì)了基于人體脈搏波檢測的駕駛員睡意預(yù)警裝置。該設(shè)計(jì)為駕駛員睡意檢測技術(shù)的研究提出了新的思路，對(duì)減少由于睡意駕駛而造成的交通事故有重要意義和實(shí)用價(jià)值。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

研究表明，當(dāng)駕駛員進(jìn)入睡意狀態(tài)時(shí)，腦電信號(hào)、心電信號(hào)、脈搏信號(hào)、體溫信號(hào)、眨眼狀態(tài)等生理參數(shù)會(huì)有明顯的變化，通過這些生理參數(shù)變化可判定駕駛員是否進(jìn)入睡意狀態(tài)[2-3]。

腦電波(EEG)是人腦機(jī)能的直觀反應(yīng)，利用腦電波反應(yīng)的駕駛員睡意狀態(tài)，具有客觀準(zhǔn)確的特點(diǎn)，腦電波可以說是駕駛員睡意檢測的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但由于腦電信號(hào)分析操作復(fù)雜且不能實(shí)時(shí)檢測，因此實(shí)用性較低。心電信號(hào)指標(biāo)主要包括心率(HR)及心率變異性(HRV)。文獻(xiàn)[4]研究表明當(dāng)駕駛員處于睡意狀態(tài)時(shí)，心率變異性的低頻參數(shù)明顯上升，而高頻參數(shù)有下降趨勢(shì)，利用心率變異性的高頻和低頻參數(shù)可以判定駕駛員是否處于睡意狀態(tài)，但心電信號(hào)檢測駕駛員睡意狀態(tài)需要和人體持續(xù)接觸，從而影響駕駛員的正常駕駛。另外有關(guān)文獻(xiàn)[5-6]提出利用人體生理信號(hào)和面部表情信號(hào)來檢測駕駛員睡意狀態(tài)，包括眨眼、眼球轉(zhuǎn)動(dòng)和嘴巴形狀，最后，運(yùn)用模糊算法判定駕駛員的睡意狀態(tài)。由于高性能的視頻設(shè)備和系統(tǒng)的成本較高，實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性易受周圍環(huán)境影響，因此不具有廣泛實(shí)用性。另外通過對(duì)被試者的體溫信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析，得出結(jié)論：當(dāng)人體處于睡意狀態(tài)時(shí)，體溫升高[7]，不過目前使用體溫信號(hào)來判定是否處于睡意狀態(tài)的研究不多。

脈搏波的形成是因?yàn)樾呐K和血液循環(huán)，它含有豐富的人體生理信息。利用脈搏波檢測駕駛員睡意狀態(tài)，主要在于脈搏波的提取和脈搏特征信號(hào)參數(shù)算法的研究。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)駕駛員逐漸進(jìn)入睡意狀態(tài)過程中，脈搏波的低頻參數(shù)與高頻參數(shù)的比值逐漸增加，通過提取不同狀態(tài)下脈搏波各個(gè)波段的特征值，通過一系列算法，可以將比值作為判定駕駛員睡意狀態(tài)的依據(jù)[8]。

2 脈搏信號(hào)處理

2.1 脈搏信號(hào)圖形分析

采用脈搏傳感器采集人體脈搏連續(xù)壓力曲線，其拐點(diǎn)構(gòu)成了脈搏波圖形。本文以脈搏曲線的拐點(diǎn)為參考點(diǎn)，主要分析脈搏曲線的時(shí)域特征，對(duì)駕駛員睡意狀態(tài)進(jìn)行分析。

從圖1駕駛員清醒與疲勞脈搏對(duì)比圖可以看出，駕駛員的脈搏頻率特征信號(hào)在清醒和疲勞兩種狀態(tài)下是不同的：清醒狀態(tài)下脈搏信號(hào)的頻率低于疲勞狀態(tài)下的頻率，所以脈搏信號(hào)的頻率可以用來模擬睡意狀態(tài)數(shù)據(jù)[9]。

圖1 駕駛員清醒與疲勞脈搏波對(duì)比圖

2.2 脈搏信號(hào)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

為了對(duì)被試者的身體狀態(tài)進(jìn)行定性和定量的評(píng)估，我們隨機(jī)選取5位具有一定駕駛經(jīng)驗(yàn)的測試人員(要求有男有女，年齡分布在22～50歲之間)，對(duì)其進(jìn)行脈搏數(shù)據(jù)的測試和分析實(shí)驗(yàn)。由于疲勞駕駛存在安全隱患，所以全部受試者均安排在模擬駕駛室進(jìn)行測試。通過模擬駕駛之后，得到了疲勞前后的脈搏波形圖，并從中得出結(jié)論：在進(jìn)行了長期的駕駛試驗(yàn)后，被試者脈搏波的波形出現(xiàn)不規(guī)則現(xiàn)象，脈搏波的幅值疲勞后對(duì)比疲勞前下降明顯，脈搏波波形的周期明顯縮短[10]。

另外，我們還對(duì)脈搏波進(jìn)行了定量的分析和計(jì)算，分析和計(jì)算的結(jié)果如下表所示。

表1 脈搏定量分析結(jié)果

從脈搏定量分析結(jié)果表格中，我們可以看出，疲勞后被試者的身體機(jī)能出現(xiàn)下降，脈搏波的周期縮短，脈搏頻率上升。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

通過上述分析，脈搏信號(hào)中的脈搏頻率可以反映出睡意狀態(tài)，而脈搏頻率特征信號(hào)又最容易提取和分析，所以本次硬件設(shè)計(jì)以人體脈搏的頻率信號(hào)為突破口，檢測睡意狀態(tài)。由于人體脈搏信號(hào)存在信號(hào)弱、頻率低、噪音高的特點(diǎn)，所以系統(tǒng)設(shè)有濾波、放大、整形電路，將脈搏信號(hào)處理成單片機(jī)可識(shí)別處理的信號(hào)，利用單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部定時(shí)器來計(jì)算時(shí)間，最終換算成一分鐘脈搏的跳動(dòng)次數(shù)，顯示在數(shù)碼管上。電路中還設(shè)有四個(gè)按鍵，作用是設(shè)置脈搏跳動(dòng)的上下限次數(shù)，當(dāng)實(shí)際脈搏跳動(dòng)次數(shù)沒有處于預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)，單片機(jī)就會(huì)發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。

3.1 信號(hào)采集與處理電路

信號(hào)采集電路是通過脈搏傳感器將計(jì)算機(jī)不可處理的脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱可處理的電信號(hào)，一般直接轉(zhuǎn)換過來的電信號(hào)只有幾十毫伏，且存在很大的外界干擾，所以需要對(duì)其進(jìn)行放大、濾波、整形處理。

3.1.1 傳感器

脈搏傳感器分為：紅外脈搏傳感器、心率脈搏傳感器、壓力脈搏傳感器、腕部脈搏傳感器、數(shù)字脈搏傳感器、心音脈搏傳感器等等。其中紅外脈搏傳感器是利用特定波長紅外線對(duì)血管末端血液微循環(huán)產(chǎn)生的血液容積的變化的敏感特性，從而檢測出由于心臟的跳動(dòng)，引起指尖的血液變化的脈搏波。紅外光電傳感器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高。因此本系統(tǒng)選用紅外光電傳感器檢測人體手指的血脈流動(dòng)狀態(tài)，將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

圖2中ST188是一個(gè)反射型紅外光電傳感器，由高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，檢測距離可調(diào)整范圍大(4～13 mm可用)，并適用于非接觸檢測方式。用+5 V電源供電，R2取330 Ω，R3取20 kΩ。當(dāng)人把手指放在發(fā)光二極管和光電三極管之間時(shí)，動(dòng)脈血管的血液容積會(huì)隨心臟周期性的收縮和舒張產(chǎn)生變化，在恒定波長照射下，有脈搏跳動(dòng)時(shí)光線弱，無脈搏時(shí)透光強(qiáng)，光電三極管接收到的信號(hào)會(huì)隨人體脈搏強(qiáng)度的變化而變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成周期變化的電信號(hào)輸出[11]。因此ST188光電傳感器可以間接地測量人體脈搏信號(hào)。為方便駕駛員佩戴，ST188被設(shè)計(jì)成指套形式固定于方向盤上。

3.1.2 濾波電路

正常成人脈搏通常為60～100次/分鐘，對(duì)應(yīng)頻率范圍在1～1.66 Hz之間，因此紅外光電傳感器實(shí)際采集并轉(zhuǎn)換得到的人體脈搏電信號(hào)頻率非常低?？紤]到外界強(qiáng)光及人體手指與指套接觸不良等因素帶來的高頻干擾，為避免檢測結(jié)果有誤，必須選用電阻和電容搭建起一個(gè)RC濾波電路用于消除噪聲。圖2所示電阻R3與電容C4，以及并聯(lián)電容C5、C6共同組成高頻濾波器，濾除高頻干擾，人體脈搏電信號(hào)經(jīng)耦合電容C5、C6加到集成運(yùn)放同相輸入端。圖中電容用來傳遞電流信號(hào)，通過運(yùn)算放大器電路處理后變?yōu)殡妷盒盘?hào)即脈沖信號(hào)。

3.1.3 放大整形電路

由于脈搏信號(hào)一般在毫伏級(jí)別，因此經(jīng)過濾波后，還需增加一個(gè)放大整形電路，將不規(guī)則且伴有低頻干擾的脈沖信號(hào)做放大整形處理，如圖2所示，雙運(yùn)算放大器LM358內(nèi)部包含兩個(gè)獨(dú)立、高增益運(yùn)算放大器，將其中一個(gè)集成運(yùn)放用作放大光電傳感器電壓信號(hào)，另一個(gè)運(yùn)放用作電壓比較器，以輸出直流方波信號(hào)給單片機(jī)。計(jì)算LM358放大倍數(shù)與其它通用運(yùn)放一樣，主要由反饋電阻來決定。電路采用同相比例運(yùn)算放大電路，放大倍數(shù)Av=Uo/Ui=1+R8/R12。經(jīng)過LM358雙運(yùn)算放大器處理之后，左邊信號(hào)放大了304倍。為了更好的觀測到脈搏跳動(dòng)狀態(tài)，LM358還接上了一個(gè)LED燈，燈光的閃爍意味著脈搏波的一次跳動(dòng)。

圖2 信號(hào)采集與處理電路

3.2 主控模塊

主控模塊是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)檢測各種參數(shù)，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，觸發(fā)蜂鳴器、報(bào)警燈報(bào)警。綜合性能參數(shù)、實(shí)用性和性價(jià)比，本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路主要由時(shí)鐘電路(振蕩電路)和復(fù)位電路組成。為了控制電路的定時(shí)，時(shí)鐘電路提供了基本的校準(zhǔn)時(shí)間，執(zhí)行一條基本校準(zhǔn)時(shí)間指令就是相應(yīng)的一個(gè)周期。本系統(tǒng)由單片機(jī)外接一個(gè)12 MHz晶振和兩個(gè)30PF電容組成時(shí)鐘電路，經(jīng)計(jì)算，單片機(jī)系統(tǒng)的工作周期是1 μs。而單片機(jī)的復(fù)位電路由彈片和電容組成，確保了系統(tǒng)電路工作的可靠性。

3.3 顯示模塊電路

顯示模塊是由一個(gè)四位數(shù)碼管顯示參數(shù)。顯示模塊采用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)位選打開時(shí)，輸入段碼，對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管就會(huì)打開；關(guān)閉之前的位選，打開一個(gè)新的位選，輸入段碼，則對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管又會(huì)打開。每個(gè)位選打開和關(guān)閉時(shí)間上的間隔小于20 ms，在人眼看來是同時(shí)顯示。

3.4 按鍵模塊電路

該系統(tǒng)共設(shè)置四枚按鍵，分別接入單片機(jī)I/O端口，用以設(shè)置脈搏波上下限數(shù)值，以便在超出范圍時(shí)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。

3.5 電源和報(bào)警電路

選用車載充電器將車載12 V/24 V電源轉(zhuǎn)化為5 V的直流電源，用以給系統(tǒng)供電。

當(dāng)駕駛員在清醒狀態(tài)正常駕駛時(shí)，單片機(jī)輸出低電平，綠色LED燈亮起；當(dāng)主控模塊監(jiān)測與計(jì)算的結(jié)果不在設(shè)置范圍內(nèi)時(shí)，駕駛員被判定進(jìn)入疲勞駕駛狀態(tài)，綠色燈光熄滅，蜂鳴器發(fā)出持續(xù)報(bào)警，提醒駕駛員停車休息。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖3所示。先通電，按下測量按鈕，系統(tǒng)最先會(huì)進(jìn)行初始化操作流程，完成儀器軟、硬件的初態(tài)設(shè)置，單片機(jī)內(nèi)專用寄存器的設(shè)定，單片機(jī)工作方式及各端口的工作狀態(tài)的規(guī)定。當(dāng)按鈕被按下響應(yīng)時(shí)，首先會(huì)開始計(jì)時(shí)并測量人體的脈搏次數(shù)，單片機(jī)定時(shí)15 s，信號(hào)下降沿觸發(fā)外部中斷，通過對(duì)外部中斷的計(jì)數(shù)從而實(shí)現(xiàn)脈搏個(gè)數(shù)的測量。通過測量時(shí)間內(nèi)脈搏值推算出一分鐘脈搏跳動(dòng)的次數(shù)，并顯示在系統(tǒng)界面方便查看。當(dāng)然用戶也可以選擇自己設(shè)置脈搏范圍，按下設(shè)定按鍵，單片機(jī)會(huì)根據(jù)用戶的設(shè)定改變范圍數(shù)值。

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

5 誤差分析與數(shù)據(jù)處理

5.1 誤差分析

隨機(jī)選取5位受試者，用本裝置測量其脈搏頻率值，并計(jì)入誤差分析表，如表2所示。

表2 誤差分析表

注：實(shí)際脈搏次數(shù)以電子心率儀測出的心跳頻率為準(zhǔn)。

表2列出了測量值，但存在誤差，對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行線性補(bǔ)償，見公式(5-1)。

(5-1)

誤差分析：經(jīng)校準(zhǔn)，非線性補(bǔ)償后，誤差已基本達(dá)到要求。

5.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

選取一組5個(gè)樣本，實(shí)驗(yàn)前保證所有樣本在清醒狀態(tài)下，并用本裝置測量其脈搏頻率；所有樣本經(jīng)過4小時(shí)以上連續(xù)高強(qiáng)度工作后，使用與之前的光照強(qiáng)度一致的燈光前提下，對(duì)其睡意狀態(tài)下進(jìn)行脈搏頻率測試，得出清醒狀態(tài)和睡意狀態(tài)的脈搏頻率數(shù)據(jù)結(jié)果，如表3所示。

表3 清醒狀態(tài)和睡意狀態(tài)的脈搏頻率數(shù)據(jù)結(jié)果樣本

通過表3中的數(shù)據(jù)結(jié)果表明，睡意狀態(tài)脈搏頻率要高于清醒狀態(tài)下的脈搏頻率。

6 結(jié)論

通過對(duì)國內(nèi)外檢測駕駛員睡意技術(shù)進(jìn)行分析研究，對(duì)比其優(yōu)缺點(diǎn)，提出信號(hào)提取較為簡單的脈搏波檢測法；同時(shí)通過對(duì)清醒狀態(tài)和睡意狀態(tài)下人體脈搏信號(hào)進(jìn)行定性和定量分析，提出將駕駛員脈搏頻率特征信號(hào)作為判定睡意狀態(tài)的依據(jù)。

本裝置選取STC89C52單片機(jī)作為主芯片，設(shè)計(jì)信號(hào)采集電路、放大電路、濾波電路、整形電路、顯示電路、報(bào)警電路。通過紅外光電傳感器采集駕駛員脈搏頻率特征信號(hào)，可顯示當(dāng)前脈搏跳動(dòng)速度，體現(xiàn)該裝置的即時(shí)性；通過所測數(shù)據(jù)與設(shè)定值的對(duì)比來判定駕駛員是否處于睡意狀態(tài)，并對(duì)處于睡意狀態(tài)下的駕駛員進(jìn)行預(yù)警，同時(shí)針對(duì)個(gè)體差異性，可自由調(diào)節(jié)預(yù)警數(shù)值范圍，體現(xiàn)了該裝置的多效性與兼容性。調(diào)試結(jié)果顯示本裝置識(shí)別準(zhǔn)確率高，數(shù)值可靠，能夠有效的檢測駕駛員的睡意狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能；成本低廉，操作簡單，可用于車載，為檢測駕駛員睡意技術(shù)的研究提出了新的思路，具有廣泛的市場應(yīng)用前景。

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