基于人机互动的疲劳驾驶监测预警系统设计

薛兴乐， 高启超， 张 震， 刘刘喆， 甄慧宽， 白 宇

(东北林业大学交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

公安部交管局公布数据显示，截至2019年6月底，我国汽车保有量已达2.5亿辆，千人汽车保有量第一次超过世界平均水平。疲劳驾驶一直是造成交通事故的重大安全隐患，据调查统计，2013年我国发生了近20万起交通事故，其中约20%是由疲劳驾驶造成的，在高速公路发生的重特大交通事故中，40%以上是由疲劳驾驶造成的[1]，如何有效预警疲劳驾驶具有重大现实意义。

司机疲劳驾驶时可能会出现以下异常特征：反应能力降低，动作变得呆滞，操作容易失误等。如果将司机疲劳驾驶状态分成轻度疲劳、中度疲劳和重度疲劳三种，则三种状态下分别可能会出现以下异常驾驶情况：不及时转换档位，不准确地转动转向盘方向；操作动作呆板，甚至盲目操作；忘记操作或短时进入瞌睡状态，可能造成车辆失控[2]。假如司机疲劳时仍继续驾驶车辆，则极易发生交通事故。针对疲劳驾驶影响交通安全问题，国内外许多团队和公司都致力于疲劳驾驶监测系统的研发并取得了一些成果。目前国内外主要通过检测司机生理状态信息 、司机头部及面部特征以及检测车辆行驶状态特征等方法来检测疲劳驾驶[3]。国内外防疲劳驾驶研究分析如图1所示。

图1 国内外防疲劳驾驶研究分析

然而，上述这些评估方法目前在中国市场并不适用，这是因为司机身体行为特征与车辆行驶特征具有个体差异性，识别司机疲劳驾驶状态十分困难；由于设备昂贵导致大部分人承担不起这些设备的费用；由于上述方法提醒驾驶员时只是机器单向提醒，用户与机器没有双向互动交流，所以提醒效果无法检验且不明显。本文基于人机互动模式，采用以STC89C52单片机为控制核心的硬件设备，对检测和预警疲劳驾驶的方式进行了设计。

1 系统基本结构

疲劳驾驶检测系统包括：信息收集模块，即安装在方向盘上3点和9点钟方向的触摸应答感应片、汽车行驶时间记录器以及GPS模块；提醒与报警模块，即设置在方向盘内的振动马达、设置在车上的声响警告蜂鸣器；控制模块，即STC89C52单片机；通信模块，即GSM通信模块。疲劳驾驶检测系统模块组成如图2所示。

图2 疲劳驾驶检测系统模块组成

系统工作原理为单片机发出控制信号，监测时间和周期由驾驶员预先设定，监测信号由振动马达和蜂鸣器发出，根据驾驶员是否及时回应来判断是否开启警报模式，驾驶员回应方式为触碰安装在方向盘3点和9点钟方向的触摸传感模块，警报信号也由振动马达和蜂鸣器发出。当检测到驾驶员处于严重疲劳驾驶状态，即驾驶员连续长时间不回应时，系统通过GSM模块联系预设的紧急联系人。同时系统结合GPS模块收集车辆位置信息，进而推荐合适的行驶路线与休息方案。系统还通过对监测数据的储存与处理，定期生成驾驶行为报告。系统实物模型如图3所示。

图3 系统实物模型

2 系统硬件设计

系统微处理器选用STC89C52 RC单片机，其具有低耗能、高性能的特点，是具有8 K字节系统可编程Flash存储器的CMOS8位微控制器。该处理器使用改进后的MCS-51内核，可以高效完成许多复杂的任务[4]。

STC89C52RC单片机作为控制中枢，负责收集各硬件传来的信息并做进一步处理，发出监测与警报信号，生成驾驶员驾驶行为报告等。控制单元STC89C52RC单片机最小系统电路原理如图4所示。

图4 控制单元STC89C52RC最小系统原理

传感器选用TTP223触摸传感器，其具有应用电压范围宽的特点，选择范围在2.4～4.5 V之间；灵敏度高，灵敏度调节原理为调节电容容值，电容容值越大，灵敏度越高[5]；具有较好的抗电源干扰特性，EFT可超过±2 kV。

蜂鸣器采用MH-FMG无源蜂鸣器模块，其驱动方式为S8550三极管驱动，触发方式为低电平触发，内部不带有震荡源，需用2～5 K的方波驱动，可以调控声音的频率。

电机驱动采用电机MX1508驱动模块，内置地导通内阻MOS开关管，低功耗、发热少，供电电压范围是2～10 V，可以同时驱动两个直流电机，并可以实现正反转和调速。模块配有防共态导通电路，如果出现输入端悬空的现象，可以避免电机误动作产生不良后果。除此之外，模块设计了过热保护电路，其具有迟滞效应，可以避免电机堵转时的危害[6]。直流电机MX1508驱动模块电路原理图如图5所示。

3 系统软件设计

主要利用 C 语言在微控制器STC89C52上完成系统软件设计，目的是实现对系统硬件的信息收集处理与控制。系统工作流程示意图如图6所示，车辆正常行驶的同时系统启动，系统可根据驾驶员状态，分别设置日间行车和夜间行车的监测频率，比如日间每隔30 min监测一次，夜间每隔15 min监测一次(规定最小监测时间间隔为3 min，最大为50 min)，监测方式为由控制单元发出声响警告或进行方向盘振动提示，系统监测后驾驶员需要触碰预设置在方向盘上3点和9点钟方向的触摸应答感应片给予回应，系统基于此判断驾驶员是否疲劳驾驶。若驾驶员无及时回应，则监测系统提高监测频率，并开始采取加大方向盘振动强度、长时语音提醒、发出警报(警报响度随驾驶员未回应时间的累积而提高)、方向盘上彩色LED灯闪烁等警告方式，以帮助驾驶员避免疲劳驾驶，为广大驾驶员的行车安全保驾护航。而且若系统检测到汽车连续行驶超过4 h(或者途中怠速或停车不超过20 min)，会发出一定响度的警报，督促驾驶员尽快找到较适宜的地点停车休息。若驾驶员长时间不回应，系统通过GSM模块联系其紧急联系人，通知其介入帮助驾驶员远离疲劳驾驶状态。同时系统结合GPS模块对车辆进行定位，推荐合适的休息方案与行驶路线，并通过GSM模块发送到驾驶员的手机上。系统通过对监测数据的储存与处理，可以定期生成驾驶行为报告，并通过GSM模块发送给相关联系人。实验证明，本系统可以有效监测并预警疲劳驾驶。

图6 系统工作流程示意图

4 结束语

本系统采用人机互动模式，单片机作为控制单元，监测时间和周期由驾驶员预先设定，监测信号由振动马达和蜂鸣器发出，根据驾驶员是否及时回应来判断是否开启警报模式。同时系统融合通信模块与大数据处理，可以向指定用户发送信息或报告情况，还可以生成驾驶行为报告。实验表明本系统能够及时有效监测并预警疲劳驾驶，与其他防疲劳驾驶系统相比，本系统性价比高，具有较高的实用性。