邵澤杰 孫俊峰 陳靖康 鄭威

摘?要：隨著汽車的高速發(fā)展與大眾化，駕駛員群體規(guī)模變得越來越龐大。在此基礎(chǔ)上人們對(duì)汽車安全的關(guān)注度也越來越高，怎樣有效地減少交通事故，保護(hù)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全就顯得尤為重要。針對(duì)這一現(xiàn)象設(shè)計(jì)了一款智能駕駛安全檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)駕駛員的酒后駕駛與疲勞駕駛行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警，檢測(cè)駕駛員健康數(shù)據(jù)。智能駕駛安全檢測(cè)系統(tǒng)的出現(xiàn)，可以大幅度減少交通事故，保護(hù)駕駛員安全，同時(shí)實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)。

關(guān)鍵詞：智能安全駕駛;STM32;鴻蒙操作系統(tǒng)

近幾年來我國(guó)的交通事業(yè)發(fā)展迅速，與此同時(shí)也帶來了安全隱患，每年發(fā)生交通事故幾十萬起，并且有著明顯的上升趨勢(shì)，這對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成了巨大威脅。在這些交通事故中，由于酒后駕車引發(fā)的交通事故數(shù)量占 50%，酒駕成為交通事故的第一大“殺手”。此外，駕駛員的疲勞駕駛也是威脅到交通安全的一個(gè)重要因素，對(duì)于駕駛員來說迫切需要一個(gè)智能安全駕駛系統(tǒng)來檢測(cè)并提醒駕駛員、發(fā)出預(yù)警警告，有效減少此類原因引起的交通事故。

同時(shí)我們迎來了一個(gè)萬物互聯(lián)的時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)也越來越受到大家的青睞。萬物互聯(lián)將人、流程、數(shù)據(jù)和事物結(jié)合在一起，使得網(wǎng)絡(luò)連接變得更加相關(guān)、更有價(jià)值，把信息轉(zhuǎn)化為行動(dòng)，給企業(yè)、個(gè)人和國(guó)家創(chuàng)造新的發(fā)展機(jī)遇，并帶來更加豐富的體驗(yàn)。本項(xiàng)目希望借助鴻蒙操作系統(tǒng)連接各種智能終端設(shè)備，做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)駕駛員行為和健康數(shù)據(jù)，切實(shí)保護(hù)駕駛員安全。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.1 整體功能設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用功能強(qiáng)大的單片機(jī)STM32 來驅(qū)動(dòng)各類傳感器，在檢測(cè)到數(shù)值偏離閾值時(shí)，使用 GSM 芯片進(jìn)行報(bào)警和自動(dòng)撥號(hào)，系統(tǒng)成本較低且實(shí)用性廣泛。在駕駛員行為監(jiān)測(cè)方面，使用了 OpenCV開源計(jì)算機(jī)視覺庫，作為最流行的計(jì)算機(jī)視覺庫，它擁有 400 多個(gè)圖像處理函數(shù)，涉及范圍面廣，執(zhí)行速度有可觀的表現(xiàn)，可以更好地處理行駛過程中的動(dòng)態(tài)行為。智能駕駛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖 1 所示。

（1）通過在車內(nèi)安裝酒精傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛員是否存在酒駕行為進(jìn)行判斷，如若存在酒駕行為，發(fā)出警告并自動(dòng)撥號(hào)聯(lián)系家屬。

（2）通過車內(nèi)加裝攝像頭，判斷駕駛員的實(shí)時(shí)行整體功能設(shè)計(jì)為狀態(tài)，如閉眼、打哈欠、瞌睡點(diǎn)頭等，并發(fā)出語音警告。

（3）搭建可穿戴設(shè)備，測(cè)量駕駛員的各項(xiàng)健康指標(biāo)。

（4）將以上監(jiān)測(cè)到的駕駛員健康指標(biāo)數(shù)據(jù)匯總并生成健康報(bào)表，如若發(fā)生異常，則自動(dòng)撥號(hào)聯(lián)系家屬并上傳實(shí)時(shí)位置。

1.2 具體功能實(shí)現(xiàn)

（1）酒后駕駛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

①酒精檢測(cè)具體實(shí)現(xiàn)流程如圖 2 所示。

（2）駕駛員行為狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

①視覺疲勞檢測(cè)：基于 dlib 人臉識(shí)別 68 特征點(diǎn)檢測(cè)，通過 openCV 做灰度化處理，檢測(cè)人眼位置信息，檢測(cè)眼睛長(zhǎng) / 寬是否大于閾值，判斷其是否存在疲勞駕駛。

②打哈欠疲勞檢測(cè)：獲取人嘴的位置信息，通過坐標(biāo)點(diǎn)的距離來判斷是否張嘴及張嘴時(shí)間，從而確定人是否存在打哈欠。

③點(diǎn)頭疲勞檢測(cè)：獲取實(shí)時(shí)頭部姿態(tài)的旋轉(zhuǎn)角度判斷駕駛員是否處于打瞌睡狀態(tài)。

具體實(shí)現(xiàn)的駕駛行為狀態(tài)監(jiān)測(cè)主界面如圖 3 所示。

（3）智能可穿戴設(shè)備

血氧心跳等健康監(jiān)測(cè)流程如圖 4 所示。

（4）智能終端

基于 vue 框架，通過軟件 java script 編寫的一個(gè)小程序，接收采集到的數(shù)據(jù)和駕駛員的實(shí)時(shí)定位信息。

2 硬件結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)所需硬件資源：用來控制各個(gè)模塊的 STM32F103 單片機(jī)、采集數(shù)據(jù)的各種傳感器、實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的ESP8266 芯片、SIM900A 撥號(hào)模塊、采集人臉數(shù)據(jù)的樹莓派以及智能終端等部分。系統(tǒng)所需具體硬件結(jié)構(gòu)及其關(guān)系如圖 6 所示。

（1）酒精檢測(cè)

通過 STM32 單片機(jī)控制 MQ-3 酒精乙醇傳感器，檢測(cè)駕駛員是否存在酒駕行為。MQ-3 酒精乙醇傳感器對(duì)酒精的靈敏度高，可以抵抗汽油、煙霧、水蒸氣的干擾，可檢測(cè)多種濃度酒精氣氛，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。

在駕駛員車內(nèi)安裝酒精傳感器，準(zhǔn)確地測(cè)量駕駛?cè)耸欠翊嬖诰岂{行為，若存在則聯(lián)系駕駛員親屬，避免危險(xiǎn)的發(fā)生。

（2）人臉疲勞采集

樹莓派可以像一臺(tái)運(yùn)行 Linux 系統(tǒng)的臺(tái)式計(jì)算機(jī)或者便攜式計(jì)算機(jī)那樣，使用 openCV 庫進(jìn)行圖像處理。

（3）血氧心跳數(shù)據(jù)采集

通過 MAX30102 實(shí)現(xiàn)對(duì)心率值和血氧飽和度的采集，并在智能穿戴設(shè)備上顯示，當(dāng)檢測(cè)的數(shù)據(jù)超過設(shè)定閾值時(shí)發(fā)出警告并通過 SIM900 撥號(hào)，由 ESP8266 將數(shù)據(jù)通過 Wi-Fi 傳輸?shù)椒?wù)器。

MAX30102 內(nèi)部集成了一整套完整信號(hào)采集電路，用戶只需通過單片機(jī)的 IIC 接口，對(duì) MAX30102 內(nèi)部的寄存器進(jìn)行讀寫操作，就可以得到轉(zhuǎn)換后的光強(qiáng)度數(shù)值。最后通過相應(yīng)的處理算法，計(jì)算出心率值和血氧飽和度。

ESP8266 是一個(gè)完整且自成體系的 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)解決方案 ， 能夠獨(dú)立運(yùn)行，也可以作為 slave 搭載于其他Host 運(yùn)行。ESP8266 強(qiáng)大的片上處理和存儲(chǔ)能力 ，使其可通過 GPIO 集成傳感器及其他應(yīng)用的特定設(shè)備 ， 實(shí)現(xiàn)了最低的前期開發(fā)和運(yùn)行中最少占用系統(tǒng)資源。

Wi-Fi 和服務(wù)器連接方法 / 步驟。

第一步：首先打開串口助手，連接好無線模塊。

第二步：發(fā)送AT+RST重啟模塊。

第三步：發(fā)送 AT+CIPCLOSE 關(guān)閉 TCP/UDP/SSL傳輸。

第四步：發(fā)送 AT+CWMODE=1 設(shè)置 Wi-Fi 模式為Station 模式。

第五步：發(fā)送 AT+CWDHCP=1 設(shè)置 DHCP。

第六步：發(fā)送 AT+CWJAP=“無線網(wǎng)絡(luò)名”，“無線網(wǎng)絡(luò)密碼”加入 Wi-Fi。

第七步：發(fā)送 AT+CIPSTART=“TCP”，"broker.emqx.io"，1883 連接服務(wù)器。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 開發(fā)工具

基于 c 語言、java script、Python 等編程語言，結(jié)合使用多種軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。其中主要使用 keil5 提供清晰直觀的操作界面，使用起來十分的輕松便捷，并具備編譯器、編譯器、安裝包和調(diào)試跟蹤。

3.2 數(shù)據(jù)采集部分

（1）酒精檢測(cè)

代碼的設(shè)計(jì)思路：通過 MQ-3氣體傳感器模塊檢測(cè)酒精濃度并發(fā) 送 模 擬 電 壓， 這 樣 可 以 利 用STM32的ADC模塊采樣收集數(shù)據(jù)，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，計(jì)算酒精濃度。

判斷其檢測(cè)濃度是否超過設(shè)定閾值，超過閾值則發(fā)出警告并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)撥號(hào)。

（2）疲勞檢測(cè)

代碼設(shè)計(jì)思路：首先初始化臉部位置和臉部特征位置的檢測(cè)器，打開攝像頭，從視頻流讀取圖片，進(jìn)行灰度化處理;將獲取臉部特征位置的信息并轉(zhuǎn)換為 array 數(shù)組的格式，使用矩形框標(biāo)注人臉;檢測(cè)人眼位置信息;檢測(cè)眼睛長(zhǎng) / 寬是否大與閾值;獲取人嘴的位置信息;通過坐標(biāo)點(diǎn)的距離來判斷是否張嘴及張嘴時(shí)間;獲取實(shí)時(shí)頭部姿態(tài)的旋轉(zhuǎn)角度 Yaw，Pitch 和 Roll。通過這一系列動(dòng)作檢測(cè)駕駛員狀態(tài)，并設(shè)定閾值，超出則發(fā)出語音警告。

（3）血氧心跳采集

代碼設(shè)計(jì)思路：通過 MAX30102 模塊獲取心率和血氧的數(shù)據(jù)，將測(cè)得的數(shù)據(jù)通過 I2C 傳送至 MCU 并通過一系列的算法計(jì)算，將計(jì)算后的數(shù)據(jù)顯示在 OLED 屏幕上。之后通過 MQTT 將數(shù)據(jù)上傳至公共服務(wù)器，生成健康報(bào)表發(fā)至用戶 APP，同時(shí)通過 SIM900A 模塊的短信及撥號(hào)功能聯(lián)系用戶手機(jī)。

驅(qū)動(dòng) MAX30102 模塊重要的是寄存器函數(shù)和讀寄存器數(shù)據(jù)的函數(shù)，并初始化模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最后計(jì)算。MAX30102 傳感器上具有紅光 （660 nm） 和紅外光（880 nm） 兩個(gè) LED， 人體氧合血氧蛋白和非氧合血氧蛋白對(duì)這兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光吸收率的差異較為明顯，可以據(jù)此得出血氧飽和度。

（4）智能終端

將收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給 ESP8266，再通過 ESP8266將數(shù)據(jù)傳給服務(wù)器，服務(wù)器將其發(fā)送給訂閱的用戶和小程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，用戶可以實(shí)時(shí)查看各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)。

4 結(jié)語

基于鴻蒙的智能安全駕駛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)除了可以實(shí)現(xiàn)操作的流暢性，最重要的是可以把搭載了鴻蒙操作系統(tǒng)的智能設(shè)備全部連接起來。駕駛員的親人能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)駕駛員的行駛過程、健康狀況等信息，能將有關(guān)駕駛員的安全信息做到共享，并及時(shí)為駕駛員提供預(yù)警服務(wù)，從而減少因酒駕和疲勞駕駛造成的交通事故，保障駕駛員的生命財(cái)產(chǎn)安全。同時(shí)，本智能安全駕駛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單，成本較低，有很好的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)：

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