安全驾驶助理系统嵌入式课程设计

1、课程设计说明书 NO.1目 录1.课程设计的目的22.系统方案设计22.1 QT技术33.系统设计与实现43.1 系统功能43.2 硬件结构设计53.3 防困倦设计63.4 通话控制设计63.5 身份识别设计83.6 OpenCV移植93.7 界面设计104.系统测试104.1 功能测试104.2 性能测试115.系统特色115.1 SDA系统的主要特色115.2 应用前景126.结果与分析127.设计体会138.参考文献13课程设计说明书 NO.11.课程设计的目的为了使车辆的安全从技术的层面上得到保障，保护广大司机生命财产安全，我们设计了安全驾驶助理系统。安全驾驶助理系统综合运用了嵌入式系

2、统，数字图像处理技术，移动通信技术、传感器技术、语音报警技术、QT界面技术，开发出一套司机状态监管系统。系统实现了车辆运行速度、车内温湿度状况的实时监测，司机身份识别，司机疲劳驾驶、醉酒驾驶的检测和预警。本系统特色鲜明的使用了基于图像分析处理的防困倦设计、基于行为分析额免提通话设计、基于高灵敏传感器的防酒驾设计、嵌入式系统模块化设计。然后在需求分析的基础上给出系统功能定义和总体设计方案，并详细阐述了系统模块的设计过程，最后在ARM+Linux系统上测试。经测试，系统达到了设计目标，可以实现司机安全监测与报警。2.系统方案设计嵌入式系统技术主要是集成了相关的可剪裁的软硬件的开发平台，让普通用户能

3、够非常方便的移植剪裁得到相关的嵌入式产品。嵌入式系统体系结构如图1所示，它包括硬件和软件两部分。图1 嵌入式系统体系结构 课程设计说明书 NO.2嵌入式系统的硬件优势，在于能够在物理平台较小的可移动平台上面集成丰富的片内资源。比如说有较高的处理器主频，单位时间内处理较多信息；精简的指令集，能够在单周期内完成功能指令；增强的流水线设计，提高了并行处理能力；丰富的外设接口，特别适合需要外设处理资源的平台。嵌入式系统的软件优势，在于能够在构建的分层的软件开发平台，增强软件平台的可执行性。比如现有的软件开发平台，从顶层的Boot loader到应用层的应用软件，都具有相关的开源可移植版本，并且提供各种

4、处理器平台上的测试学习，具有非常好的研究价值和应用前景。2.1 QT技术QT是奇趣科技开发的一个跨平台的C+图形用户界面应用程序框架。它提供给应用程序开发者建立艺术级的图形用户界面所需的所用功能。QT很容易扩展，并且允许真正地组件编程。图2 QT界面图课程设计说明书 NO.33.系统设计与实现3.1 系统功能安全驾驶助理(SDA)系统，通过图像和传感器信息采集与分析，对司机驾车状态进行实时监测与安全报警，提高驾车的安全性。系统通过数据的传输、处理，加强对车辆和司机的管理，通过对速度、司机的实时监控，加强了对司机疲劳驾驶、醉酒驾驶的管理，通过免提接听电话的设计，更进一步的加强了对司机的保护。系统

5、功能结构图如图3所示。图3 系统功能结构图(1) 防困倦检测在司机行车过程中。通过摄像头监测司机的眼睛，分析司机眼睛是否闭上；若闭眼超过预定时间，则报警。(2) 免提接听电话在司机行车过程中，摄像头监测司机，采集司机头部或手势的图像，通过图像分析实现电话的自动接通与挂断。(3) 防酒驾检测通过酒精传感器实时检测驾驶员是否饮酒，预防酒驾。课程设计说明书 NO.4(4) 身份识别身份识别采用PCA(Principal Component Analysis)方法，即主成分分析方法，是一种得到广泛应用的标准人脸识别方法。(5) 安全报警由蜂鸣器、显示器、语音等模块实施组合报警，提醒驾驶员安全驾驶。(6

6、) 信息显示实时显示系统及传感器的数据信息，如酒精浓度值、电话状态、系统时间等信息。3.2 硬件结构设计SDA系统集成了LCD触摸屏、酒精传感器、温湿度传感器、高清摄像头、语音合成等模块。其关系结构图如4所示。 图4 系统硬件结构图LCD 触摸屏：液晶屏，提供触摸功能。型号：WYM0500Y2，模块分辨率为480X272，物理尺寸为5 寸，大小适合本系统的预期设计，另外它的功耗不高，画面清晰度高，且内带中文字库，对外接口为8080 端口，模块已具备保护功能，可直接上电使用。蜂鸣器：博创科技蜂鸣器LED 灯模块，提供振动蜂鸣报警功能。酒精传感器：采集酒精浓度，对外接口有模拟信号线和数字信号线。课

7、程设计说明书 NO.5温湿度传感器：将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号。高清摄像头：像素300万，型号：DF88，采用高解析度1/4英寸现代(HY)原装进口CMOS感光元件，自动白平衡、自动曝光、自动增益控。GPS复合模块：高精度导航定位、授时、测速，技术非常成熟，工作性能比较稳定。语音合成模块：核心芯片为XF-S4240，可合成任意中文文本，支持英文字母的合成，支持GB2312、GBK、BIG5、UNICODE 四种内码格式文本，具有智能文本分析处理算法，有清新、自然、准确的合成效果。使用该模块可使系统报警更人性化。3.3 防困倦设计在司机行车过程中，摄像头监测司机的眼睛，采集司机

8、眼部的图片，观察司机眼睛是否闭上。若司机闭眼超过一定时间，则报警器响起。 司机前下方装置有摄像头，用于采集司机开车时眼部的图像，摄像头采用红外摄像头，方便在光线不足或夜间进行司机眼睛的识别。采集到的图像利用OpenCV进行图像处理。3.4 通话控制设计ARM嵌入式开发平台的GPRS扩展板采用的GPRS模块型号为SIM100-E，是SIMCOM公司推出的GSM/GPRS双频模块，主要为语音传输、短消息和数据业务提供无线接口。SIM100-E集成了完整的射频电路和GSM的基带处理器，适合于开发一些GSM/GPRS的无线应用产品，如移动电话、PCMCIA无线MODEM卡、无线POS机、无线抄表系统以

9、及无线数据传输业务，应用范围十分广泛。当模块上电启动并报出RDY后，用户才可以和模块进行通信，用户可以首先使用模块默认速率与模块通信，并可通过AT+IPR=命令自由切换至其它通信速率。在应用设计中，当MCU需要通过串口与模块进行通讯时，课程设计说明书 NO.6可以只用三个引脚：TXD，RXD和GND。其他引脚悬空，建议RTS和DTR置低。扩展板上采用MAX3232芯片完成GPRS模块的TTL电平到RS232电平的转换，以能和ARM开发平台的RS232串口连接。SIM100-E模块提供了完整的音频接口，应用设计只需增加少量外围辅助元器件，主要是为MIC提供工作电压和射频旁路。音频分为主通道和辅助

10、通道两部分。可以通过AT+CHFA命令切换主副音频通道。当选择为主通道时，有电话呼入时板载蜂鸣器将发出铃声以提示来电。但选择辅助通道时来电提示音乐只能在耳机中听到。蜂鸣器是由GPRS模块的BUZZER引脚加驱动电路控制的。GPRS模块和应用系统是通过串口连接的，控制系统可以发给GPRS模块AT命令的字符串来控制其行为。GPRS模块具有一套标准的AT命令集，包括一般命令、呼叫控制命令、网络服务相关命令、电话本命令、短消息命令、GPRS命令等。详细信息请参考扩展板的应用文档。用户可以直接将扩展板和计算机串口相连，打开超级终端并正确设置端口和如下参数：波特率设为，数据位为8，关闭奇偶校验，数据流控制

11、采用硬件方式，停止位为1。然后可以在超级终端里输入“AT”并回车，即可看到GPRS模块回显一个“AT”；亦可以尝试下列AT命令子集。系统所用到的AT指令有：（1）呼叫控制ATDxxxxxxxx; 拨打电话号码xxxxxxxx，注意最后要加分号，中间无空格。ATA 接听电话ATH 拒接电话或挂断电话AT+VTS= 在语音通话中发送DTMF 音，dtmfstr 举例：“4，5，6”为456 三字符。（2）网络服务AT+CNUM=? 读取本机号码。AT+COPN 读取网络运营商名称AT+CSQ 信号强度指示，返回接收信号强度指示值和信道误码率。课程设计说明书 NO.7GPRS呼叫控制流程图如图5所示

12、。 图5 GPRS呼叫控制流程图3.5 身份识别设计通过辨识司机，防止司机随意更换或车辆被盗。司机开车前，摄像头拍摄司机脸部照片，进行比对处理，识别该司机是否为指定的司机，若不是，则进行报警。(1) 人脸采集采集司机脸部图片输入到Open CV图形库，作为比对人脸是否一致的源文件。(2) 人脸识别摄像头将要求核对的人脸拍下来，进行识别，将被对比人脸图像与原存在的人脸源文件进行对比。若不是该组的司机，进行报警。人脸识别采用PCA(Principal Component Analysis)方法，即主成分分析方法，是一种得到广泛应用的标准人脸识别方法。其基本原理是：利用K-L变换抽取人脸的主要成分，

13、构成特征脸空间，识别时将测试图像投影到此空间，得到一组课程设计说明书 NO.8投影系数，通过与各个人脸图像比较进行识别。这种方法使得压缩前后的均方误差最小，且变换后的低维空间有很好的分辨能力。该设计可以有效地加强对司机的管理，并防止车辆被盗。3.6 OpenCV移植(1) 配置linux下OpenCV移植环境下载LIBJPEG压缩包到linux，解压后进入文件夹。编译LIBJPEG：./configure-host=arm-linux -enable-static -enable-sharedCXX=arm-linux-g+CPPFLAGS=-I/usr/local/arm/4.3.1-eab

14、i-arm6/usr/includeLDFAGS=-L/usr/local/arm/4.3.1-eabi-arm6/lib-prefix=/usr/local/arm/4.3.1-eabi-arm/usr编译完成后运行下列命令：makemake install下载OpenCV压缩包到linux，解压缩后编译：rootopencv-0.9.7$./configure -host=arm-linuxrootopencv-0.9.7$makerootopencv-0.9.7$make install(2) 烧写含有OpenCV动态库的6410开发板文件系统制作根文件系统：rootlocalhost

15、rootsfs# cd rootfs/rootlocalhost rootsfs# lsMkcramfs mkrootfs.sh rootfs up6410 rootfs up6410.cramfsrootlocalhost rootsfs#rootlocalhost rootsfs# ls rootfs_up6410Otopia bin dev etc home lib linuxrc mnt opt proc root sbin sys tmp usr var课程设计说明书 NO.9rootlocalhost rootsfs#运行到此处，将配置编译OpenCV产生的相应的库添加到lib文件

16、夹里，运行./mkroogfs.sh.将产生的up6410.cramfs文件系统，使用tftp软件、超级终端烧写到6410核心板里，则OpenCV的编译运行环境完成。3.7 界面设计车载显示屏主要向用户传达车内的监控信息，包括文字和图片。系统启动时屏幕会自动弹出加载界面，系统加载完毕，则自动转到主界面。信息显示界面显示车辆温湿度信息、是否疲劳驾驶、是否醉酒驾驶以及免提通话状态。当监测到有疲劳驾驶或者醉酒驾驶的时候，司机端的显示屏立即转入报警界面，同时触发报警音乐，播放相应的报警声音。图6 系统启动界面4.系统测试4.1 功能测试(1) 防困倦识别测试。系统可准确识别困倦状态，并实施报警提醒。(

17、2) 免提通话识别测试。当手机电话呼入时，驾驶员通过行为动作，可免提课程设计说明书 NO.10接通电话。(3)酒驾识别测试。在系统的酒精模块附件摆放少量酒精，系统可准确判定报警。(4)身份识别测试。通过摄像头采集人脸图片,与图形库中的原图进行比对，识别该司机是否为指定的司机，若不是，则进行报警。4.2 性能测试SDA系统的主要技术指标如表1所示。表1 技术指标技术性能指标数字图像处理司机识别时间1s困倦判定时间3s电话免提行为识别时间91%；智能报警响应时间1s传感器技术传感器巡检时间1s语音合成根据报警级别能改变人声，不同级别使用不同的音色，男声/女声摄像功能普通摄像头：像素100万以上，标

18、准USB接口支持热拔插LCD触摸功能响应时间0.5s支持点击触摸和划屏触摸5.系统特色5.1 SDA系统的主要特色课程设计说明书 NO.11（1）图像与传感器信息融合，判断准确。系统以OpenCV为基础，实时采集处理司机图像，分析判定困倦行为，并结合GPS测速，给出安全报警及处置。（2）基于图像识别的车载免提通话，因时制宜。我国的交通法规明确规定：驾驶机动车不得拨打或者接听手提电话。本作品运用图像识别这种非接触方法识别司机行为，通过点头自动接通或挂断来电，从而提高驾驶车辆的安全性。（3）采用多种传感器，立体监测。系统采用了酒精传感器用于检测司机是否醉酒驾驶，采用了温湿度传感器用于记录车辆内部的

19、温湿度状况。(4) 实时检测，多元报警。系统实时检测安全信息，如发现潜在威胁，立即报警；报警采用蜂鸣器、显示器和语音等组合方式报警，增强报警的效果。(5) 运行稳定，实用性强。经过多次测试，对人脸的眼部进行防困倦识别，本系统的成功率在91%；且系统功能都是与司机生命安全息息相关的方面，能够很大程度上降低行车过程中发成车祸的几率。(6) 安装简单，使用方便。系统采用模块化设计，集成在一块ARM6410开发板上，并配有可触控式屏幕，操作简便。(7) 应用范围广。系统可应用于家庭车辆、公共车辆、以及载货车辆，市场庞大。5.2 应用前景在我国车载安全监控系统领域一直被忽视。随着人们安防观念的普及，安防

20、监控市场逐步升温。本系统不仅集成了GPS定位系统和视频监控系统，还添加了各种传感器，对一些敏感信息进行抓取，真正起到了安全预警的作用，可以广泛应用于各类车辆，对司机进行安全驾驶辅助，提高司机驾车的安全性。6.结果与分析综合运用嵌入式系统、图像采集与处理技术、传感器技术、免提通话技术等技术，可靠性和稳定性都较高，系统计算速度快，多传感器全方位实时监控把关。形成全方位的监督、细致化的管理，达到提高车辆的现代化管理水平、降低安全课程设计说明书 NO.12事故的发生。系统的特点与优势：(1) 防困倦监测，及时预警长时间行车造成的疲劳驾驶。(2) 基于行为的免提通话，减小手持电话的行车风险。(3) 集成

21、高灵敏度传感器，采集司机安全信息，实时酒驾报警。(4) 模块化设计，集成度高，配置灵活，低功耗，低成本。(5) 人性化设计，操作简单，体积小，易安装，易移植部署，不需对车辆做改造。7.设计体会通过短短一个星期的嵌入式课程设计，我获益匪浅。在课程设计的过程中，我发现我们专业在半个学期里所修的嵌入式课程的知识点都仅仅是基础中的基础，要完成老师交给我们的任务还是有一些距离的，于是我上网搜集了许多嵌入式的资料，在完成方案设计和程序修改调试以后，就可初步实现本课题课程设计的要求。但当我们将程序运行过后，发现最初的版本并不完美，存在许多使用上的不方便与可以进一步改进的地方，譬如功能不全、外观粗糙等。通过这

22、次课设，我发现了自己在课本知识上掌握的不足，同时把以前所学过的知识重新温故，巩固了所学的知识。我觉得这次的成功很大部分取决冷静、耐心和细心。程序的修改，调试，编译则离不开冷静、耐心和细心等心理素质。另外，这次课设的完满结束，给了我们日后毕业设计宝贵的经验，使我们受益匪浅，并学会了如何解决问题，如何分清主次。课程设计使我获益良多，它将很好地衔接理论与实际的工作实践。8.参考文献1 刘学会, 田珍. 基于物联网的智能家居安防监控系统设计与实现J.制造业自动化,2012,34(17):38-40,56.2 郭晖, 陈光. 基于OpenCV的视频图像处理应用研究J. 微型机与应用,课程设计说明书 NO.132010,29(21):14-16,20.3张立静, 付宜利, 冯美等. 一种基于OpenCV 及CVUT 的摄像