防疲劳驾驶预警仪设计

防疲劳驾驶预警仪设计

王淑娇 ,陈晨

山东协和学院  山东济南 250109

摘  要：根据公安交管局的最新统计数据，2021年全国新注册登记机动车3674万辆，伴随着机动车辆数量的激增，出现了道路交通拥堵加剧、交通事故频发、交通环境恶化等问题。近年来疲劳驾驶是导致国内机动车交通事故增加的主要原因之一。所以建立一个合理、高效的疲劳预警系统，开发一种能够实现疲劳预警的设备，是目前所有的驾驶员和监管部门所关心的问题。

关键词：防疲劳  加速度  心率

1  引言

根据《2019年国民经济和社会发展公报》，中国有52388人因车祸而丧生，有275125人在交通事故中受伤，数字占到总数据的19%。从过去的资料来看，在众多的车祸中，疲劳驾车是最常见的车祸发生原因，其致死率高达10.9%[1]。根据WHO的数据，疲劳驾车是造成交通事故的一个重要因素死亡数量排在第九位。因此疲劳驾驶监控技术的研究已经受到世界范围内的广泛关注，以降低事故的发生，避免疲劳驾驶。

2 系统设计

2.1  主控制模块

STM32F103C8T6采用高性能ARMCortex-M332位RISC内核，其工作频率为72MHz，内嵌存储芯片（128KB Flash记忆体，20KB SRAM)，同时也为APB总线连接各种 I/O及外接装置。全部设备配备12位模数转换器2个，通用16位计时器3个，PWM计时器1个，同时还配备了2个SPI与I2C，USART3个，USB和CAN各1个。

最小系统由电源、晶振和复位组成。系统采用上电自动复位和手动按键复位两种方式。

2.2  MPU-6050传感器模块电路设计

MPU6050是一款6轴运动处理传感器。它由三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速传感器和DMP组成。用于获得待测物体（诸如平衡小车、四轴飞行器）x、y、z轴的倾角（俯仰角Pitch、翻滚角Roll、偏航角Yaw）。MPU6050 的六个数据采用 I2C 读取到（三轴加速度 AD 值和三轴角速度 AD 值）经过姿态融合后就可以得到 俯仰角、翻滚角、偏航角。

MPU6050运动传感器模块将GND引脚接地，电源正极连接到Vcc引脚上，模块串口的SCL，SDA引脚连接到STM32单片机的串口通信引脚。

2.3  MAX30102心率血氧模块

本设计加入了心率监测功能。设计使用DFRobot Gravity:MAX30102心率血氧传感器模块搭载了美信(maxim)的MAX30102心率血氧芯片和一颗集成心率血氧算法的微控制器，可以直接输出心率血氧数值。660nm红光LED、880nm红外光LED、光电检测器、光器件，以及带环境光抑制的低噪声电子电路是组成它的主要硬件。

2.4 USART HMI智能串口屏

串口屏是带有串口通信的TFT彩色液晶屏显示控制模组，可以连接PLC、变频器、温控仪表、数据采集模块等外部设备，利用显示屏显示相关数据，通过触摸屏、按键、鼠标等输入单元写入参数或输入操作指令，进而实现用户与机器进行信息交互。本设计考虑到驾驶员在驾驶过程中能够正常操作且不占用过多空间选用的是尺寸为2.4寸的串口显示屏，触摸方式为电阻式触摸。工作电压为4.75V-7V。

2.5报警模块

报警器采用的是低电平触发的无源蜂鸣器模块，将VCC引脚连接上3.3V电源，GND引脚接地，I/O口通过一个1K的电阻连接到三极管上，三极管作为控制开关，电阻起到限流保护作用。

2.6整体电路

本设计用STM32单片机为系统控制核心，采用MPU6050加速度模块和MAX30102心率血样模块共同工作实现防疲劳驾驶预警系统。加速度报警由MPU6050模块实现，两个模块同时工作可以实现心率加速度同时检测，整体电路如图1所示。

图1 系统整体电路

3.系统调试

3.1姿态、加速度检测功能测试

对驾驶员姿态、加速度检测功能进行测试，左图为静止时状态，x轴坐标为-11、y轴坐标为-36、z轴坐标为-35，右图为动作后状态x轴坐标为-72、y轴坐标为221、z轴坐标为28，姿态、加速度检测功能正常。如图2所示

图2 姿态、加速度检测

3.2心率检测功能测试

对驾驶员心率检测功能进行测试，左图为传感器没有检测到手指心率窗口显示no finger，右图传感器检测到手指显示心率为82BPM，心率检测功能正常。如图3所示

图3  心率检测

3.总结

本次设计的防疲劳驾驶预警仪整合了加速度和心率两种检测方法相较于单一的防疲劳识别设计识别精度更高。具有有空闲、加速度报警、心率加速度报警三个模式。产品上电后默认处于空闲模式用户可自行选择合适的监测模式。实现了加速度检测，心率检测，报警提示，屏幕显示4项功能。

参考文献

[1]张佐营,叶桂荀.驾驶疲劳监测技术研究综述[J]. 汽车科技, 2022(1): 8-14.

[2]朱志刚,卢昆明,徐嘉成等.基于"驾驶安全"人体防疲劳预警系统的研究[J].计算机产品与流通,2020(1):2.

[3]刘旭娟,徐俊喆.基于脉搏波检测的驾驶员睡意预警装置[J].计算机测量与控制,2018, 26(5):249-251,256.

作者简介：

  王淑娇（1979-）副教授，任职于山东协和学院，研究方向：信号与信息处理