驾乘人员安全带智能检测系统设计

曾心远，张正华，钱 锦

(扬州大学 信息工程学院，江苏 扬州 225127)

0 引言

近年来客车事故频繁发生，因未正确佩戴安全带的死亡率高达80%[1]。正确佩戴安全带可有效降低死亡率[2]，每年至少可以挽救1 000人的生命，减少直接财产损失达2亿人民币[3]。目前，国内外研究的安全带检测装置，均采用经典的提醒装置[4]，由车速传感器、仪表盘、带扣传感器、点火钥匙、直流电源和车载控制器6个模块构成。但安全带提醒装置主要检测驾驶位和副驾驶位，缺少对于驾乘人员统一的检测和管理。

针对此缺陷，国内外学者进行了大量研究。郭海涛等[4]针对传统安全带提醒装置无法提醒除驾驶员和副驾驶的不足，提出一种以物联网为技术手段的提醒装置，可同时提醒车内所有驾乘人员，比视频监控更加有效。胡冻三等[5]将安全带提醒系统、车票识别系统以及站口闸道控制系统融合为一个整体，不仅可以提醒驾乘人员系好安全带、快速识别座位号，还可以让客车更方便快捷地通过闸道。文献[6]设计的系统进一步加大了对安全带安全性的检测，通过乘客座位上的压感传感器和安全带的扣带传感器，检测此座位是否坐着驾乘人员，并且是否扣好安全带。然后将检测结果通过无线传输的方式发送到车辆的远程控制端，此方法更加安全有效。傅生辉等[7]考虑对安全带进行定位，对道路监控图像进性剖析，提出一种基于梯度变换的安全带定位方法，将其转化为单线梯度定位计算，具有较强的适用性。M.A.Regan等[8]研究了安全带提醒对驾驶性能的影响，建立安全带正确确认系统，可以进一步改善已经佩戴安全带乘客的安全带佩戴正确率。H.Gupta等[9]将道路允许最大行驶速度和安全带结合起来，达到安全行驶的目的。J.Yongquan[10]等，利用CNN网络提高检测驾乘人员的安全带佩戴信息的检测率。综上所述，安全带报警装置朝着无线监控、自动化、智能化方向发展。

针对以上研究的不足，本文从低成本、低功耗、抗干扰性等方面出发，采用分布式结构，将多个传感器分布在各个座椅上，用来检测驾乘人员安全带的佩戴情况，再利用ZigBee组网技术，单个终端节点给传感器分配地址，通过无线传输的方式获取每个传感器的状态，并将驾乘人员的安全带使用情况显示在车载显示屏上，驾驶员可以更加快捷直观地获得相应的信息。

1 系统模型设计

1.1 安全带智能检测原理

本文采用座椅薄膜压力传感器、安全带锁扣传感器检测驾乘人员的入座及安全带佩戴情况。座椅薄膜压力传感器的触点均匀分布在座椅的受力表面，驾乘人员入座时，产生触发信号；安全带锁扣传感器中有一个微动开关，锁舌没有插入时，开关闭合，产生触发信号。

由于客车驾乘人员数量多，容易忽视佩戴安全带或应付检查后解除安全带。终端将传感器检测结果分为入座/未佩戴安全带、入座/佩戴安全带、未入座/佩戴安全带和未入座/未佩戴安全带4种情况，其中第2和第4种为安全情况；第1和第3种则触发报警器报警，如表1所示。

表1 检测结果分类

1.2 系统整体设计

系统框架如图1所示。以50座客车为例，系统采用ZigBee组网技术[11]，通过10个终端及对应传感器，采集各驾乘人员的入座情况及安全带佩戴情况，一方面终端控制报警器报警，另一方面协调器将终端发送的数据预处理，并传输至嵌入式车载系统，在显示器上生成可视化座椅表。

图1 系统框架

2 终端节点

终端节点硬件如图2所示。终端节点微控制器采用CC2530F256芯片[12]，为5个座椅的5个安全带锁扣传感器、压力传感器分配引脚地址，根据引脚接收传感器的触发信号，判断各座椅驾乘人员的安全带佩戴情况，并控制报警器报警。ZigBee无线模块采用RF2530A芯片[13]，用于将微控制器采集的信息传输至协调器节点。

图2 终端节点硬件

终端节点的工作流程如图3所示。

图3 终端节点流程

首先，引脚初始化，第1组安全带锁扣传感器、薄膜压力传感器、报警器分配引脚PIN1，PIN2，PIN3，依次类推分配5组，则有PIN1～PIN15处于工作状态。

其次，检测PIN1PIN2，PIN4PIN5，PIN7PIN8，PIN10PIN11和PIN13PIN14，5组引脚电平，将检测结果分为4类情况，以PIN1PIN2为例：① PIN1高电平、PIN2高电平，则为驾乘人员入座，未佩戴安全带；② PIN1低电平、PIN2高电平，则为驾乘人员入座，佩戴安全带；③ PIN1低电平、PIN2低电平，则为驾乘人员未入座，佩戴安全带；④ PIN1高电平、PIN2低电平，则为驾乘人员未入座，未佩戴安全带。其中，第②，④类情况为安全情况；第①，③类情况为报警情况。

然后，根据上一步判别的结果，为PIN3，PIN6，PIN9，PIN12，PIN15分配高低电平控制报警器报警。以PIN3为例：若为上一步中第②，④类情况，则分配PIN3低电平，报警器不工作；若为上一步中第①，③类情况，则分配PIN3高电平，报警器工作。

最后，终端节点将终端ID、5个乘客的4类状况存入数组，并通过ZigBee网络将数组数据发送至协调器。

3 协调器及嵌入式车载系统

协调器、嵌入式车载系统硬件如图4所示。协调器节点微控制器采用CC2530F256芯片，ZigBee无线模块采用RF2530A芯片，嵌入式车载系统[14]采用Up squared作为车载芯片。终端节点采集的数据进行预处理并通过串口传输至嵌入式车载系统；嵌入式车载系统接收协调器节点数据预处理后的信息，在显示屏上将安全带佩戴情况可视化[15]。

图4 协调器、嵌入式车载系统硬件

数据预处理方法，以终端1，2检测结果为例：若终端1检测的第1～5位驾乘人员均佩戴安全带，即第②类情况，则格式化为1∶22 222；若终端2检测的第6～10位驾乘人员均未佩戴安全带，即第①类情况，则格式化为2∶11 111。

结合上述例子及如图5所示的可视化座椅表，显示屏可视化安全带佩戴情况的方法如下：

图5 可视化座椅表

首先，绘制可视化座椅表。

然后，嵌入式车载系统利用串口接收协调器数据，根据终端ID及相应终端发送的数据，为座椅填充颜色，以表示驾乘人员4种安全带佩戴情况，具体为：

终端1采集座椅1～5的数据，终端2采集座椅6～10的数据，以此类推。第1类情况，驾乘人员入座，未佩戴安全带，座椅为红色；第2类情况，驾乘人员入座，佩戴安全带，座椅为绿色；第3类情况，驾乘人员未入座，佩戴安全带，座椅为橙色；第4类情况，驾乘人员未入座，未佩戴安全带，座椅为灰色；若无相应座位的数据，则座椅默认为灰色；以协调器节点发送1∶22 222，2∶11 111为例，座椅1～5号为绿色，座椅6～10号为红色，其余座椅为灰色。

4 结束语

驾乘人员安全带智能检测系统利用单个终端节点采集多个驾乘人员信息，大型客车可节省约40%硬件成本，采用低功耗CC2530系列芯片，可有效降低系统功耗，节约电源成本；利用ZigBee无线组网技术，可减少布线；通过报警器或可视化界面提醒驾乘人员佩戴安全带，可有效提高驾乘人员的安全带佩戴率，以此保障驾乘人员的安全，减少事故中由于未佩戴安全带而造成的财产损失和人员伤亡。可用于交通部门的违规检查，分析交通事故的成因。为车管部门提供客车新领域的应用方案，为未来无人驾驶应用场景下的驾乘人员安全检测提供方案。