孫同輝 邵開麗
摘 要:現(xiàn)代汽車產(chǎn)業(yè)是智能化、信息化高度發(fā)展的產(chǎn)業(yè),汽車駕駛員在復(fù)雜的交通環(huán)境下,容易出現(xiàn)交通事故和心臟病突發(fā)等問題。針對駕駛員在駕駛過程中突發(fā)疾病或者突然失去駕駛能力的現(xiàn)象,系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)與健康監(jiān)測相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案,通過AT89C51微處理器和傳感器檢測駕駛員的體溫、心率、脈搏、駕駛時(shí)間、是否過量吸煙飲酒等指標(biāo),經(jīng)過數(shù)據(jù)采集模塊預(yù)處理后,由藍(lán)牙模塊傳輸至車載APP,綜合分析、顯示、評價(jià)駕駛員的健康狀況,對異常指標(biāo)進(jìn)行預(yù)警,防止駕駛員在行車過程中因突發(fā)疾病、過量飲酒或車內(nèi)環(huán)境變化等影響安全駕駛,為駕駛員提供安全、高效的出行保障。
關(guān)鍵詞:汽車駕駛安全;物聯(lián)網(wǎng);在線監(jiān)測;健康評估;APP;微處理器;傳感器
中圖分類號:TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:2095-1302(2019)12-00-04
0 引 言
我國幅員遼闊,人口眾多,交通設(shè)施關(guān)乎民生,隨著國民生活水平的提高,汽車走進(jìn)千家萬戶,成為大多數(shù)人的首選出行工具。如今,汽車已成為廣大民眾出行、旅行的最便捷工具之一[1]。在此同時(shí),生活方式、飲食結(jié)構(gòu)改變引起的高血壓、糖尿病、冠心病、動脈硬化等心血管疾病成為常見病和多發(fā)病[2]。
由于汽車是由人駕駛的高速運(yùn)行的交通工具,所以很多情況下行車安全受駕駛員生理因素的影響,許多車禍?zhǔn)怯神{駛員的危險(xiǎn)駕駛引起的[3]。為了更好地滿足社會需求和實(shí)際應(yīng)用,為駕駛員提供更安全的駕駛環(huán)境,各領(lǐng)域科研技術(shù)人員加大了對車載健康監(jiān)測的研究力度。汽車作為大部分人生活的必需品,將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和嵌入式技術(shù)融入汽車安全駕駛領(lǐng)域?qū)⒊蔀槭袌鲋髁髭厔莺蜁r(shí)代發(fā)展的熱點(diǎn)[4]。
目前,市場上大多數(shù)人體健康監(jiān)測設(shè)備過于單一,只能測量一個(gè)指標(biāo),這在車輛健康監(jiān)測設(shè)備中更為明顯[5]。為了滿足駕駛員在行駛車輛的同時(shí)能夠直觀了解到自己的實(shí)時(shí)健康狀況,本文基于AT89C51微處理器設(shè)計(jì)了一款智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng),將物聯(lián)網(wǎng)及嵌入式技術(shù)相結(jié)合,實(shí)時(shí)監(jiān)測駕駛員的多種生理數(shù)據(jù),通過短距離無線通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端,經(jīng)過數(shù)據(jù)分析得出駕駛員健康狀況并對異常數(shù)據(jù)報(bào)警,將有助于駕駛員及時(shí)了解自身的生理健康狀況。此外,還利用煙霧濃度傳感器模塊使系統(tǒng)能夠監(jiān)測車內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量,提高駕駛安全性。使用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)消除監(jiān)控過程中產(chǎn)生的錯誤數(shù)據(jù),避免不必要的干擾,以正確獲取駕駛員的健康數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)提醒駕駛員安全駕駛、預(yù)防駕駛員危險(xiǎn)駕駛的功能,幫助駕駛員在遇到危險(xiǎn)時(shí)采取有效措施。
1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的一款智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng),包括一套智能健康監(jiān)測裝置和安裝在車載控制系統(tǒng)中的車載健康監(jiān)測與預(yù)警APP,通過傳感器形成穿戴設(shè)備監(jiān)測駕駛員的體溫、心率、脈搏、駕駛時(shí)間、是否過量吸煙飲酒及車內(nèi)環(huán)境等指標(biāo),將測得的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙通信模塊迅速傳輸?shù)街悄芙K端,并向用戶顯示。
系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)主要分為三層,即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層通過傳感器收集駕駛員的健康狀況和車內(nèi)空氣質(zhì)量,后臺服務(wù)器分析傳感器收集的健康數(shù)據(jù)并判斷是否超出正常健康指標(biāo),據(jù)此斷定下一步是否報(bào)警。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
本文設(shè)計(jì)的智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng)基于AT89C51微處理器,通過AT89C51引腳與各模塊連接,實(shí)現(xiàn)模塊功能。系統(tǒng)集成有溫度傳感器、脈搏傳感器、血壓傳感器、體溫傳感器、酒精傳感器、延遲傳感器、心率傳感器等,并采用藍(lán)牙無線通信技術(shù)傳輸信息。
(1)智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng)將多傳感器采集的數(shù)據(jù)通過安裝的藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行接收、轉(zhuǎn)發(fā),將接收的監(jiān)測人員健康數(shù)據(jù)及環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至上位機(jī)。
(2)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、優(yōu)化并存儲在上位機(jī)中,然后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控終端,實(shí)現(xiàn)信息的存儲、處理和顯示。
(3)用戶可以在終端通過APP實(shí)時(shí)監(jiān)測自身的綜合健康狀態(tài)。同時(shí),該系統(tǒng)還能利用煙霧傳感器實(shí)現(xiàn)車內(nèi)空氣質(zhì)量的檢測。
智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng)綜合利用傳感器、嵌入式開發(fā)、通信和軟件開發(fā)等技術(shù),實(shí)現(xiàn)了感知人體健康數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)的目標(biāo),用戶可隨時(shí)查看各類傳感器信息和綜合健康評價(jià)。
2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2.1 傳感器模塊
硬件設(shè)計(jì)是對安裝在駕駛區(qū)域內(nèi)測量設(shè)備的設(shè)計(jì),包括使用的微處理器、傳感器模塊的設(shè)計(jì)。智能車輛健康管家的微處理器和傳感器模塊的設(shè)計(jì)如圖2所示。
系統(tǒng)使用pt100溫度傳感器來收集用戶的實(shí)時(shí)體溫和環(huán)境溫度。pt100溫度傳感器顯示精度為0.1 ℃,綜合精度為0.3 ℃。標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號主要為0~10 mA和4~20 mA(或1~5 V)的DC信號。該模塊具有體積小、精度高等優(yōu)點(diǎn),適合嵌入到智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng)中。
脈搏血壓傳感器的核心在于采用光電式容積脈搏波(PPG)的方式感應(yīng)人體的脈搏信息并加以提取。人體的血壓正常范圍為高壓90~120 mmHg,低壓60~90 mmHg。設(shè)計(jì)的血壓脈搏傳感模塊采用脈搏波血壓傳感芯片YKB1712與反射式光電血壓傳感器芯片,測量方式更加自由。
心率傳感器模塊需要進(jìn)行持續(xù)測量,并通過一段時(shí)間的心率數(shù)據(jù)給出身體健康信息。系統(tǒng)采用光反射測量的光電心率傳感器與傳感器模組LST1303。
酒精濃度傳感器模塊主要用于監(jiān)測用戶是否存在酒后駕車的危險(xiǎn)情況,在開始駕駛之前檢測用戶呼出氣體的酒精濃度,如果酒精濃度超過標(biāo)準(zhǔn),將提醒用戶勿酒后駕駛車輛。使用MQ-3酒精傳感器,該模塊具有對酒精高度敏感,可以抵抗汽油和煙霧干擾等特點(diǎn)。
煙霧傳感器模塊主要用于實(shí)時(shí)了解用戶的環(huán)境條件。國內(nèi)外研究表明,各種揮發(fā)性有機(jī)化合物(主要由烷烴、烯烴、苯和其他含氧化合物組成)會使車內(nèi)空氣惡化。如果駕駛員和乘客經(jīng)常處于汽車的狹小空間內(nèi),可能會出現(xiàn)頭痛、乏力等癥狀,甚至致癌[6]。本文設(shè)計(jì)的智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng)集成有車內(nèi)氣體監(jiān)測傳感器模塊,可通過氣體傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測用戶所在環(huán)境的空氣質(zhì)量,并全面監(jiān)控各種動態(tài)數(shù)據(jù),以有效評估用戶的健康狀況。TGS2600是日本進(jìn)口的空氣質(zhì)量傳感器,對極其微弱的空氣污染具有較高的靈敏度,可通過單片機(jī)控制氣體傳感器進(jìn)行氣體數(shù)據(jù)的采集。
2.2 控制器模塊
AT89C51處理器是一款低電壓、高性能CMOS 8位處理器,帶有4 KB閃存,工作電壓為4.5 ~5.5 V。AT89C51微控制器為主控模塊,通過AT89C51引腳與各模塊連接。智能車輛健康管家電路原理如圖3所示,其核心為AT89C51控制電路模塊。智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng)可在AT89C51微處理器電路基礎(chǔ)上,結(jié)合上述傳感器模塊,利用藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的采集和傳輸。
3 智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
3.1 主程序設(shè)計(jì)
智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng)采用Eclipse軟件作為開發(fā)平臺,利用Java語言編寫程序。系統(tǒng)通電后完成初始化工作,AT89C51微控制器發(fā)送ROM命令和讀存儲器命令,數(shù)據(jù)讀取后,由數(shù)據(jù)分析模塊確定每個(gè)傳感器中的數(shù)據(jù)是否存在異常,如果數(shù)據(jù)正常,則程序保存數(shù)據(jù)后循環(huán)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊;如果數(shù)據(jù)分析模塊監(jiān)測到異常數(shù)據(jù),則根據(jù)異常數(shù)據(jù)的種類播放相應(yīng)錄音,提醒用戶安全駕駛,并將異常數(shù)據(jù)備份到云端,最后循環(huán)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測任務(wù)。智能車輛健康管家主程序的設(shè)計(jì)流程如圖4所示。
3.2 監(jiān)控平臺設(shè)計(jì)
智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)控平臺能夠方便用戶查看監(jiān)測信息。系統(tǒng)監(jiān)測平臺可以在Web終端、移動終端進(jìn)行訪問,智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控平臺的功能主要包括傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢和人體健康綜合評價(jià)。其中,人體健康綜合評價(jià)是多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)處理后的融合值,人體溫度通過監(jiān)測用戶脖頸部位體溫得到數(shù)據(jù),酒精濃度傳感器可以從不同角度同時(shí)查看用戶呼出氣體的酒精濃度。所有數(shù)據(jù)能夠直觀以數(shù)字形式體現(xiàn),而且可以顯示出實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)變化曲線以及正常數(shù)據(jù)變化范圍。智能車輛健康管家監(jiān)控平臺的功能模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。
3.3 數(shù)據(jù)處理
多傳感器數(shù)據(jù)融合[7]處理多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)信息,分析和合成多個(gè)數(shù)據(jù),并完成所需的決策和估算。多傳感器數(shù)據(jù)融合方法包括加權(quán)分析、貝葉斯估計(jì)、模糊估計(jì)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。
智能車輛健康管家采用多傳感器數(shù)據(jù)融合方法將每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。傳感器測量的數(shù)據(jù)是系統(tǒng)中最原始的數(shù)據(jù),每個(gè)傳感器的測量精度對系統(tǒng)而言尤為重要,可以根據(jù)多傳感器批量估計(jì)數(shù)據(jù)融合理論獲得測量數(shù)據(jù)的局部決策值。
將單只傳感器的測量數(shù)據(jù)分為兩組,分別為x11, x12, ..., x1m和x21, x22, ..., x2n則這兩組數(shù)據(jù)的平均值分別為與,標(biāo)準(zhǔn)差分別為σ1與σ2:
推導(dǎo)出分批估計(jì)數(shù)據(jù)融合的結(jié)果和方差:
利用式(1)~(4)可以得到每個(gè)傳感器測量數(shù)據(jù)的局部決策值。使用以上方法可得到智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng)對人體的綜合評價(jià)值。
智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)量大、類型豐富、數(shù)據(jù)相互之間關(guān)系復(fù)雜的特點(diǎn),因此,合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵。系統(tǒng)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL建立服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫,使用可視化軟件MySQL-Front管理數(shù)據(jù)庫。
對產(chǎn)品數(shù)據(jù)流圖進(jìn)行分析,用戶通過登錄界面輸入用戶名及密碼,后臺將在 Cookie中讀取其代表的域名,通過權(quán)限分配機(jī)制確定用戶擁有的權(quán)限,并進(jìn)入不同的權(quán)限視圖。用戶進(jìn)入系統(tǒng)后實(shí)施對智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng)的操作,收集用戶環(huán)境信息并上傳至數(shù)據(jù)庫,將用戶的個(gè)人信息和歷史健康記錄存儲在數(shù)據(jù)庫中[8]。圖6所示為用戶檔案數(shù)據(jù)流圖。
4 結(jié) 語
文中提出了一種智能車載健康監(jiān)測方案,研究了系統(tǒng)的硬件類型、軟件搭建、無線傳輸、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)庫建立等內(nèi)容,完成了基于物聯(lián)網(wǎng)的車載健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對駕駛員駕駛過程中遇到的危險(xiǎn)及正常駕駛時(shí)健康指標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測,具有數(shù)據(jù)自動分析、處理、顯示、查詢和預(yù)警功能,并能提出個(gè)性化的健康指導(dǎo)。系統(tǒng)界面簡潔明了,交互性強(qiáng),適用人群廣泛,可通過健康預(yù)警方式提醒駕駛員安全駕駛,提高交通安全,從而減少交通事故的發(fā)生,更好地保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。
參 考 文 獻(xiàn)
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