汽車(chē)安全衛士，包括酒精檢測，疲勞檢測，空氣質(zhì)量檢測

一、項目概述

1.1 引言

本方案基于A(yíng)tmel Studio 5及AVR平臺，設計一個(gè)融合酒精檢測、疲勞檢測和車(chē)內空氣質(zhì)量檢測為一體的汽車(chē)安全衛士系統，通過(guò)對駕駛員呼出氣體的酒精濃度檢測判斷是否允許啟動(dòng)汽車(chē)；并且在駕駛過(guò)程中實(shí)時(shí)監控駕駛員的眼睛狀態(tài)，如果發(fā)現駕駛員出現瞌睡等情況則會(huì )通過(guò)聲光提醒駕駛員以及附近車(chē)輛，必要時(shí)通過(guò)自動(dòng)減速來(lái)確保駕駛員的人身安全。此外，通過(guò)對汽車(chē)內部的CO、CO₂、O₂等氣體參數監測,顯示氣體濃度并提醒駕駛員開(kāi)窗，改善駕駛環(huán)境。

1.2 項目背景

據我國交通事故統計年報：2009年，全國共發(fā)生道路交通事故238351起，造成67759人死亡、275125人受傷，直接財產(chǎn)損失9.1億元。其中酒后駕駛、疲勞駕駛等嚴重違法行為是導致交通事故的主要因素。但是酒后駕車(chē)，只是在車(chē)禍發(fā)生后或臨時(shí)檢查時(shí)才進(jìn)行駕駛者體內酒精濃度的檢測，這樣并不能從根本上減少悲劇的發(fā)生，為了防患于未然，本系統在汽車(chē)啟動(dòng)之前進(jìn)行酒精濃度檢測、預警；對于疲勞檢測，目前國內這方面產(chǎn)品很少，比較有代表性的就是去年南京遠驅科技有限公司推出的gogo850平安行，但是此產(chǎn)品只能預警，并不能在必要的時(shí)刻采取相應的強制措施。故該系統在設計時(shí)，不僅考慮到預警機制，還在預警無(wú)效后強制汽車(chē)緩慢減速，從最大限度上減少因酒后駕車(chē)給人們帶來(lái)的生命和財產(chǎn)損失。

1.3 系統特點(diǎn)

創(chuàng )新性：

（1）汽車(chē)啟動(dòng)之前進(jìn)行酒精濃度檢測、預警；

（2）疲勞檢測預警無(wú)效后，必要時(shí)刻強制汽車(chē)緩慢減速；

環(huán)保性：

（1）檢測空氣質(zhì)量，改善駕車(chē)環(huán)境；

（2）系統安全，低功耗，無(wú)污染；

二、需求分析

2.1 功能要求

該系統設計實(shí)現三大功能：通過(guò)酒精監測避免酒后駕駛；通過(guò)人眼狀態(tài)監測避免疲勞駕駛；通過(guò)車(chē)內的空氣質(zhì)量監測優(yōu)化駕車(chē)環(huán)境。

功能一：酒精檢測。在汽車(chē)啟動(dòng)之前對駕駛員附近空氣中酒精濃度進(jìn)行檢測。當檢測到空氣中酒精含量大于0.095mg/L（對應駕駛者每毫升血液中酒精含量大于或等于0.2mg——我國酒后駕車(chē)的判定標準），系統斷開(kāi)汽車(chē)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，禁止啟動(dòng)，同時(shí)發(fā)出語(yǔ)音提示或者預警。此時(shí)，系統仍處于工作狀態(tài)。反之，汽車(chē)正常啟動(dòng)。

功能二：疲勞檢測。實(shí)時(shí)監測駕駛者疲勞狀態(tài)，如果駕駛者疲勞，先向駕駛員發(fā)出預警，同時(shí)通過(guò)緊急信號燈提醒周?chē)?chē)，此時(shí)系統進(jìn)入緊急模式；預警后再次檢測，如果駕駛員仍處于疲勞狀態(tài)，則中央控制器自動(dòng)向變速器發(fā)出控制指令，使汽車(chē)緩慢減速到較低等級。

功能三：車(chē)內空氣質(zhì)量監測。該系統可以實(shí)時(shí)監測車(chē)內的空氣質(zhì)量，并將氣體濃度通過(guò)顯示屏輸出。如果車(chē)內空氣質(zhì)量不合格，則向駕駛者發(fā)出預警。

2.2 性能要求

（1）汽車(chē)啟動(dòng)前靈敏、準確的檢測車(chē)內酒精濃度。

（2）汽車(chē)啟動(dòng)后，全程實(shí)時(shí)監測駕駛者疲勞狀態(tài)，準確獲得駕駛者的睜閉眼次數及時(shí)間。

（3）整個(gè)系統要求安全、穩定，功耗小，無(wú)污染。

三、方案設計

3.1 系統功能實(shí)現原理

圖1 系統功能圖

3.1.1酒精檢測

（1）數據采集

通過(guò)酒精傳感器對車(chē)內酒精濃度進(jìn)行采集。經(jīng)過(guò)對性能、環(huán)保、經(jīng)濟以及日后的推廣等多方面因素的綜合考慮，我們選擇功耗小、穩定性好、反應速度快，生產(chǎn)成本相對較低，適合于大量生產(chǎn)的半導體酒精傳感器作為采集工具。該傳感器就是將酒精濃度轉變?yōu)殡娏餍盘栞敵?。圖2為半導體酒精傳感器的工作原理圖：

圖2 酒精傳感器工作

（2）數據處理系統

將采集到的數據送入系統終端進(jìn)行分析計算并采取相應措施。因為人飲酒時(shí)，酒精被吸收，但并不會(huì )被消化，一部分酒精揮發(fā)出去，經(jīng)過(guò)肺泡，重新被人呼出體外。經(jīng)測定，這種呼出氣體中的酒精濃度和血液中酒精濃度的比例是2100：1，即每2100 ml 呼出氣體中含有的酒精和1ml血液中含有的酒精在量上是相等的。利用酒精濃度和血液中酒精濃度會(huì )呈現出一定比例關(guān)系的原理，通過(guò)采集來(lái)的數據，計算出受測者血液中的酒精含量。

3.1.2疲勞檢測

目前，對于疲勞程度的判斷主要通過(guò)檢測人眼狀態(tài)來(lái)實(shí)現。該方法主要包括三部分：人眼定位，參數提取，疲勞程度判斷，如圖3所示。但是此方法受人眼定位誤差的影響很大，為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，本系統將攝像頭嵌入頭盔中，實(shí)現對人眼區域的固定定位。下面對數據采集和處理兩部分的實(shí)現進(jìn)行具體說(shuō)明：

圖3 疲勞檢測流程

（1）數據采集
通過(guò)攝像頭獲得駕駛員眼睛狀態(tài)的圖像數據，預處理后將其通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊送入系統終端。在實(shí)際應用中，可以根據精度和準確度等實(shí)際要求，通過(guò)其他方式采集更準確的數據信息。

（2）數據分析處

通過(guò)對采集來(lái)的數據進(jìn)行處理，計算出評測疲勞程度的PERCLOS參數——該參數由美國聯(lián)邦公路管理局研究得到，被公認為是檢測人類(lèi)疲勞最可靠、最有效的方法，具有很高的準確度——PERCLOS表征一定的時(shí)間內眼睛閉合時(shí)間所占的比例；其值越大，駕駛者的疲勞程度越嚴重。系統將計算出來(lái)的PERCLOS參數值和預設值進(jìn)行比較判別疲勞程度，采取相應的措施。

3.1.3汽車(chē)自動(dòng)變速

目前，自動(dòng)變速器已經(jīng)廣泛應用在汽車(chē)上，而新興的電子控制自動(dòng)變速器更是現在發(fā)展的熱門(mén)。其主要特點(diǎn)是實(shí)現一機多參數控制，并在此基礎上將控制變速器的微機與控制發(fā)動(dòng)機的微機合并在一起，實(shí)現其綜合控制。一機是指采用單一微機控制，多參數是指輸入微機的控制參數多元化，即控制參數不僅有發(fā)動(dòng)機轉速、車(chē)速、節氣門(mén)開(kāi)度等信號，而且有反映發(fā)動(dòng)機和變速器工作環(huán)境、車(chē)輛行駛環(huán)境的信號，這些參數能全面反映發(fā)動(dòng)機和變速器的實(shí)際工況。多規律是指控制微機中同時(shí)存儲多種換擋規律，如最佳經(jīng)濟性和最佳動(dòng)力性換擋規律等。傳統的自動(dòng)變速系統框圖如下：

圖4 傳統的自動(dòng)變速系統框圖

本系統將PERCLOS參數作為微機輸入控制參數，實(shí)現必要時(shí)汽車(chē)減速控制：汽車(chē)啟動(dòng)后，通過(guò)PERCLOS參數判斷司機的疲勞狀態(tài)，若超過(guò)閾值，首先向駕駛者發(fā)出報警信號，此時(shí)系統仍然處于實(shí)時(shí)檢測狀態(tài)，若一定時(shí)間內警告無(wú)效，則微機控制單元會(huì )自動(dòng)采取減速措施。以下是改進(jìn)后的自動(dòng)變速器原理圖：

圖5 改進(jìn)后的自動(dòng)變速器原理圖

3.1.4車(chē)內空氣監測系統

由于汽車(chē)是一個(gè)封閉的小環(huán)境，對空氣質(zhì)量的自我調節能力差，可能導致空氣中各成分濃度不平衡；同時(shí)汽油天然氣等化石燃料的不完全燃燒可能產(chǎn)生CO等有毒氣體。系統對CO、CO₂、O₂這三種關(guān)鍵氣體進(jìn)行了監測。

車(chē)內空氣質(zhì)量監測系統原理和酒精檢測系統原理類(lèi)似。首先利用一氧化碳傳感器，二氧化碳傳感器，氧氣傳感器采集數據；然后，對數據進(jìn)行分析，并與預設值進(jìn)行比較。如果某項指標不合格，發(fā)出預警。

3.2 硬件平臺選用及資源配置

本作品以基于A(yíng)tmel AVR 32 AT32UC3A單片機控制器的EVK1105（EVK1100）為硬件平臺，并移植嵌入式操作系統μC/OSII作為最終開(kāi)發(fā)系統。

EVK1105（EVK1100）包括FLASH程序存儲器、看門(mén)狗、EEPROM、同/異步串行口、TWI、SPI、A/D模數轉換器、定時(shí)器/計數器等，并且擁有門(mén)類(lèi)齊全的中斷系統，具備輸入捕獲和比較匹配輸出等多樣化功能的定時(shí)器/計數器，具有替換功能的I/O端口等，這些都為μC/OSII的移植提供了很好的物理資源。

嵌入式操作系統μC/OSII（micro controller operating system）是專(zhuān)為微控制器系統和軟件開(kāi)發(fā)而設計的公開(kāi)源代碼的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統內核，是一段微控制器啟動(dòng)后首先執行的背景程序，作為整個(gè)系統的框架貫穿系統運行的始終。該嵌入式系統具有公開(kāi)源代碼，可移植性好，可裁剪，可固化等優(yōu)良的特點(diǎn)。因為本作品中涉及到許多數據采集系統，所以移植實(shí)時(shí)性高，穩定性好μC/OSII無(wú)疑可以大大提高系統性能。

除此以外，我們的作品還用到以下一些硬件資源：

酒精傳感器

氧氣、一氧化碳，二氧化碳氣體傳感器

AT86RF231或AT86RF212射頻模塊

汽車(chē)模型

3.3 系統軟件流程

汽車(chē)車(chē)門(mén)打開(kāi)后，系統自動(dòng)初始化，液晶顯示器顯示當前的車(chē)內環(huán)境的酒精、CO、CO₂、O₂濃度。如果檢測到酒精濃度超標，系統會(huì )通過(guò)控制電子開(kāi)關(guān)阻止汽車(chē)啟動(dòng)，直到酒精濃度低于閾值才會(huì )開(kāi)啟電子開(kāi)關(guān)，允許啟動(dòng)；如果檢測到CO、CO₂、O₂濃度超標，會(huì )提醒駕駛員開(kāi)窗通風(fēng)。啟動(dòng)后，基于人眼狀態(tài)識別的疲勞檢測系統初始化，并對人眼狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集、分析，并做出相應的處理。其對應的軟件流程圖如下：

圖6 軟件流程圖

3.4 系統預期效果

汽車(chē)安全衛士預計實(shí)現：?jiǎn)?dòng)前，通過(guò)對酒精濃度的檢測來(lái)控制模型小車(chē)的啟動(dòng)。在行駛的過(guò)程中，通過(guò)模擬人疲勞狀態(tài)下眼睛的閉合來(lái)產(chǎn)生疲勞信號，使小車(chē)緩慢減速；同時(shí)，系統對車(chē)內環(huán)境的氣體參數實(shí)時(shí)監測并顯示，必要時(shí)提醒駕駛員采取相應的措施改善車(chē)內空氣質(zhì)量，優(yōu)化駕駛環(huán)境。以下為具體模擬演示過(guò)程：

將酒精傳感器置于酒精濃度超過(guò)預設值的環(huán)境中，此時(shí)小車(chē)無(wú)法啟動(dòng)，語(yǔ)音模塊發(fā)出語(yǔ)音提示“禁止酒后駕車(chē)”；反之，小車(chē)可以正常啟動(dòng)。

在小車(chē)啟動(dòng)后行駛的過(guò)程中，由實(shí)驗者帶上特制頭盔模擬人體瞌睡狀態(tài)下眼睛的閉合來(lái)產(chǎn)生疲勞信號。具體為： 實(shí)驗者輕輕眨動(dòng)眼睛，系統沒(méi)有產(chǎn)生反應，但是當人眼一次閉合時(shí)間達到3-4秒時(shí)，汽車(chē)的警報響起，提示實(shí)驗者謹慎駕駛，如果實(shí)驗者在提醒后依然處于之前的“瞌睡狀態(tài)”，系統就會(huì )向小車(chē)發(fā)出制動(dòng)信號，小車(chē)將慢慢減速。

與此同時(shí)，系統對車(chē)內（用一個(gè)大小合適的密閉空間來(lái)模擬）的CO、CO₂、O₂濃度實(shí)時(shí)監測并顯示，當氣體濃度不超標時(shí)，傳感器采集到的數據將只是被簡(jiǎn)單地顯示在顯示屏上；然后往容器中放入石灰石和稀鹽酸的反應裝置，提高容器里面的CO₂濃度，系統出現語(yǔ)音提示：“CO₂濃度過(guò)高，影響您的駕駛狀態(tài)，請開(kāi)窗通風(fēng)”。