新型多功能驾驶员状态监测系统设计.pdf

l lI 出 新型多功能驾驶员状态监测系统设计 D e s i g n o f n o v e l m u lti fu n cti o n a l d ri v e r mo n i to ri n g s y s te m 赵艳丽 梁晶晶 Z H A 0 Ya n LIA N G Ji ng ji ng 南阳师范学院 计算机与信息技术学院 南阳 473061 摘要 针对当前驾驶员状态监测的单一性缺陷 设计了 款新型多功能驾驶员状态监测系统 系统利 用无线脑电信号采集分析技术进行情绪预警 疲劳监测和突发疾病监测 利用酒精浓度传感 器进行饮酒监测 利用声光控制和GPRS发出报警 若驾驶员任一状态超标则发出声光报警并 提示靠边停车 同时通过G PRS将车辆信息通知家人和交通管理部门 实验结果表明 传统方 法相比 该系统实现了数据的准确采集和高速传输 能够实现驾驶员状态多功能实时监测 检测灵敏度及准确率高 对预防交通事故具有很强的实用价值 关键字 脑电信号 情绪预警 疲劳监 TJ9 突发疾病监测 饮酒监测 中图法分类号 T P 391 文献标识码 A 文章编号 1 009 01 34 201 3 03 下 0057 03 D oi 10 3969 J Issn 1 009 01 34 201 3 03 下 1 7 0引言 随着生活水平的提高 车辆 日益剧增 交通 事故数 量逐年增加 造成了巨大人员伤亡和财产 损失 疲劳驾驶 酒 后驾驶是发生重大交通事故 的主要 原因 此外 随着生活压力和身体状况的影 响 近年 来情绪化驾 驶和突发疾 病引起的交通事 故也逐渐增 多 当前 驾驶 员状 态的监测普遍存在 单一性缺陷 文献 11提出 了机 车司机疲劳驾驶监 测 文献 2 提 出了基于单片机的多功能 防醉驾 系 统 这 些都 不能 有效 的达到驾驶员多功能监测的 目的 本文针对 当前驾驶 员状 态监 测的单一性 设 计 了新 型多功 能无 线驾驶员状 态监测系统 系统 利用无 线脑 电信号采 集分析技 术进行情绪预警 疲劳监 测和突发疾病 监测 利用酒精浓度传感器 进行饮酒监测 利用声光控制和G PR S发 出报警 若驾驶 员出现状 态异 常则显示是何种异常 并发 出声光报警提示立即靠边停 车 同时通过G PR S将 车 辆信 息通知家人和交通管理部 门 实验结果表 明 该 系统检测灵敏 度及准确率高 能够实现驾 驶 员状 态综合 实时监测 对预 防交通事故具有 很强的实用价值 1无线脑 电信号采集和分析 192 4年 德 国精神 病学 家 耶那大 学 的H ans B erger教 授首次发现并捕捉到人脑有规 则的电活 动 即脑电信号 EE G 就是脑部神经细胞电位变 化的信号频率 当前大多数脑电信号采集使用单 片 D SP A R M FP G A 等作为处理器 这些属于 有线传输 文献 31提 出了蓝牙传输 的方法 但蓝 牙传输 容易收到信号干扰 且制造成本较高 因 此本文采用无线技术实现脑电信号采集处理 依据 脑电图仪记录的数据分析和临 床生理 学 会国际联 盟的分类 脑电信号的频率分为 o 波 8 13H z 2O lOOuV 13波 13 30 H z 5 20uV 6 波 0 5 4H Z 20 200uV 0 波 4 8 H z lOOuv 150uV 4个频段 脑 电信号非常微弱 一般 只有50 p V 左 右 幅值范围为5 1 t V IO0 u V 所 以 脑 电信号 放大增益口 4 要比一般 的信号高得多 一般 要放大 20000 倍左右 系统分 为数 据采集传输 滤波放大 电源设 计和数据处理 四个模块 数据采 集传输 与处理模 块采 用M SP4 30 系列单 片机 作为控制器 无线 收 发模块C C 2500作为数据传输 用M SP430单片机 通 过SP I口进行数据 的发送 与接收 然后把 接收 到的脑 电数据通过U A R T 转U SB 芯片传输 给数据 处理服务器进行数据处理 滤波放大模块采用前 置放大器A D 620作为主放大器 前级采用两个单 运放O P07运放放大器组成并联型差动放大器 采 用无源高通滤 波 阻容耦合 电路 采 用集成芯片 收稿日期 2012 12 26 基金项目 河南省重点攻关项 目 0821022 l0067 河南省重点攻关项 目 112 102210408 作者俺介 赵艳丽 1978 一 女 河南南阳人 讲师 硕士 研究方向为智能系统和图像处理 第35卷第3期2013 03 下 571 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 1 訇 似 M A X 280作为低通滤波 采用反相放大器进行后 级放大 电源设计模块采用两种供电模式 1 四节 干 电池供电 中间接地 将另一端拉至一 3v 2 采 用单 电源供 电 可直接使用汽车 电源接 口转换为 3v 数据采集和接收如图1所示 数 据 采 些 网 网 集端 滤波 l 模块 r 模块 l 图1 数 据接 收和 采集 1 1 情绪预警 驾驶 员在愤怒 亢奋 悲伤 等情绪状态下发 生 交通 事故 的 几率远 远 高于 正常 情况 据统 计 由情绪 化驾 驶 引起 的交通 事 故约 占事 故总数 的 9 2 14 8 有效的实时监测驾驶员情绪状态 对车辆人 员安全和遏制交通事故具 有一定的应用 价值 脑 电采集的关键参数设置 采样率为500 H z 取0 53 60 H z之 间的脑电信号 低通40 H z 高通 0 35 H z 采用ED F 数据存储 电极通道选用 额 叶区H 1 H 2和H 3 H 4 顶叶区D 1 D 2 枕叶区 Z 1 Z 2 颞叶区S 1 S2 参考电极为左右耳部 电 极C 1 C 2为参考 分别采集当驾驶员处于平静 兴奋和悲伤情绪状态模拟驾驶时的四个 区的脑 电 信号 采用N erosc an4 3软件对采集的脑电信号进 行分析和伪迹剔除发现 驾驶员在平静 兴奋和 悲伤情绪状态模拟驾驶时 前额叶区H 1 H 2的脑 电信号变化明显 对识别有重要价值 数值分析 后得到结论 1 驾驶员在平静状态时 其左右额叶 区脑电 13 波功率均值为1 82和1 73 数据相近且比 较小 2 驾驶员在兴奋状态时 其左右额叶区脑电 波功率均值为4 8O和4 72 功率值比正常状态明 显加大 3 驾驶员在悲伤状态时 其左右额叶区脑 电 B 波功率均值为4 61和1 75 左额叶区脑电 13 波 功率值增大 而右额叶区脑电 13 波功率值与正常 状态相比无明显变化 1 2疲劳监测 疲劳驾驶是造成重大交通事故的重要原因之 一 由此造 成的交通事故 占人身伤害和死亡事故 的15 30 因此疲劳驾驶监测已成为酒驾监测 之后的又一重点研 究领域 驾驶员的疲劳状态检 581 第35卷第3期2013 03 下 测方法有通过检测脑电 心 电 肌电 皮电等信 号 以及 通过 图像处理技 术对驾 驶 员眼睑眨动 头部位移 驾驶操纵行 为 车辆行驶轨迹等分析 判断驾驶员的疲劳状 态 经过 多年的实验对比发 现 利用脑 电信号分析处理识别疲劳驾驶是最准 确 客观的方法 经实验分析发现 驾驶疲劳状 态脑电特征 与 Q 波 0 波 13 波均有关系 因此把C Q I 0 13 作为检测驾驶疲劳的参考指标 实验从1 00逐步 增大到最大值1 65 脑 电曲线在后期变化较大 经 主观评测及脑电数据对 比分析得到 1 驾驶员在清 醒状态时 其C 值为在 1 14以下 数值较小 2 驾 驶员在疲劳状态时 其C 值为在 1 14 1 46 之间 3 驾驶员在瞌睡状 态时 其C 值 逐步增大 达 到 1 46以上 值得注意的是 R 值 的变化 曲线可能随 驾驶 员调整 疲劳缓解而变化 出现反复渐进的 过程 有时 出现时有时无 高 低起伏 的波动 可 设定在一定时 间段内疲 劳或瞌睡状态 出现的次数 达到3次 以上报警 1 3 突发疾病监测 随着工作节凑加快 压力增大 越来越 多的 人 出现各种突发疾病 甚至猝死 驾驶员出现突 发 性疾 病将带 来极 其 严重 的后 果 通 过脑 电信 号实时监测到疾病信号好 及时发出报警 对预 防此类 交通事 故 有很 好的价 值 判定 突发 疾病 的脑 电信号参数 1 轻度异 常 a 波频率差超过 24 5H z 波幅不对称 两侧波幅差超过30 枕区 超过50 生理反应不 明显或不对称 Q 波频率 减慢至8H z 波幅达100 la V 以上且调节不佳 B 波增多 波幅达50 100 la V 额区或颞区中幅 0 波 达20 低幅 6 波达10 过度换气诱发出 0 波大 于70 u V 或 6 波大于25 V 2 中度异常 波频 率减慢为7 8H z 枕区原有 13 波消失或一侧减少消 失 额 颞 区有阵发性波幅较高 的 a 活动 中波 幅 0 活动数量达50 出现少量棘波 尖波 棘或 尖一 慢综合波等 过度换气诱发 出高幅 6 波 3 重 度异 常 高波幅 0 或 6 波为主要节律 Q 波消失 或仅存少量8H z a 波散在 自发或诱发长程或反复 出现高幅棘波 尖波 棘或尖一 慢综合波等 高度 失律 爆发性抑制 周期性发放等 持续性广泛 性扁平电位 2酒精监测 驾驶 员酒后驾驶检测一般分为血液检测和呼 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 务I 匐 地 气式酒精气体检测两种 本 系统采用汽车嵌入式 酒精 气体 检 测方 法 通 过 酒精 传感 器 检测 驾驶 员呼出气体 中的酒精浓度值判定驾驶 员的饮酒程 度 采 用高灵敏度 的M Q 一 3酒精传感器 5V 直流 供电 如 图2 所示 选择A O U T 模 拟量输 出 直接将A O U T 脚接A D 转换 的输入端 在没有被测 气体 的环境 中 设定传感器输 出电压值为参考 电 压 A O U T 端 的电压在 1V 左右 当传感器检测到 被 测气体 时 电压每升 高0 1V 实际被测气体的 浓度增加20ppm 1ppm 1m g kg 1m g L 1 10 常 用来表示气体浓度 或者溶液浓度 根据这个 参数就 可以在单片机里面将测得的模拟量 电压值 转换为浓度值 图2酒精传感器 根 据 我 国 道 路 交 通 安 全 法 规 定 车 辆 驾 驶 人 员 血 液 中 的 酒 精 含 量 大 于 或 者 等 于 20m g 100m l 小于80m g 1OOm l的驾 驶行为为饮 酒驾车 酒精含量大于或者等于80m g lOOm l的驾 驶行为为醉酒驾车 当检测到血液酒精浓度小于 20m g 100m l 酒精浓度不超标 发动机可以正常 启动 而 当其达到20m g 100m l以上时 发出声光 控报警 提示靠边停车 并通过G P R S短信通知家 人和交通管理 中心 3综合报警系统 为 了提高警示效果 本系统选用PM 50 系列智 能语音芯片 由专用的语音单片机和FL A SH R A M 存 储器 集合构成 它既有 几秒到200秒 的多段语 音播 放 功能 也 有 单 片机 可编 程 的智 能特 性 大 规 模 复 杂 电路 已经 缩 微 到 只 有C O B 2 8封 装 18 X 36m m 的印板上 可 以方便地作为D IP 28 封装 的 标准 集成 电路来 使 用 可 以反 复擦 写录 入 寿命在1ZF次 以上 电源 电压3 6V 静 态电流 1uA 工作电流50m A 直接驱动8欧姆0 5瓦的喇叭 录制的语音可分1 8段或 128段 指示灯 电路有红 绿两个指示灯 绿灯表示正常 若参数超标则红灯 闪烁 G PR S报警系统A T 89S52单片机和G SM 短信 模块组成 借助最可靠 最成熟的G SM 移动网络 以最直观 的中文短消息形式 直接把报警地点及驾 驶员状况反映到家人手机和最近的交通管理中心 4实验分析 采用V ega Pri m e开发的虚拟场景作为驾驶实验 平台 选取 l0名年龄为 18 50 岁 持C 1驾驶证 驾龄为0 10年的实验者 职业包括出租车 司机 公务 员 教师 学生 一般务工人 员和其 它从业 者 为对 比实验数据分析 还需要驾驶 员的 自我 评价和专家的主观评测 实验场景选用普通直线 道路直线 连续急弯和陡坡 设置部分其它车辆 和行人 相应的道路标志标线 驾驶环境设置为 晴天 可 见度 良好 中等车流密度 模拟驾驶实 验时 间为14 时 根据驾驶操纵信息驱动虚拟场景 中车辆 的运 动轨迹 并采集实验者的脑 电信号参 数 酒精传感器参数 分别对各种情绪状态 平 静 兴 奋 悲伤 疲 劳状 态 清 醒 疲劳 瞌 睡 突发疾病 轻度异常 中度异常 重度异 常 饮酒状态 在实验平 台上进行模拟驾驶实 验 脑电信号的采样频率为500H z 为验证实验效 果 对以上 实验人员分别采用文献 1 2 中提 出的 疲 劳监测法 酒精监测法以及图像识别法进行对 比分析 结果如表 1所示 表1检测准确率比较 由表1可 以看出 本文方法对情绪预警 疲劳 监测 突发疾病监测 饮酒监测 的准确率分别达 到9 l 93 90 96 均高于其它方法 且 功能覆盖全 具有很强的实用价值 5结束语 本文针对 当前驾驶员状态监测 的单一性 设 计 了新型多功能无线驾驶 员状 态监 测系统 系统 利用无线脑 电信号采集分析技术进行情绪预警 疲劳监测和突发疾病监测 利用酒精浓度传 感器 下转第63页 第35卷第3期2013 03 下 1 501 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m l 匐 化 图4上位 机PL C 数据交互程 序流程图 DWo R D 一一s td C a l1 O P C P ro c L P V O ID lpParam eter l 数 据 交 互 过 程 中 上 位 机 通 过 项 的 属 性 Q uali ty来判定读写是否成功 如果成功Q uali ty值 为G o o D 失败则为B A D 当同一读写操作失败 次数超过 10次 以上 系统判定o Pc lJ 务器与PL C 连 接断开并报警提示 为了保持PLC 实时采集数据和 系统状 态在上位机 的及 时更新 线程需 要不断读 取o PC 服务器的项以获取PL C 中的实时数据 4结束语 本文详细说明了测试平 台上位机和PL C 间的通 讯原理和方法 并利用O P C 技术实现了O P C 客户 端程序在 测试平 台软件 中的嵌入以及P C 机与PL C 之间的实时通讯 经过半年 的开发和调试 PE U 测试平台运行 良好 稳定 已正式投入使用 测 试平 台底层控制使用了O P C 技术 保证 了现场检 测信息及时准确的送入C C S 中央控制器 而且 将 来我们 可以进行平台扩展 实现 一中央 控制器多 工作平台的局域网工作模式 参考文献 1 O P C Foundati on O PC D ata A c c ess C ustom Spec i fi c ati on V e r si o n 2 0 5 D e ce m b e r 1 7 2 0 0 1 h ttp w W W op c fo un dati o n org 2 徐 志良 宋志强 吴 晓蓓 基 于O PC 技 术的上位机监控软件 设计 J 仪器仪表学报 2003 2 3 西门子 中国 自动化与驱动集团 通过E TH E R N E T 建 立 SIM A T IC N E T o PC 服务器 与PL C 的S7 连 接 z 北 京 2005 4 张景忠 基于O PC 技术的实时数据采集程序的实现 J1 包 钢 科技 20 10 04 5 张 烈平 李勤 牛秦洲 O PC 数据存取 的接 口调用与软件实 现 J 计算机应用研究 2005 22 1 162 164 出 山 出 童 重 童 出 矗 蠡 出 出 盘 出 重 矗 出 蠡 矗 重 矗 矗 矗 上接第59页 进行饮酒监测 利用声光控制和G PR S发 出报警 若 驾驶员 出现状态异常则显示是何种异常 并发 出声光报警提示立即靠边停 车 同时通过G PR S将 车辆信 息通知家人和交通管理部 门 实验结果表 明 该系统 比其它方法检测灵敏度及准确率高 功 能覆盖面全 能够实现驾驶员状态综合 实时 监测 对预防交通事故具有很强的实用价值 参考文献 1 李庆梅 钟燕科 机车司机疲劳驾驶监测 J 制造业自动 化 20 1 1 12 2 马虹 一种基于单片机的多功能防醉驾系统装置设计 J 现 代电子技术 20 1 1 19 3 G A U Shi rc heng D evelopm ent of dual c ore proc essor b ased rea1 tim e w i reless em b edd ed brai n si gn al ac qu i si tion p ro ce ssi n g sy stem a n d i ts ap p li cati o n