基于人体脉搏的车辆防瞌睡系统设计

刘潇 于志恒 王殿梁 王公海 王炯焘 刘清凤 张新

【摘要】疲劳驾驶导致的瞌睡状态在日常生活中出现的频率越来越高，由此产生的交通事故也是屡见不鲜。基于人体脉搏与人的状态息息相关，研制了一种建立在人体脉搏信号的基础上并配合眼球检测仪检测防止驾驶员瞌睡的警报系统。

【关键词】人体脉搏 眼球检测仪 疲劳驾驶 防瞌睡

Abstract： The sleepiness caused by fatigue driving is more and more frequent in daily life， and the traffic accidents caused by the fatigue driving are also common. Based on the fact that human pulse is closely related to human condition， an alarm system is developed， which is based on human pulse signal and cooperates with eyeball detector to detect and prevent drowsiness of drivers.

Key words： Human pulse eyeball detector fatigue driving

drowsiness prevention

0 引言

現如今交通安全在我们生活中越发的重要，由于司机驾驶过程中瞌睡造成的交通事故的不断增长，人们逐渐关注起了驾驶疲劳这个问题。在目前市场上出现了一批新型的汽车防瞌睡装置，但此些防瞌睡装置在检测方面或多或少都存在着缺陷。

人体脉搏信号与人状态有着密切的联系，清醒状态和瞌睡状态的人体脉搏信号有着明显变化，而眼睛的瞳孔运动频率及睁闭眼时长可通过检测计算得出，基于这些，研制了一种新型汽车防瞌睡系统。

1防瞌睡系统设结构

本系统由测脉搏手环、心率传感器、眼球检测仪、功率放大器、滤波器、单片机、电流比较器、频率存储器、蜂鸣器、喷水雾装置等组成。

测脉搏手环内置心率传感器并运用蓝牙技术，能将所测得的驾驶员脉搏信息通过蓝牙无线传输至车载系统。

1.1工作原理

测脉搏手环佩戴于驾驶员手腕测量脉搏，通过蓝牙设备传输至车载系统。根据测得的脉搏信号进行自适应，对不同人体的脉搏信号差异自动调节清醒时与瞌睡时的脉搏信号频率区间。眼球检测仪实时监控驾驶员的瞳孔运动，处理后得到瞳孔运动频率信号。通过信号判断瞌睡状态及瞌睡时长并结合车速将信号分为四类，依次为：清醒状态、一级瞌睡状态、二级瞌睡状态和三级瞌睡状态。四种信号传递至单片机2均有不同的响应：清醒状态信号单片机2不工作;一级触发蜂鸣器报警和安全带松紧控制;二级引发蜂鸣器报警并结合空调吹风系统将刺激性无毒气体吹向驾驶员脸部;三级在触发二级基础上，使喷水雾装置将水雾喷至驾驶员脸部。该系统的装置流程图如图1。

2 人体脉搏信号的采集

测脉搏手环内侧布有Ag粒子电极，测量人体脉获得电信号，信号通过心率传感器得到脉搏信号并由蓝牙设备传输进入车载系统。而后脉搏信号经由功率放大器及滤波器进入信号比较单片机1，信号比较单片机1可将实时信号与此前五分钟内脉搏频率均值相比，一旦出现脉搏信号电流频率大幅下降则可初步判定驾驶员处于瞌睡状态。

2.1 脉搏存储

本实验通过测量大量不同年龄阶段人的脉搏频率电流，通过A/D转换器得到脉搏频率的测量值。同时将脉搏存储器1所存储的脉搏信号经A/D转换器得到正常值。针对所得的测量值、正常值及年龄，使用MATLAB进行拟合得到拟合图，如图2。

由MATLAB拟合图可以得出，所采集人群脉搏正常频率是65-95次/分钟，但在图中存在较大的频率波动阶段，这是由于本次实验并未对脉搏信号进行去噪过程造成的。

2.2 信号数字处理

人体脉搏信号的频率主要是在3～20HZ之间，为次声波，并且最高频率不高于40HZ。本实验的采样频率为f=125HZ，采样时间为t=10s，采样个数为N=1024个。脉搏信号经过滤波器滤波、采样保持器、A/D转换等处理后转换成数字信号，瞬时谱为：

计算后得出人群的数据离散波动比较小且符合正态分布，数据计算的结果与MATLAB拟合的结果相似，验证了数据的正确性。

3 人体瞳孔运动频率及睁闭时长

眼球检测仪实时监控驾驶员瞳孔的运动并处理得到驾驶员的瞳孔运动频率信号。此信号传递路线为—功率放大器—滤波器—信号比较单片机1。信号比较单片机1将驾驶员的所有瞳孔运动频率均值与实时频率比较，一旦驾驶者的瞳孔运动频率大幅下降，则结合人体脉搏频率变化判断驾驶员是否进入瞌睡。此外，信号单片机1会记录未接收到瞳孔运动频率信号时长即闭眼时长，当闭眼时长在单位时间内过长则结合脉搏信号判断驾驶员是否瞌睡。

4 比较单片机

比较单片机主要由电流比较器、频率存储器构成。电流信号经处理后流入比较单片机并一分为二流入电流比较器和频率存储器。根据两支路流出的电流经电流比较器后比较的结果向单片机2发送不同频率的电信号，单片机2根据接收到的电流信号不同造成不同的响应。比较单片机的结构流程图如图3。

5 结论

现如今汽车的普及率越来越高，疲劳驾驶的问题日益严峻。汽车防瞌睡装置的出现以及更新换代必不可少，若能够将这些装置不断完善并普及于人们的日常生活中，则能够减少疲劳驾驶事故的发生，增加行车的安全性。本系统在结合了前人研究设计的基础上进行了新的创新设计且对车辆结构并无太大影响，是一种新型有效的防瞌睡装置。

参考文献：

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[4]钱志鸿，刘丹.蓝牙技术数据传输综述[J].通信学报，2012，33（04）：143-151.

基金项目： 嘉兴学院南湖学院2019年度校级SRT计划项目计划“基于人体脉搏的车辆防瞌睡系统设计与开发”（项目编号：NH85179326）成果

作者简介：刘潇，（1999-），男，浙江建德人，本科在读。研究方向：机械制造及其自动化。