劉瀟 于志恒 王殿梁 王公海 王炯燾 劉清鳳 張新

【摘要】疲勞駕駛導(dǎo)致的瞌睡狀態(tài)在日常生活中出現(xiàn)的頻率越來(lái)越高，由此產(chǎn)生的交通事故也是屢見(jiàn)不鮮?；谌梭w脈搏與人的狀態(tài)息息相關(guān)，研制了一種建立在人體脈搏信號(hào)的基礎(chǔ)上并配合眼球檢測(cè)儀檢測(cè)防止駕駛員瞌睡的警報(bào)系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】人體脈搏 眼球檢測(cè)儀 疲勞駕駛 防瞌睡

Abstract： The sleepiness caused by fatigue driving is more and more frequent in daily life， and the traffic accidents caused by the fatigue driving are also common. Based on the fact that human pulse is closely related to human condition， an alarm system is developed， which is based on human pulse signal and cooperates with eyeball detector to detect and prevent drowsiness of drivers.

Key words： Human pulse eyeball detector fatigue driving

drowsiness prevention

0 引言

現(xiàn)如今交通安全在我們生活中越發(fā)的重要，由于司機(jī)駕駛過(guò)程中瞌睡造成的交通事故的不斷增長(zhǎng)，人們逐漸關(guān)注起了駕駛疲勞這個(gè)問(wèn)題。在目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了一批新型的汽車(chē)防瞌睡裝置，但此些防瞌睡裝置在檢測(cè)方面或多或少都存在著缺陷。

人體脈搏信號(hào)與人狀態(tài)有著密切的聯(lián)系，清醒狀態(tài)和瞌睡狀態(tài)的人體脈搏信號(hào)有著明顯變化，而眼睛的瞳孔運(yùn)動(dòng)頻率及睜閉眼時(shí)長(zhǎng)可通過(guò)檢測(cè)計(jì)算得出，基于這些，研制了一種新型汽車(chē)防瞌睡系統(tǒng)。

1防瞌睡系統(tǒng)設(shè)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由測(cè)脈搏手環(huán)、心率傳感器、眼球檢測(cè)儀、功率放大器、濾波器、單片機(jī)、電流比較器、頻率存儲(chǔ)器、蜂鳴器、噴水霧裝置等組成。

測(cè)脈搏手環(huán)內(nèi)置心率傳感器并運(yùn)用藍(lán)牙技術(shù)，能將所測(cè)得的駕駛員脈搏信息通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)傳輸至車(chē)載系統(tǒng)。

1.1工作原理

測(cè)脈搏手環(huán)佩戴于駕駛員手腕測(cè)量脈搏，通過(guò)藍(lán)牙設(shè)備傳輸至車(chē)載系統(tǒng)。根據(jù)測(cè)得的脈搏信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)，對(duì)不同人體的脈搏信號(hào)差異自動(dòng)調(diào)節(jié)清醒時(shí)與瞌睡時(shí)的脈搏信號(hào)頻率區(qū)間。眼球檢測(cè)儀實(shí)時(shí)監(jiān)控駕駛員的瞳孔運(yùn)動(dòng)，處理后得到瞳孔運(yùn)動(dòng)頻率信號(hào)。通過(guò)信號(hào)判斷瞌睡狀態(tài)及瞌睡時(shí)長(zhǎng)并結(jié)合車(chē)速將信號(hào)分為四類(lèi)，依次為：清醒狀態(tài)、一級(jí)瞌睡狀態(tài)、二級(jí)瞌睡狀態(tài)和三級(jí)瞌睡狀態(tài)。四種信號(hào)傳遞至單片機(jī)2均有不同的響應(yīng)：清醒狀態(tài)信號(hào)單片機(jī)2不工作;一級(jí)觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警和安全帶松緊控制;二級(jí)引發(fā)蜂鳴器報(bào)警并結(jié)合空調(diào)吹風(fēng)系統(tǒng)將刺激性無(wú)毒氣體吹向駕駛員臉部;三級(jí)在觸發(fā)二級(jí)基礎(chǔ)上，使噴水霧裝置將水霧噴至駕駛員臉部。該系統(tǒng)的裝置流程圖如圖1。

2 人體脈搏信號(hào)的采集

測(cè)脈搏手環(huán)內(nèi)側(cè)布有Ag粒子電極，測(cè)量人體脈獲得電信號(hào)，信號(hào)通過(guò)心率傳感器得到脈搏信號(hào)并由藍(lán)牙設(shè)備傳輸進(jìn)入車(chē)載系統(tǒng)。而后脈搏信號(hào)經(jīng)由功率放大器及濾波器進(jìn)入信號(hào)比較單片機(jī)1，信號(hào)比較單片機(jī)1可將實(shí)時(shí)信號(hào)與此前五分鐘內(nèi)脈搏頻率均值相比，一旦出現(xiàn)脈搏信號(hào)電流頻率大幅下降則可初步判定駕駛員處于瞌睡狀態(tài)。

2.1 脈搏存儲(chǔ)

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量大量不同年齡階段人的脈搏頻率電流，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器得到脈搏頻率的測(cè)量值。同時(shí)將脈搏存儲(chǔ)器1所存儲(chǔ)的脈搏信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器得到正常值。針對(duì)所得的測(cè)量值、正常值及年齡，使用MATLAB進(jìn)行擬合得到擬合圖，如圖2。

由MATLAB擬合圖可以得出，所采集人群脈搏正常頻率是65-95次/分鐘，但在圖中存在較大的頻率波動(dòng)階段，這是由于本次實(shí)驗(yàn)并未對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行去噪過(guò)程造成的。

2.2 信號(hào)數(shù)字處理

人體脈搏信號(hào)的頻率主要是在3～20HZ之間，為次聲波，并且最高頻率不高于40HZ。本實(shí)驗(yàn)的采樣頻率為f=125HZ，采樣時(shí)間為t=10s，采樣個(gè)數(shù)為N=1024個(gè)。脈搏信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器濾波、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換等處理后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，瞬時(shí)譜為：

計(jì)算后得出人群的數(shù)據(jù)離散波動(dòng)比較小且符合正態(tài)分布，數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)果與MATLAB擬合的結(jié)果相似，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)的正確性。

3 人體瞳孔運(yùn)動(dòng)頻率及睜閉時(shí)長(zhǎng)

眼球檢測(cè)儀實(shí)時(shí)監(jiān)控駕駛員瞳孔的運(yùn)動(dòng)并處理得到駕駛員的瞳孔運(yùn)動(dòng)頻率信號(hào)。此信號(hào)傳遞路線(xiàn)為—功率放大器—濾波器—信號(hào)比較單片機(jī)1。信號(hào)比較單片機(jī)1將駕駛員的所有瞳孔運(yùn)動(dòng)頻率均值與實(shí)時(shí)頻率比較，一旦駕駛者的瞳孔運(yùn)動(dòng)頻率大幅下降，則結(jié)合人體脈搏頻率變化判斷駕駛員是否進(jìn)入瞌睡。此外，信號(hào)單片機(jī)1會(huì)記錄未接收到瞳孔運(yùn)動(dòng)頻率信號(hào)時(shí)長(zhǎng)即閉眼時(shí)長(zhǎng)，當(dāng)閉眼時(shí)長(zhǎng)在單位時(shí)間內(nèi)過(guò)長(zhǎng)則結(jié)合脈搏信號(hào)判斷駕駛員是否瞌睡。

4 比較單片機(jī)

比較單片機(jī)主要由電流比較器、頻率存儲(chǔ)器構(gòu)成。電流信號(hào)經(jīng)處理后流入比較單片機(jī)并一分為二流入電流比較器和頻率存儲(chǔ)器。根據(jù)兩支路流出的電流經(jīng)電流比較器后比較的結(jié)果向單片機(jī)2發(fā)送不同頻率的電信號(hào)，單片機(jī)2根據(jù)接收到的電流信號(hào)不同造成不同的響應(yīng)。比較單片機(jī)的結(jié)構(gòu)流程圖如圖3。

5 結(jié)論

現(xiàn)如今汽車(chē)的普及率越來(lái)越高，疲勞駕駛的問(wèn)題日益嚴(yán)峻。汽車(chē)防瞌睡裝置的出現(xiàn)以及更新?lián)Q代必不可少，若能夠?qū)⑦@些裝置不斷完善并普及于人們的日常生活中，則能夠減少疲勞駕駛事故的發(fā)生，增加行車(chē)的安全性。本系統(tǒng)在結(jié)合了前人研究設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了新的創(chuàng)新設(shè)計(jì)且對(duì)車(chē)輛結(jié)構(gòu)并無(wú)太大影響，是一種新型有效的防瞌睡裝置。

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基金項(xiàng)目： 嘉興學(xué)院南湖學(xué)院2019年度校級(jí)SRT計(jì)劃項(xiàng)目計(jì)劃“基于人體脈搏的車(chē)輛防瞌睡系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)”（項(xiàng)目編號(hào)：NH85179326）成果

作者簡(jiǎn)介：劉瀟，（1999-），男，浙江建德人，本科在讀。研究方向：機(jī)械制造及其自動(dòng)化。