汽車(chē)安全衛(wèi)士，包括酒精檢測(cè)，疲勞檢測(cè)，空氣質(zhì)量檢測(cè)

一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

本方案基于Atmel Studio 5及AVR平臺(tái)，設(shè)計(jì)一個(gè)融合酒精檢測(cè)、疲勞檢測(cè)和車(chē)內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)為一體的汽車(chē)安全衛(wèi)士系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)駕駛員呼出氣體的酒精濃度檢測(cè)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(jiān)控駕駛員的眼睛狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)駕駛員出現(xiàn)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(duì)汽車(chē)內(nèi)部的CO、CO₂、O₂等氣體參數(shù)監(jiān)測(cè),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(xiàng)目背景

據(jù)我國(guó)交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)：2009年，全國(guó)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(cái)產(chǎn)損失9.1億元。其中酒后駕駛、疲勞駕駛等嚴(yán)重違法行為是導(dǎo)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(nèi)酒精濃度的檢測(cè)，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(tǒng)在汽車(chē)啟動(dòng)之前進(jìn)行酒精濃度檢測(cè)、預(yù)警；對(duì)于疲勞檢測(cè)，目前國(guó)內(nèi)這方面產(chǎn)品很少，比較有代表性的就是去年南京遠(yuǎn)驅(qū)科技有限公司推出的gogo850平安行，但是此產(chǎn)品只能預(yù)警，并不能在必要的時(shí)刻采取相應(yīng)的強(qiáng)制措施。故該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，不僅考慮到預(yù)警機(jī)制，還在預(yù)警無(wú)效后強(qiáng)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(cái)產(chǎn)損失。

1.3 系統(tǒng)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(cè)、預(yù)警；

（2）疲勞檢測(cè)預(yù)警無(wú)效后，必要時(shí)刻強(qiáng)制汽車(chē)緩慢減速；

環(huán)保性：

（1）檢測(cè)空氣質(zhì)量，改善駕車(chē)環(huán)境；

（2）系統(tǒng)安全，低功耗，無(wú)污染；

二、需求分析

2.1 功能要求

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)三大功能：通過(guò)酒精監(jiān)測(cè)避免酒后駕駛；通過(guò)人眼狀態(tài)監(jiān)測(cè)避免疲勞駕駛；通過(guò)車(chē)內(nèi)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)優(yōu)化駕車(chē)環(huán)境。

功能一：酒精檢測(cè)。在汽車(chē)啟動(dòng)之前對(duì)駕駛員附近空氣中酒精濃度進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到空氣中酒精含量大于0.095mg/L（對(duì)應(yīng)駕駛者每毫升血液中酒精含量大于或等于0.2mg——我國(guó)酒后駕車(chē)的判定標(biāo)準(zhǔn)），系統(tǒng)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(yù)警。此時(shí)，系統(tǒng)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(cè)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)駕駛者疲勞狀態(tài)，如果駕駛者疲勞，先向駕駛員發(fā)出預(yù)警，同時(shí)通過(guò)緊急信號(hào)燈提醒周?chē)?chē)，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入緊急模式；預(yù)警后再次檢測(cè)，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(jí)。

功能三：車(chē)內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)內(nèi)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(nèi)空氣質(zhì)量不合格，則向駕駛者發(fā)出預(yù)警。

2.2 性能要求

（1）汽車(chē)啟動(dòng)前靈敏、準(zhǔn)確的檢測(cè)車(chē)內(nèi)酒精濃度。

（2）汽車(chē)啟動(dòng)后，全程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)駕駛者疲勞狀態(tài)，準(zhǔn)確獲得駕駛者的睜閉眼次數(shù)及時(shí)間。

（3）整個(gè)系統(tǒng)要求安全、穩(wěn)定，功耗小，無(wú)污染。

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

圖1 系統(tǒng)功能圖

3.1.1酒精檢測(cè)

（1）數(shù)據(jù)采集

通過(guò)酒精傳感器對(duì)車(chē)內(nèi)酒精濃度進(jìn)行采集。經(jīng)過(guò)對(duì)性能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)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(wěn)定性好、反應(yīng)速度快，生產(chǎn)成本相對(duì)較低，適合于大量生產(chǎn)的半導(dǎo)體酒精傳感器作為采集工具。該傳感器就是將酒精濃度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)輸出。圖2為半導(dǎo)體酒精傳感器的工作原理圖：

圖2 酒精傳感器工作

（2）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

將采集到的數(shù)據(jù)送入系統(tǒng)終端進(jìn)行分析計(jì)算并采取相應(yīng)措施。因?yàn)槿孙嬀茣r(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(cè)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(xiàn)出一定比例關(guān)系的原理，通過(guò)采集來(lái)的數(shù)據(jù)，計(jì)算出受測(cè)者血液中的酒精含量。

3.1.2疲勞檢測(cè)

目前，對(duì)于疲勞程度的判斷主要通過(guò)檢測(cè)人眼狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。該方法主要包括三部分：人眼定位，參數(shù)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(tǒng)將攝像頭嵌入頭盔中，實(shí)現(xiàn)對(duì)人眼區(qū)域的固定定位。下面對(duì)數(shù)據(jù)采集和處理兩部分的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行具體說(shuō)明：

圖3 疲勞檢測(cè)流程

（1）數(shù)據(jù)采集
通過(guò)攝像頭獲得駕駛員眼睛狀態(tài)的圖像數(shù)據(jù)，預(yù)處理后將其通過(guò)無(wú)線傳輸模塊送入系統(tǒng)終端。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)精度和準(zhǔn)確度等實(shí)際要求，通過(guò)其他方式采集更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。

（2）數(shù)據(jù)分析處

通過(guò)對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出評(píng)測(cè)疲勞程度的PERCLOS參數(shù)——該參數(shù)由美國(guó)聯(lián)邦公路管理局研究得到，被公認(rèn)為是檢測(cè)人類(lèi)疲勞最可靠、最有效的方法，具有很高的準(zhǔn)確度——PERCLOS表征一定的時(shí)間內(nèi)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(yán)重。系統(tǒng)將計(jì)算出來(lái)的PERCLOS參數(shù)值和預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較判別疲勞程度，采取相應(yīng)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(yīng)用在汽車(chē)上，而新興的電子控制自動(dòng)變速器更是現(xiàn)在發(fā)展的熱門(mén)。其主要特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)一機(jī)多參數(shù)控制，并在此基礎(chǔ)上將控制變速器的微機(jī)與控制發(fā)動(dòng)機(jī)的微機(jī)合并在一起，實(shí)現(xiàn)其綜合控制。一機(jī)是指采用單一微機(jī)控制，多參數(shù)是指輸入微機(jī)的控制參數(shù)多元化，即控制參數(shù)不僅有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車(chē)速、節(jié)氣門(mén)開(kāi)度等信號(hào)，而且有反映發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器工作環(huán)境、車(chē)輛行駛環(huán)境的信號(hào)，這些參數(shù)能全面反映發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器的實(shí)際工況。多規(guī)律是指控制微機(jī)中同時(shí)存儲(chǔ)多種換擋規(guī)律，如最佳經(jīng)濟(jì)性和最佳動(dòng)力性換擋規(guī)律等。傳統(tǒng)的自動(dòng)變速系統(tǒng)框圖如下：

圖4 傳統(tǒng)的自動(dòng)變速系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)將PERCLOS參數(shù)作為微機(jī)輸入控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)必要時(shí)汽車(chē)減速控制：汽車(chē)啟動(dòng)后，通過(guò)PERCLOS參數(shù)判斷司機(jī)的疲勞狀態(tài)，若超過(guò)閾值，首先向駕駛者發(fā)出報(bào)警信號(hào)，此時(shí)系統(tǒng)仍然處于實(shí)時(shí)檢測(cè)狀態(tài)，若一定時(shí)間內(nèi)警告無(wú)效，則微機(jī)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(nèi)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

由于汽車(chē)是一個(gè)封閉的小環(huán)境，對(duì)空氣質(zhì)量的自我調(diào)節(jié)能力差，可能導(dǎo)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(tǒng)對(duì)CO、CO₂、O₂這三種關(guān)鍵氣體進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。

車(chē)內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理和酒精檢測(cè)系統(tǒng)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(shù)據(jù)；然后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較。如果某項(xiàng)指標(biāo)不合格，發(fā)出預(yù)警。

3.2 硬件平臺(tái)選用及資源配置

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

EVK1105（EVK1100）包括FLASH程序存儲(chǔ)器、看門(mén)狗、EEPROM、同/異步串行口、TWI、SPI、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等，并且擁有門(mén)類(lèi)齊全的中斷系統(tǒng)，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(jì)數(shù)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(tǒng)μC/OSII（micro controller operating system）是專(zhuān)為微控制器系統(tǒng)和軟件開(kāi)發(fā)而設(shè)計(jì)的公開(kāi)源代碼的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，是一段微控制器啟動(dòng)后首先執(zhí)行的背景程序，作為整個(gè)系統(tǒng)的框架貫穿系統(tǒng)運(yùn)行的始終。該嵌入式系統(tǒng)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?yàn)楸咀髌分猩婕暗皆S多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所以移植實(shí)時(shí)性高，穩(wěn)定性好μC/OSII無(wú)疑可以大大提高系統(tǒng)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?xì)怏w傳感器

AT86RF231或AT86RF212射頻模塊

汽車(chē)模型

3.3 系統(tǒng)軟件流程

汽車(chē)車(chē)門(mén)打開(kāi)后，系統(tǒng)自動(dòng)初始化，液晶顯示器顯示當(dāng)前的車(chē)內(nèi)環(huán)境的酒精、CO、CO₂、O₂濃度。如果檢測(cè)到酒精濃度超標(biāo)，系統(tǒng)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(cè)到CO、CO₂、O₂濃度超標(biāo)，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(shí)別的疲勞檢測(cè)系統(tǒng)初始化，并對(duì)人眼狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集、分析，并做出相應(yīng)的處理。其對(duì)應(yīng)的軟件流程圖如下：

圖6 軟件流程圖

3.4 系統(tǒng)預(yù)期效果

汽車(chē)安全衛(wèi)士預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)：?jiǎn)?dòng)前，通過(guò)對(duì)酒精濃度的檢測(cè)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(hào)，使小車(chē)緩慢減速；同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)車(chē)內(nèi)環(huán)境的氣體參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示，必要時(shí)提醒駕駛員采取相應(yīng)的措施改善車(chē)內(nèi)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(yù)設(shè)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(yàn)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(hào)。具體為： 實(shí)驗(yàn)者輕輕眨動(dòng)眼睛，系統(tǒng)沒(méi)有產(chǎn)生反應(yīng)，但是當(dāng)人眼一次閉合時(shí)間達(dá)到3-4秒時(shí)，汽車(chē)的警報(bào)響起，提示實(shí)驗(yàn)者謹(jǐn)慎駕駛，如果實(shí)驗(yàn)者在提醒后依然處于之前的“瞌睡狀態(tài)”，系統(tǒng)就會(huì)向小車(chē)發(fā)出制動(dòng)信號(hào)，小車(chē)將慢慢減速。

與此同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)車(chē)內(nèi)（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(jiān)測(cè)并顯示，當(dāng)氣體濃度不超標(biāo)時(shí)，傳感器采集到的數(shù)據(jù)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(yīng)裝置，提高容器里面的CO₂濃度，系統(tǒng)出現(xiàn)語(yǔ)音提示：“CO₂濃度過(guò)高，影響您的駕駛狀態(tài)，請(qǐng)開(kāi)窗通風(fēng)”。