驾驶员疲劳检测无线传感网络系统探讨

高昱

[摘 要]随着无线传感网络技术的不断发展，基于无线传感网络的应用研究广泛地深入到工业、军事、环境监测、医疗卫生和智能交通等领域。驾驶员疲劳检测无线传感网络系统是其典型应用之一，其目标就是通过驾驶员的生理学和行为学特征的感知，对其疲劳状态进行定性的智能分析，实现自动化预警，保证交通安全。本文首先给出了系统的构成，进而对系统建设的关键性问题进行分析，并提出了相应的方案。研究内容是后期实际应用开发的首要任务和理论基础，具有重要的意义。

[关键词]无线传感；疲劳检测；驾驶员；网络系统

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.24.092

[中图分类号]TP391.41 [文献标识码]A [文章编号]1673-0194（2016）24-0-02

驾驶员疲劳检测是疲劳驾驶预警系统的核心，其目标是针对驾驶员的生理和行为特征（包括眼睛、表情、脉搏、手脚反映等）进行持续监测，并进行数据的实时分析，对驾驶员的疲劳状态给出定性的分析。疲劳驾驶是造成交通安全事故的主要因素之一，先进、成熟、科学的疲劳驾驶检测，对交通安全具有重要意义，也已成为现今的研究热点。

无线传感器网络通过分布式的末梢传感器感知、采集和分析外部环境对象状态的改变，并通过无线通信方式进行网络组建。无线传感器网络的发展得益于微机电系统（Micro-Electro-Mechanism System，MEMS）、片上系统（System on Chip， SoC）、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展。由于传感器的多样性，可以采集温度、湿度、成分、运动形态与生理特性等各式各样的信息，因此具有广阔的应用前景，在医疗护理领域的应用是其主要发展方向之一，驾驶员疲劳检测无线传感网络系统应用无线传感器网络技术检测驾驶员的生理及行为特征，并在信息中心进行分析和处理，形成智能预警，服务于交通安全。

1 驾驶员疲劳检测无线传感网络系统构成

图1给出了驾驶员疲劳检测无线传感网络系统构成。其中主要包括三个部分：感应区域内的感知结点、起到汇聚控制传输作用的汇聚结点、以智能移动设备为终端的智能监控决策中心管理结点。

感应区域内的感知结点具有特定数据采集能力，能实现简单特征数据的临时存储，并能通过无线网络与其他结点或路由汇聚结点通信，实现数据传输。每个感知结点根据其特定的采集任务进行选择与配置。

起到汇聚控制传输作用的汇聚结点包括两个方面的功能：首先，其将无线传感器网络与外部的智能中心进行了有机连接，实现数据上传和下达；其次，汇聚结点具有相对感应结点较强的处理能力，能够分析处理感应结点的代码、安全密钥等信息，并进行密钥、入侵检测等安全处理。

智能监控决策中心管理结点即可以实现整个疲劳驾驶无线传感器网络的管理，又能够对收集的数据信息进行加工处理，是一个智能的数据处理中心，最终实时对驾驶员的疲劳程度做定性的分析和预警，其通用的终端形式多采用行车电脑或智能移动手机等。

2 驾驶员疲劳检测无线传感网络系统建设的关键点分析

2.1 疲劳检测指标的设定及数据采集

要实现驾驶员的疲劳检测首先要明确驾驶员的哪些生理特征能够反映出驾驶员的疲劳状态，即明确需要哪些传感器。卫兵 等给出通过生物电特征进行疲劳检测的分析和设计，魏凌一 等给出了基于面部图像特征和心跳、血压特征的疲劳检测设计。综合已有的研究结果和医学健康理论，疲劳特征主要包括两个方面：一方面是生理指标的改变（包括血压、心跳等）；另一方面是指生理行为特征（如闭眼、点头、呼吸与手脚移动等）。因此，系统要包括：面部变化视频传感器结点、心电感应结点、呼吸感应结点和手脚运动感应结点，并完成相应任务数据的采集。 2.2 网络及信息安全

网络及信息安全是无线传感器网络需要面对的直接问题。系统中的感应结点是低能耗设备，其存储能力、运算能力和通信能力受到严重的制约，如何抵御非法的外部入侵和DoS拒绝服务攻击是系统设计的重点问题。目前，解决网络及信息安全的主要方法有密钥管理和入侵检测。在无线传感器网络中密钥主要有三种形态：成对密钥、分组密钥和网络密钥，各自有其应用特征，都具有较高的安全性，但在计算量、空间需求、数据传输量方面很难满足传感器低计算、低存储、低传输的性能要求。无线传感器网络的入侵检测虽然已成为相应的研究热点，但研究成果并不多，其所关心的是基于攻击方式的识别。基于现状，一种无线传感器网络中动态密钥管理和入侵检测有机结合的模型和方法成为保证网络及信息安全的主要途径，如图2所示。

在方法模型中，首先通过算法实现合理的分组，进而在分组内检测异常行为和模式匹配，找出工作异常的感应结点。其次，采用组排除密钥算法为组内感应结点分配密钥，既保证空间需求的同时，为组内每一个感应结点建立直接的路径。发现非法结点存在时，管理结点建立新密要将非法结点排除。再次，高效、科学的入侵检测。入侵检测算法涵盖了已发现的全部攻击方式及被入侵后的恢复方法。而后，基于图论和博弈论加强入侵检测模块的布置优化，在组内构建用于检测的组内组。最后，促进组内管理感应结点与检测组内组的协作实现动态密钥与入侵检测的组内融合。 2.3 通信技术

无线传感器网络的网络传输基于五层协议：应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层，每一层都有其任务和分工。随着通信技术进步和研究的深入，目前，主流的无线传感器网络标准主要有IEEE 802.15.4、Zigbee、ISA100.11a及WIA-PA等。在实际应用中这些标准在适用性上都存在一定问题，如Zigbee接入互联网时需要复杂的应用层网关，也不能实现端到端的数据传输和控制。而后，相关研究者发现IPv6协议同样可以在无线传感器网络中应用，而且简单、安全。IPSO联盟推出了IPv6/6Lowpan协议可以实现端到端的无网关、低成本通信，未来很可能成为相应的主流标准。

2.4 智能管理平台应用开发

智能监控决策中心是集管理、数据存储、数据分析和智能决策的多功能信息化平台，其应用开发主要是针对移动智能设备和车载电脑的应用软件的开发。包括采集到数据的存储设计，尤其是针对采集到的非结构化数据（如图像、行为数据）的存储，既要考虑相应设备的存储能力还要顾及后期数据分析挖掘的实现难度。基于此，美国加州大学开发的tinydb无线传感器网络数据库依然是系统实现的首选。智能监控决策中心事实上还是一个疲劳度智能分析的决策系统，基于医学及生理特征的疲劳检测的模型库、算法库和专家库的建设也是重要内容。

3 结 语

驾驶员疲劳检测无线传感网络系统是无线传感网络和移动智能处理技术的综合性应用。针对驾驶员在驾驶过程中的医学及生物学生理特征对驾驶员的疲劳状态给出定性的分析和预警。其整个系统的设计和实现涉及感应器对相应医学、生物学生理特征的数据采集、各感应器采集信息的传输及网络组建。采集数据的无线网络上传和移动智能管理决策中心的处理与决策过程，是一个完整的信息化应用系统。本文对系统组成、系统设计的关键性问题进行了剖析，其研究内容是后期实际应用开发的理论基础，具有重要的意义。

主要参考文献

[1]卫兵，郭玉堂，张磊，等.基于生物电特征的驾驶员疲劳检测系统的设计研究[J].合肥师范学院学报，2016（3）.

[2]魏凌一.车辆驾驶员健康监控系统的研究与实现[D].北京：北京邮电大学，2012.

[3]司海飞，杨忠，王珺.无线传感网络研究现状与应用[J].机电工程，2011（1）.

[4]孔繁瑞，李春文.无线传感器网络动态密钥管理方法[J].软件学报，2010（7）.