陳清清　邵開麗

摘 要：近年來，隨著人們生活水平的日益提升，越來越多的人擁有車，而且許多人在車上時(shí)間更是增多，因此對(duì)于車輛的駕駛安全各類問題值得關(guān)注。對(duì)于此類情況，文中設(shè)計(jì)智能車載健康管家系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了通過車載傳感器對(duì)駕駛員每次開車進(jìn)行實(shí)時(shí)的身體狀況監(jiān)測(cè)，通過Web端智能監(jiān)控系統(tǒng)顯示數(shù)據(jù)，相當(dāng)于一次微型的體檢，當(dāng)人疲勞或身體出現(xiàn)意外情況時(shí)，可以通過該系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警和給出及時(shí)的解決方案，有效地解決了人們?cè)隈{駛過程中遇到的意外情況。

關(guān)鍵詞：車聯(lián)網(wǎng);健康監(jiān)測(cè);無線實(shí)時(shí)通信;Arduino;智能車;健康管家

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）04-00-03

0 引 言

隨著人們生活水平的提高，現(xiàn)在的車載系統(tǒng)越來越完善，而城市化進(jìn)程的加快，使人們對(duì)車載導(dǎo)航的使用訴求已經(jīng)不僅僅是衛(wèi)星定位和電子地圖那么簡(jiǎn)單，行車安全和駕駛員安全問題日益受到關(guān)注，比如由于酒駕造成的事故非常之多，有些人喝了酒就會(huì)忘記，還有的認(rèn)為自己的只喝了一點(diǎn)點(diǎn)不算酒駕，從而導(dǎo)致事故頻發(fā)。而汽車公司系統(tǒng)設(shè)計(jì)大致針對(duì)車的安全狀況，對(duì)駕駛員的身體情況關(guān)注較少，比如車載自動(dòng)化控制系統(tǒng)中車載單元OBU僅負(fù)責(zé)采集車輛的信息，包括GPS定位信息、汽車油量、車輛狀態(tài)信息等，以及司機(jī)遇到緊急事件時(shí)所進(jìn)行的操作記錄[1]。還有一種以Arduino開發(fā)平臺(tái)為基礎(chǔ)的無線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)車內(nèi)滯留人員進(jìn)行檢測(cè)，通過聲音、物體運(yùn)動(dòng)、人體紅外檢測(cè)進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，但并沒有對(duì)滯留人員的健康狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)[2]。也有相關(guān)的監(jiān)測(cè)駕駛員的系統(tǒng)—車載疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以有效地避免疲勞駕駛造成的交通事故，但是不夠全面而且需要配置近紅外攝像頭模組等較貴的設(shè)備[3]。由以上情況，本文針對(duì)駕駛員健康情況設(shè)計(jì)了智能車載健康管家系統(tǒng)，保障人們的出行安全。

本系統(tǒng)運(yùn)用溫度傳感器采集駕駛員體溫情況，脈搏監(jiān)測(cè)傳感器采集駕駛員心跳情況，在心跳異常的情況下，及時(shí)提醒乘坐員，并對(duì)車進(jìn)行自動(dòng)定位，在安全停車區(qū)停車。酒精濃度傳感器測(cè)量駕駛員是否飲酒駕駛，提醒駕駛員飲酒量超標(biāo)，請(qǐng)更換駕駛員，存在誤差是可能會(huì)受乘坐人員飲酒情況的影響。各傳感器節(jié)點(diǎn)將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送至藍(lán)牙，通過無線網(wǎng)絡(luò)連接藍(lán)牙接收數(shù)據(jù)，通過IntelliJ IDEA 軟件將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)至頁面，通過軟件調(diào)用該頁面讓用戶查看到。該系統(tǒng)對(duì)駕駛員每次開車進(jìn)行一次小體檢，對(duì)出現(xiàn)的意外情況及時(shí)給出預(yù)警和解決方案，讓每一位出行的人都能有安全舒適的一次旅程，這是智能車載健康管家系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)一種智能車載健康管家系統(tǒng)，包括一套智能健康監(jiān)測(cè)裝置和安裝在車載控制系統(tǒng)中的車載健康監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)主要分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層是生理參數(shù)和車內(nèi)環(huán)境參數(shù)的采集終端，負(fù)責(zé)對(duì)駕駛員的生理狀況（心源性休克和人體生理狀態(tài)）、吸煙飲酒和車內(nèi)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將采集的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)傳輸至車載PC終端;網(wǎng)絡(luò)層中的服務(wù)器將感知層采集得到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，并對(duì)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)變化進(jìn)行反饋;應(yīng)用層是人機(jī)交互界面的接口，應(yīng)用程序軟件主要安裝在車載控制系統(tǒng)上，負(fù)責(zé)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、異常指標(biāo)的監(jiān)測(cè)和人體健康綜合評(píng)價(jià)。將感知層采集駕駛員的所有數(shù)據(jù)，利用藍(lán)牙（IEEE 802.15.1標(biāo)準(zhǔn)）通信協(xié)議連接傳輸數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)層的服務(wù)器，在應(yīng)用層上借助車載終端系統(tǒng)將其存儲(chǔ)在終端。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

將智能車載健康管家硬件設(shè)計(jì)為一套智能健康監(jiān)測(cè)裝置，可以便捷地檢測(cè)出駕駛員的酒精含量、體溫、心率及車內(nèi)空氣環(huán)境等健康指標(biāo)，并以藍(lán)牙無線傳輸至應(yīng)用端。該系統(tǒng)采用Arduino模塊對(duì)傳感器進(jìn)行連接，1引腳接5 V電源，

2引腳接地，1和2引腳再連接面包板的正負(fù)極，在面包板上將傳感器通過串并聯(lián)電路連接，傳感器在數(shù)字輸入/輸出口選擇需要的引腳，引腳RX發(fā)出數(shù)據(jù)，TX接收數(shù)據(jù)。具體連接圖如圖2所示。

2.1 傳感器模塊設(shè)計(jì)

傳感器模塊負(fù)責(zé)采集體溫、脈搏數(shù)據(jù)、酒精濃度、煙霧濃度和其他車內(nèi)環(huán)境參數(shù)。在選擇傳感器時(shí)，優(yōu)先選擇功耗低的傳感器，在此基礎(chǔ)上考慮傳感器的分辨率、測(cè)量范圍、精度、性價(jià)比等因素。本系統(tǒng)中分別采用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻10D-92作為溫度傳感器。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器溫度計(jì)的精度可以達(dá)到0.1 ℃，感溫時(shí)間少于10 s。它的測(cè)量范圍一般為-10～300 ℃;腕部脈搏傳感器工作溫度為0～60 ℃，其靈敏度高，性能穩(wěn)定。脈搏測(cè)量采用Pulse sensor心率傳感器，可穿戴，手指和手腕等不同部位模擬信號(hào)輸出，兼容Arduino，使用方便。煙霧濃度傳感器采用MQ-2 Sensor檢測(cè)煙霧和氣體酒精，MQ-2 Sensor基于QM-NG1探頭的氣體傳感器。QM-NG1是采用廣譜性氣體傳感器，最大特點(diǎn)對(duì)各種可燃?xì)怏w以及酒精、乙醚、乙醇、煙霧等有毒氣體具有高度敏感性。通過空調(diào)ECU可使空氣交換器在有煙霧時(shí)自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)煙霧濃度達(dá)到傳感器閾值時(shí)，發(fā)出警告，并提醒駕駛員停止煙霧的來源，直至警告停止。部分傳感器實(shí)物如圖3所示。

2.2 無線傳輸方案的選擇

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)一種智能車載健康管理系統(tǒng)。對(duì)比現(xiàn)有成熟的幾種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和研究本系統(tǒng)獨(dú)特的設(shè)計(jì)要求，采用最穩(wěn)定的藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行無線組網(wǎng)。藍(lán)牙技術(shù)是一種短距離、低功耗、低成本、易操作且支持多種設(shè)備的雙向無線通信技術(shù)，由于WiFi和ZigBee技術(shù)使用比較普遍，大多人會(huì)選擇這兩種，比如基于ZigBee的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸對(duì)甲醛的監(jiān)測(cè)，但網(wǎng)絡(luò)會(huì)存在安全威脅，可能會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失等問題，不便于維護(hù)[4]。

全新藍(lán)牙4.0規(guī)范的核心是低功耗技術(shù)，該技術(shù)最大的特點(diǎn)是擁有超低的運(yùn)行功耗和待機(jī)功耗，即使用一粒紐扣電池也可以連續(xù)工作數(shù)年之久，相比WiFi和ZigBee更優(yōu)越。它的容量大，數(shù)據(jù)傳輸可靠，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信。綜合考慮功能、通信、功耗、性價(jià)比等因素，本設(shè)計(jì)中采用HC-05模塊作為無線收發(fā)模塊。HC-05模塊具體功耗低、可靠性高、安全性高等特點(diǎn)，兼容3.3 V和5 V單片機(jī)。將傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙無線通信傳輸至COM-HC串口，然后通過IntelliJ IDEA軟件顯示到網(wǎng)頁端。藍(lán)牙模塊原理圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Web智能監(jiān)控管理系統(tǒng)基于Web開發(fā)平臺(tái)，完成藍(lán)牙同服務(wù)器間的數(shù)據(jù)交互，提供友好的界面供用戶進(jìn)行相應(yīng)操作，以及便于系統(tǒng)操作員管理系統(tǒng)內(nèi)的所有傳感器獲取的數(shù)據(jù)和不同角色使用者之間的信息共享[5]。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用Web開發(fā)環(huán)境，主要有主程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析、處理、顯示、查詢和預(yù)警等功能，系統(tǒng)總設(shè)計(jì)如圖5所示。軟件設(shè)計(jì)會(huì)采用Web對(duì)頁面進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，車載終端系統(tǒng)大部分汽車采用Android系統(tǒng)，把Web網(wǎng)頁顯示添加至車載PC中[6]。其中外部中斷尤為重要，當(dāng)溫度檢測(cè)模塊、酒精檢測(cè)模塊、脈搏檢測(cè)模塊檢測(cè)到有異常時(shí)，就會(huì)觸發(fā)中斷并報(bào)警。其次是GSM 模塊，通過GSM模塊連接到車載系統(tǒng)終端上，使車主第一時(shí)間了解自己的情況[5]。GSM是一種新型的分組數(shù)據(jù)傳輸方式，適用于間斷的突發(fā)性的或頻繁的少量的數(shù)據(jù)傳輸和偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸，是該系統(tǒng)需要的傳輸方式。

（1）主程序設(shè)計(jì)

采用Web開發(fā)環(huán)境，利用Java，JS和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，由藍(lán)牙接口輸出數(shù)據(jù)，將溫度、酒精濃度和脈搏次數(shù)寫入主界面進(jìn)行顯示，通過數(shù)據(jù)處理模塊判斷數(shù)據(jù)是否為異常數(shù)據(jù)，附加用戶的基本信息，發(fā)生的警告日常健康狀況數(shù)據(jù)，將所有數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，保障數(shù)據(jù)的完整性和安全性。

（2）數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集裝置利用傳感器對(duì)駕駛員進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，并把監(jiān)測(cè)得到的信息傳送到 Arduino，Arduino單片機(jī)利用 ESP8266或 Ethernet通過藍(lán)牙把數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)端服務(wù)器，服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷并做出決策，把預(yù)警信息發(fā)回到后臺(tái)，后臺(tái)控制相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[7]。采用數(shù)據(jù)融合的方式分析、整理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)融合中心對(duì)來自多個(gè)傳感器的信息進(jìn)行融合，也可以將來自多個(gè)傳感器的信息和人機(jī)界面的觀測(cè)事實(shí)進(jìn)行信息融合，提取必要的信息。在推理機(jī)作用下，將預(yù)警信息與知識(shí)庫中的知識(shí)匹配，做出故障診斷決策，提供給用戶，如圖6所示。

（3）數(shù)據(jù)庫管理

數(shù)據(jù)庫管理的主要內(nèi)容有：數(shù)據(jù)庫的安全管控、數(shù)據(jù)庫的調(diào)優(yōu)、數(shù)據(jù)庫的重組、數(shù)據(jù)庫的重構(gòu)、報(bào)錯(cuò)問題的分析匯總和處理、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的日常備份。使用SQL Server數(shù)據(jù)庫為各個(gè)傳感器建立表格，這樣建立4個(gè)表格，把傳感器得到的數(shù)據(jù)分別使用js導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，建立一個(gè)總表格對(duì)其他的表格進(jìn)行增刪改查，每天對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次整理，把一些無用的從數(shù)據(jù)庫中刪除，保證數(shù)據(jù)庫的空間充足和數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的安全。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了人們的安全駕駛出行，防止意外發(fā)生，對(duì)于生活中的一些由于司機(jī)身體突發(fā)狀況引起的交通事故提供了參考價(jià)值。該系統(tǒng)主要是對(duì)于人體的健康進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，較其他車載人體監(jiān)測(cè)更豐富。尤其適用大巴司機(jī)，掌握著一車人的命，司機(jī)的健康至關(guān)重要，還有喝了一點(diǎn)酒存在僥幸心理的人。而帶有智能車載健康管家系統(tǒng)的汽車，會(huì)讓人們感覺到安心，為每一位駕駛員保駕護(hù)航。本系統(tǒng)是置于車載PC端的，汽車擁有車載PC的品牌較少，這也是該系統(tǒng)的一個(gè)不足。

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作者簡(jiǎn)介：陳清清（1997—），女，河南淮陽人，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)工程。