基于鴻蒙操作系統的智能安全駕駛監測系統

近幾年來(lái)我國的交通事業(yè)發(fā)展迅速，與此同時(shí)也帶來(lái)了安全隱患，每年發(fā)生交通事故幾十萬(wàn)起，并且有著(zhù)明顯的上升趨勢，這對人民的生命財產(chǎn)構成了巨大威脅。在這些交通事故中，由于酒后駕車(chē)引發(fā)的交通事故數量占50%，酒駕成為交通事故的第一大“殺手”。此外，駕駛員的疲勞駕駛也是威脅到交通安全的一個(gè)重要因素，對于駕駛員來(lái)說(shuō)迫切需要一個(gè)智能安全駕駛系統來(lái)檢測并提醒駕駛員、發(fā)出預警警告，有效減少此類(lèi)原因引起的交通事故。

同時(shí)我們迎來(lái)了一個(gè)萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)也越來(lái)越受到大家的青睞。萬(wàn)物互聯(lián)將人、流程、數據和事物結合在一起，使得網(wǎng)絡(luò )連接變得更加相關(guān)、更有價(jià)值，把信息轉化為行動(dòng)，給企業(yè)、個(gè)人和國家創(chuàng )造新的發(fā)展機遇，并帶來(lái)更加豐富的體驗。本項目希望借助鴻蒙操作系統連接各種智能終端設備，做到實(shí)時(shí)監測駕駛員行為和健康數據，切實(shí)保護駕駛員安全。

1   系統整體結構

1.1 整體功能設計

本項目采用功能強大的單片機STM32來(lái)驅動(dòng)各類(lèi)傳感器，在檢測到數值偏離閾值時(shí)，使用GSM芯片進(jìn)行報警和自動(dòng)撥號，系統成本較低且實(shí)用性廣泛。在駕駛員行為監測方面，使用了OpenCV開(kāi)源計算機視覺(jué)庫，作為最流行的計算機視覺(jué)庫，它擁有400多個(gè)圖像處理函數，涉及范圍面廣，執行速度有可觀(guān)的表現，可以更好地處理行駛過(guò)程中的動(dòng)態(tài)行為。智能駕駛監測系統整體架構如圖1 所示。

（1）通過(guò)在車(chē)內安裝酒精傳感器，實(shí)現對駕駛員是否存在酒駕行為進(jìn)行判斷，如若存在酒駕行為，發(fā)出警告并自動(dòng)撥號聯(lián)系家屬。

（2）通過(guò)車(chē)內加裝攝像頭，判斷駕駛員的實(shí)時(shí)行為狀態(tài)，如閉眼、打哈欠、瞌睡點(diǎn)頭等，并發(fā)出語(yǔ)音警告。

（3）搭建可穿戴設備，測量駕駛員的各項健康指標。

（4）將以上監測到的駕駛員健康指標數據匯總并生成健康報表，如若發(fā)生異常，則自動(dòng)撥號聯(lián)系家屬并上傳實(shí)時(shí)位置。

1.2 具體功能實(shí)現

（1）酒后駕駛監測系統

①酒精檢測具體實(shí)現流程如圖2所示。

（2）駕駛員行為狀態(tài)監控系統

①視覺(jué)疲勞檢測：基于dlib 人臉識別68 特征點(diǎn)檢測，通過(guò)openCV 做灰度化處理，檢測人眼位置信息，檢測眼睛長(cháng)/ 寬是否大于閾值，判斷其是否存在疲勞駕駛。

②打哈欠疲勞檢測：獲取人嘴的位置信息，通過(guò)坐標點(diǎn)的距離來(lái)判斷是否張嘴及張嘴時(shí)間，從而確定人是否存在打哈欠。

③點(diǎn)頭疲勞檢測：獲取實(shí)時(shí)頭部姿態(tài)的旋轉角度判斷駕駛員是否處于打瞌睡狀態(tài)。

具體實(shí)現的駕駛行為狀態(tài)監測主界面如圖3所示。

圖3 駕駛員行為動(dòng)態(tài)監測界面

（3）智能可穿戴設備

血氧心跳等健康監測流程如圖4所示。

圖4 健康監測流程圖

（4）智能終端

基于vue框架，通過(guò)軟件java script編寫(xiě)的一個(gè)小程序，接收采集到的數據和駕駛員的實(shí)時(shí)定位信息。

圖5 軟件截圖

2   硬件結構組成

系統所需硬件資源：用來(lái)控制各個(gè)模塊的STM32F103單片機、采集數據的各種傳感器、實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)的ESP8266芯片、SIM900A撥號模塊、采集人臉數據的樹(shù)莓派以及智能終端等部分。系統所需具體硬件結構及其關(guān)系如圖6 所示。

（1）酒精檢測

通過(guò)STM32 單片機控制MQ-3 酒精乙醇傳感器，檢測駕駛員是否存在酒駕行為。MQ-3 酒精乙醇傳感器對酒精的靈敏度高，可以抵抗汽油、煙霧、水蒸氣的干擾，可檢測多種濃度酒精氣氛，是一款適合多種應用的低成本傳感器。

在駕駛員車(chē)內安裝酒精傳感器，準確地測量駕駛人是否存在酒駕行為，若存在則聯(lián)系駕駛員親屬，避免危險的發(fā)生。

（2）人臉疲勞采集

樹(shù)莓派可以像一臺運行Linux 系統的臺式計算機或者便攜式計算機那樣，使用openCV 庫進(jìn)行圖像處理。

（3）血氧心跳數據采集

通過(guò)MAX30102 實(shí)現對心率值和血氧飽和度的采集，并在智能穿戴設備上顯示，當檢測的數據超過(guò)設定閾值時(shí)發(fā)出警告并通過(guò)SIM900 撥號，由ESP8266 將數據通過(guò)Wi-Fi 傳輸到服務(wù)器。

MAX30102 內部集成了一整套完整信號采集電路，用戶(hù)只需通過(guò)單片機的IIC 接口，對MAX30102 內部的寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，就可以得到轉換后的光強度數值。最后通過(guò)相應的處理算法，計算出心率值和血氧飽和度。ESP8266 是一個(gè)完整且自成體系的Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò )解決方案, 能夠獨立運行，也可以作為slave 搭載于其他Host運行。ESP8266強大的片上處理和存儲能力,使其可通過(guò)GPIO 集成傳感器及其他應用的特定設備, 實(shí)現了最低的前期開(kāi)發(fā)和運行中最少占用系統資源。

Wi-Fi 和服務(wù)器連接方法/ 步驟。

第一步：首先打開(kāi)串口助手，連接好無(wú)線(xiàn)模塊。

第二步：發(fā)送AT+RST重啟模塊。

第三步：發(fā)送AT+CIPCLOSE 關(guān)閉TCP/UDP/SSL傳輸。

第四步：發(fā)送AT+CWMODE=1設置Wi-Fi 模式為Station模式。

第五步：發(fā)送AT+CWDHCP=1 設置DHCP。

第六步：發(fā)送AT+CWJAP=“無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )名”，“無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )密碼”加入Wi-Fi。

第七步：發(fā)送AT+CIPSTART=“TCP”,"broker.emqx.io",1883 連接服務(wù)器。

3   軟件程序設計

3.1 開(kāi)發(fā)工具

基于c 語(yǔ)言、java script、Python 等編程語(yǔ)言，結合使用多種軟件實(shí)現系統功能。其中主要使用keil5 提供清晰直觀(guān)的操作界面，使用起來(lái)十分的輕松便捷，并具備編譯器、編譯器、安裝包和調試跟蹤。

3.2 數據采集部分

（1）酒精檢測

代碼的設計思路：通過(guò)MQ-3氣體傳感器模塊檢測酒精濃度并發(fā)送模擬電壓， 這樣可以利用STM32的ADC模塊采樣收集數據，將模擬量轉化為數字量，計算酒精濃度。

判斷其檢測濃度是否超過(guò)設定閾值，超過(guò)閾值則發(fā)出警告并實(shí)現自動(dòng)撥號。

（2）疲勞檢測

代碼設計思路：首先初始化臉部位置和臉部特征位置的檢測器，打開(kāi)攝像頭，從視頻流讀取圖片，進(jìn)行灰度化處理；將獲取臉部特征位置的信息并轉換為array數組的格式，使用矩形框標注人臉；檢測人眼位置信息；檢測眼睛長(cháng)/ 寬是否大與閾值；獲取人嘴的位置信息；通過(guò)坐標點(diǎn)的距離來(lái)判斷是否張嘴及張嘴時(shí)間；獲取實(shí)時(shí)頭部姿態(tài)的旋轉角度Yaw，Pitch 和Roll。通過(guò)這一系列動(dòng)作檢測駕駛員狀態(tài)，并設定閾值，超出則發(fā)出語(yǔ)音警告。

（3）血氧心跳采集

代碼設計思路：通過(guò)MAX30102 模塊獲取心率和血氧的數據，將測得的數據通過(guò)I2C 傳送至MCU 并通過(guò)一系列的算法計算，將計算后的數據顯示在OLED 屏幕上。之后通過(guò)MQTT 將數據上傳至公共服務(wù)器，生成健康報表發(fā)至用戶(hù)APP，同時(shí)通過(guò)SIM900A 模塊的短信及撥號功能聯(lián)系用戶(hù)手機。

驅動(dòng)MAX30102 模塊重要的是寄存器函數和讀寄存器數據的函數，并初始化模塊進(jìn)行數據采集，最后計算。MAX30102 傳感器上具有紅光(660 nm) 和紅外光(880 nm) 兩個(gè)LED, 人體氧合血氧蛋白和非氧合血氧蛋白對這兩個(gè)不同波長(cháng)的光吸收率的差異較為明顯，可以據此得出血氧飽和度。

（4）智能終端

將收集到的數據發(fā)送給ESP8266，再通過(guò)ESP8266將數據傳給服務(wù)器，服務(wù)器將其發(fā)送給訂閱的用戶(hù)和小程序，實(shí)現數據傳輸，用戶(hù)可以實(shí)時(shí)查看各項數據指標。

圖7 流程圖

4   結語(yǔ)

基于鴻蒙的智能安全駕駛監測系統除了可以實(shí)現操作的流暢性，最重要的是可以把搭載了鴻蒙操作系統的智能設備全部連接起來(lái)。駕駛員的親人能夠實(shí)時(shí)監測駕駛員的行駛過(guò)程、健康狀況等信息，能將有關(guān)駕駛員的安全信息做到共享，并及時(shí)為駕駛員提供預警服務(wù)，從而減少因酒駕和疲勞駕駛造成的交通事故，保障駕駛員的生命財產(chǎn)安全。同時(shí)，本智能安全駕駛監測系統安裝簡(jiǎn)單，成本較低，有很好的實(shí)用性。

參考文獻：

[1] 郭德財,彭石林.基于海思芯片與鴻蒙操作系統的智慧灌溉系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2022,22(03):11-15.

[2] 王秀,周楓曉,劉保羅,等.基于Dlib庫的駕駛員疲勞駕駛檢測系統[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2021,11(12):26-29.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2022年10月期）