汽車安全衛(wèi)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Atmel Studio 5及AVR平臺，設(shè)計一個融合酒精檢測、疲勞檢測和車內(nèi)空氣質(zhì)量檢測為一體的汽車安全衛(wèi)士系統(tǒng)，通過對駕駛員呼出氣體的酒精濃度檢測判斷是否允許啟動汽車；并且在駕駛過程中實(shí)時監(jiān)控駕駛員的眼睛狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)駕駛員出現(xiàn)瞌睡等情況則會通過聲光提醒駕駛員以及附近車輛，必要時通過自動減速來確保駕駛員的人身安全。此外，通過對汽車內(nèi)部的CO、CO₂、O₂等氣體參數(shù)監(jiān)測,顯示氣體濃度并提醒駕駛員開窗，改善駕駛環(huán)境。

1.2 項目背景

據(jù)我國交通事故統(tǒng)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(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，只是在車禍發(fā)生后或臨時檢查時才進(jìn)行駕駛者體內(nèi)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(tǒng)在汽車啟動之前進(jìn)行酒精濃度檢測、預(yù)警；對于疲勞檢測，目前國內(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，并不能在必要的時刻采取相應(yīng)的強(qiáng)制措施。故該系統(tǒng)在設(shè)計時，不僅考慮到預(yù)警機(jī)制，還在預(yù)警無效后強(qiáng)制汽車緩慢減速，從最大限度上減少因酒后駕車給人們帶來的生命和財產(chǎn)損失。

1.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

創(chuàng)新性：

（1）汽車啟動之前進(jìn)行酒精濃度檢測、預(yù)警；

（2）疲勞檢測預(yù)警無效后，必要時刻強(qiáng)制汽車緩慢減速；

環(huán)保性：

（1）檢測空氣質(zhì)量，改善駕車環(huán)境；

（2）系統(tǒng)安全，低功耗，無污染；

二、需求分析

2.1 功能要求

該系統(tǒng)設(shè)計實(shí)現(xiàn)三大功能：通過酒精監(jiān)測避免酒后駕駛；通過人眼狀態(tài)監(jiān)測避免疲勞駕駛；通過車內(nèi)的空氣質(zhì)量監(jiān)測優(yōu)化駕車環(huán)境。

功能一：酒精檢測。在汽車啟動之前對駕駛員附近空氣中酒精濃度進(jìn)行檢測。當(dāng)檢測到空氣中酒精含量大于0.095mg/L（對應(yīng)駕駛者每毫升血液中酒精含量大于或等于0.2mg——我國酒后駕車的判定標(biāo)準(zhǔn)），系統(tǒng)斷開汽車點(diǎn)火開關(guān)，禁止啟動，同時發(fā)出語音提示或者預(yù)警。此時，系統(tǒng)仍處于工作狀態(tài)。反之，汽車正常啟動。

功能二：疲勞檢測。實(shí)時監(jiān)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(yù)警，同時通過緊急信號燈提醒周圍汽車，此時系統(tǒng)進(jìn)入緊急模式；預(yù)警后再次檢測，如果駕駛員仍處于疲勞狀態(tài)，則中央控制器自動向變速器發(fā)出控制指令，使汽車緩慢減速到較低等級。

功能三：車內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測。該系統(tǒng)可以實(shí)時監(jiān)測車內(nèi)的空氣質(zhì)量，并將氣體濃度通過顯示屏輸出。如果車內(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）汽車啟動前靈敏、準(zhǔn)確的檢測車內(nèi)酒精濃度。

（2）汽車啟動后，全程實(shí)時監(jiān)測駕駛者疲勞狀態(tài)，準(zhǔn)確獲得駕駛者的睜閉眼次數(shù)及時間。

（3）整個系統(tǒng)要求安全、穩(wěn)定，功耗小，無污染。

三、方案設(shè)計

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

（1）數(shù)據(jù)采集

通過酒精傳感器對車內(nèi)酒精濃度進(jìn)行采集。經(jīng)過對性能、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)殡娏餍盘栞敵?。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)行分析計算并采取相應(yīng)措施。因為人飲酒時，酒精被吸收，但并不會被消化，一部分酒精揮發(fā)出去，經(jīng)過肺泡，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呈現(xiàn)出一定比例關(guān)系的原理，通過采集來的數(shù)據(jù)，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檢測人眼狀態(tài)來實(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，為了克服這個缺點(diǎn)，本系統(tǒng)將攝像頭嵌入頭盔中，實(shí)現(xiàn)對人眼區(qū)域的固定定位。下面對數(shù)據(jù)采集和處理兩部分的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行具體說明：

圖3 疲勞檢測流程

（1）數(shù)據(jù)采集
通過攝像頭獲得駕駛員眼睛狀態(tài)的圖像數(shù)據(jù)，預(yù)處理后將其通過無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

通過對采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計算出評測疲勞程度的PERCLOS參數(shù)——該參數(shù)由美國聯(lián)邦公路管理局研究得到，被公認(rèn)為是檢測人類疲勞最可靠、最有效的方法，具有很高的準(zhǔn)確度——PERCLOS表征一定的時間內(nèi)眼睛閉合時間所占的比例；其值越大，駕駛者的疲勞程度越嚴(yán)重。系統(tǒng)將計算出來的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汽車自動變速

目前，自動變速器已經(jīng)廣泛應(yīng)用在汽車上，而新興的電子控制自動變速器更是現(xiàn)在發(fā)展的熱門。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)動機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、節(jié)氣門開度等信號，而且有反映發(fā)動機(jī)和變速器工作環(huán)境、車輛行駛環(huán)境的信號，這些參數(shù)能全面反映發(fā)動機(jī)和變速器的實(shí)際工況。多規(guī)律是指控制微機(jī)中同時存儲多種換擋規(guī)律，如最佳經(jīng)濟(jì)性和最佳動力性換擋規(guī)律等。傳統(tǒng)的自動變速系統(tǒng)框圖如下：

圖4 傳統(tǒng)的自動變速系統(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)必要時汽車減速控制：汽車啟動后，通過PERCLOS參數(shù)判斷司機(jī)的疲勞狀態(tài)，若超過閾值，首先向駕駛者發(fā)出報警信號，此時系統(tǒng)仍然處于實(shí)時檢測狀態(tài)，若一定時間內(nèi)警告無效，則微機(jī)控制單元會自動采取減速措施。以下是改進(jìn)后的自動變速器原理圖：

圖5 改進(jìn)后的自動變速器原理圖

3.1.4車內(nèi)空氣監(jiān)測系統(tǒng)

由于汽車是一個封閉的小環(huán)境，對空氣質(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CO、CO₂、O₂這三種關(guān)鍵氣體進(jìn)行了監(jiān)測。

車內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)原理和酒精檢測系統(tǒng)原理類似。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。如果某項指標(biāo)不合格，發(fā)出預(yù)警。

3.2 硬件平臺選用及資源配置

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，并移植嵌入式操作系統(tǒng)μC/OSII作為最終開發(fā)系統(tǒng)。

EVK1105（EVK1100）包括FLASH程序存儲器、看門狗、EEPROM、同/異步串行口、TWI、SPI、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、定時器/計數(shù)器等，并且擁有門類齊全的中斷系統(tǒng)，具備輸入捕獲和比較匹配輸出等多樣化功能的定時器/計數(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）是專為微控制器系統(tǒng)和軟件開發(fā)而設(shè)計的公開源代碼的搶占式實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，是一段微控制器啟動后首先執(zhí)行的背景程序，作為整個系統(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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所以移植實(shí)時性高，穩(wěn)定性好μC/OSII無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

汽車模型

3.3 系統(tǒng)軟件流程

汽車車門打開后，系統(tǒng)自動初始化，液晶顯示器顯示當(dāng)前的車內(nèi)環(huán)境的酒精、CO、CO₂、O₂濃度。如果檢測到酒精濃度超標(biāo)，系統(tǒng)會通過控制電子開關(guān)阻止汽車啟動，直到酒精濃度低于閾值才會開啟電子開關(guān)，允許啟動；如果檢測到CO、CO₂、O₂濃度超標(biāo)，會提醒駕駛員開窗通風(fēng)。啟動后，基于人眼狀態(tài)識別的疲勞檢測系統(tǒng)初始化，并對人眼狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時的采集、分析，并做出相應(yīng)的處理。其對應(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

汽車安全衛(wèi)士預(yù)計實(shí)現(xiàn)：啟動前，通過對酒精濃度的檢測來控制模型小車的啟動。在行駛的過程中，通過模擬人疲勞狀態(tài)下眼睛的閉合來產(chǎn)生疲勞信號，使小車緩慢減速；同時，系統(tǒng)對車內(nèi)環(huán)境的氣體參數(shù)實(shí)時監(jiān)測并顯示，必要時提醒駕駛員采取相應(yīng)的措施改善車內(nèi)空氣質(zhì)量，優(yōu)化駕駛環(huán)境。以下為具體模擬演示過程：

將酒精傳感器置于酒精濃度超過預(yù)設(shè)值的環(huán)境中，此時小車無法啟動，語音模塊發(fā)出語音提示“禁止酒后駕車”；反之，小車可以正常啟動。

在小車啟動后行駛的過程中，由實(shí)驗者帶上特制頭盔模擬人體瞌睡狀態(tài)下眼睛的閉合來產(chǎn)生疲勞信號。具體為： 實(shí)驗者輕輕眨動眼睛，系統(tǒng)沒有產(chǎn)生反應(yīng)，但是當(dāng)人眼一次閉合時間達(dá)到3-4秒時，汽車的警報響起，提示實(shí)驗者謹(jǐn)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(tǒng)就會向小車發(fā)出制動信號，小車將慢慢減速。

與此同時，系統(tǒng)對車內(nèi)（用一個大小合適的密閉空間來模擬）的CO、CO₂、O₂濃度實(shí)時監(jiān)測并顯示，當(dāng)氣體濃度不超標(biāo)時，傳感器采集到的數(shù)據(jù)將只是被簡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)語音提示：“CO₂濃度過高，影響您的駕駛狀態(tài)，請開窗通風(fēng)”。