基于車聯(lián)網(wǎng)的健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

 引 言

我國幅員遼闊，人口眾多，交通設(shè)施關(guān)乎民生，隨著國民生活水平的提高，汽車走進千家萬戶，成為大多數(shù)人的首選出行工具。如今，汽車已成為廣大民眾出行、旅行的最便捷工具之一 [1]。在此同時，生活方式、飲食結(jié)構(gòu)改變引起的高血壓、糖尿病、冠心病、動脈硬化等心血管疾病成為常見病和多發(fā)病 [2]。

由于汽車是由人駕駛的高速運行的交通工具，所以很多情況下行車安全受駕駛員生理因素的影響，許多車禍是由駕駛員的危險駕駛引起的 [3]。為了更好地滿足社會需求和實際應(yīng)用，為駕駛員提供更安全的駕駛環(huán)境，各領(lǐng)域科研技術(shù)人員加大了對車載健康監(jiān)測的研究力度。汽車作為大部分人生活的必需品，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和嵌入式技術(shù)融入汽車安全駕駛領(lǐng)域?qū)⒊蔀槭袌鲋髁髭厔莺蜁r代發(fā)展的熱點[4]。

目前，市場上大多數(shù)人體健康監(jiān)測設(shè)備過于單一，只能測量一個指標(biāo)，這在車輛健康監(jiān)測設(shè)備中更為明顯[5]。為了滿足駕駛員在行駛車輛的同時能夠直觀了解到自己的實時健康狀況，本文基于 AT89C51 微處理器設(shè)計了一款智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)及嵌入式技術(shù)相結(jié)合，實時監(jiān)測駕駛員的多種生理數(shù)據(jù)，通過短距離無線通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析得出駕駛員健康狀況并對異常數(shù)據(jù)報警，將有助于駕駛員及時了解自身的生理健康狀況。此外，還利用煙霧濃度傳感器模塊使系統(tǒng)能夠監(jiān)測車內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量，提高駕駛安全性。使用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)消除監(jiān)控過程中產(chǎn)生的錯誤數(shù)據(jù)，避免不必要的干擾，以正確獲取駕駛員的健康數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)提醒駕駛員安全駕駛、預(yù)防駕駛員危險駕駛的功能，幫助駕駛員在遇到危險時采取有效措施。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計的一款智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng)，包括一套智能健康監(jiān)測裝置和安裝在車載控制系統(tǒng)中的車載健康監(jiān)測與預(yù)警APP，通過傳感器形成穿戴設(shè)備監(jiān)測駕駛員的體溫、心率、脈搏、駕駛時間、是否過量吸煙飲酒及車內(nèi)環(huán)境等指標(biāo)，將測得的數(shù)據(jù)通過藍牙通信模塊迅速傳輸?shù)街悄芙K端，并向用戶顯示。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)主要分為三層，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層通過傳感器收集駕駛員的健康狀況和車內(nèi)空氣質(zhì)量，后臺服務(wù)器分析傳感器收集的健康數(shù)據(jù)并判斷是否超出正常健康指標(biāo)，據(jù)此斷定下一步是否報警。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

本文設(shè)計的智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng)基于 AT89C51 微處理器，通過 AT89C51 引腳與各模塊連接，實現(xiàn)模塊功能。系統(tǒng)集成有溫度傳感器、脈搏傳感器、血壓傳感器、體溫傳感器、酒精傳感器、延遲傳感器、心率傳感器等，并采用藍牙無線通信技術(shù)傳輸信息。

（1）智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng)將多傳感器采集的數(shù)據(jù)通過安裝的藍牙設(shè)備進行接收、轉(zhuǎn)發(fā)，將接收的監(jiān)測人員健康數(shù)據(jù)及環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至上位機。

（2）對數(shù)據(jù)進行處理、優(yōu)化并存儲在上位機中，然后通過 GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h程監(jiān)控終端，實現(xiàn)信息的存儲、處理和顯示。

（3）用戶可以在終端通過 APP 實時監(jiān)測自身的綜合健康狀態(tài)。同時，該系統(tǒng)還能利用煙霧傳感器實現(xiàn)車內(nèi)空氣質(zhì)量的檢測。

智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng)綜合利用傳感器、嵌入式開發(fā)、通信和軟件開發(fā)等技術(shù)，實現(xiàn)了感知人體健康數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)的目標(biāo)，用戶可隨時查看各類傳感器信息和綜合健康評價。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 傳感器模塊

硬件設(shè)計是對安裝在駕駛區(qū)域內(nèi)測量設(shè)備的設(shè)計，包括使用的微處理器、傳感器模塊的設(shè)計。智能車輛健康管家的微處理器和傳感器模塊的設(shè)計如圖 2 所示。

圖 2 傳感器模塊設(shè)計

系統(tǒng)使用 pt100 溫度傳感器來收集用戶的實時體溫和環(huán)境溫度。pt100 溫度傳感器顯示精度為 0.1 ℃，綜合精度為0.3 ℃。標(biāo)準化輸出信號主要為 0 ～10 mA和 4 ～20 mA（或 1 ～5V）的 DC信號。該模塊具有體積小、精度高等優(yōu)點， 適合嵌入到智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng)中。

脈搏血壓傳感器的核心在于采用光電式容積脈搏波（PPG）的方式感應(yīng)人體的脈搏信息并加以提取。人體的血壓正常范圍為高壓 90～120mmHg，低壓 60～90mmHg。設(shè)計的血壓脈搏傳感模塊采用脈搏波血壓傳感芯片 YKB1712 與反射式光電血壓傳感器芯片，測量方式更加自由。

心率傳感器模塊需要進行持續(xù)測量，并通過一段時間的心率數(shù)據(jù)給出身體健康信息。系統(tǒng)采用光反射測量的光電心率傳感器與傳感器模組 LST1303。

酒精濃度傳感器模塊主要用于監(jiān)測用戶是否存在酒后駕車的危險情況，在開始駕駛之前檢測用戶呼出氣體的酒精濃度，如果酒精濃度超過標(biāo)準，將提醒用戶勿酒后駕駛車輛。使用 MQ-3 酒精傳感器，該模塊具有對酒精高度敏感，可以抵抗汽油和煙霧干擾等特點。

煙霧傳感器模塊主要用于實時了解用戶的環(huán)境條件。國內(nèi)外研究表明，各種揮發(fā)性有機化合物（主要由烷烴、烯烴、苯和其他含氧化合物組成）會使車內(nèi)空氣惡化。如果駕駛員和乘客經(jīng)常處于汽車的狹小空間內(nèi)，可能會出現(xiàn)頭痛、乏力等癥狀，甚至致癌 [6]。本文設(shè)計的智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng)集成有車內(nèi)氣體監(jiān)測傳感器模塊，可通過氣體傳感器實時監(jiān)測用戶所在環(huán)境的空氣質(zhì)量，并全面監(jiān)控各種動態(tài)數(shù)據(jù)，以有效評估用戶的健康狀況。TGS2600 是日本進口的空氣質(zhì)量傳感器，對極其微弱的空氣污染具有較高的靈敏度，可通過單片機控制氣體傳感器進行氣體數(shù)據(jù)的采集。

2.2 控制器模塊

AT89C51處理器是一款低電壓、高性能 CMOS8 位處理器，帶有 4KB閃存，工作電壓為 4.5～5.5V。AT89C51微控制器為主控模塊，通過 AT89C51引腳與各模塊連接。智能車輛健康管家電路原理如圖 3所示，其核心為 AT89C51 控制電路模塊。智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng)可在 AT89C51微處理器電路基礎(chǔ)上，結(jié)合上述傳感器模塊，利用藍牙技術(shù)實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

3 智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng)采用 Eclipse 軟件作為開發(fā)平臺， 利用 Java 語言編寫程序。系統(tǒng)通電后完成初始化工作，AT89C51 微控制器發(fā)送 ROM 命令和讀存儲器命令，數(shù)據(jù)讀取后，由數(shù)據(jù)分析模塊確定每個傳感器中的數(shù)據(jù)是否存在異常，如果數(shù)據(jù)正常，則程序保存數(shù)據(jù)后循環(huán)進入數(shù)據(jù)采集模塊 ；如果數(shù)據(jù)分析模塊監(jiān)測到異常數(shù)據(jù)，則根據(jù)異常數(shù)據(jù)的種類播放相應(yīng)錄音，提醒用戶安全駕駛，并將異常數(shù)據(jù)備份到云端，最后循環(huán)進入數(shù)據(jù)采集模塊繼續(xù)進行監(jiān)測任務(wù)。智能車輛健康管家主程序的設(shè)計流程如圖 4 所示。

3.2 監(jiān)控平臺設(shè)計

智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)控平臺能夠方便用戶查看監(jiān)測信息。系統(tǒng)監(jiān)測平臺可以在 Web 終端、移動終端進行訪問，智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控平臺的功能主要包括傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢和人體健康綜合評價。其中，人體健康綜合評價是多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)處理后的融合值，人體溫度通過監(jiān)測用戶脖頸部位體溫得到數(shù)據(jù)，酒精濃度傳感器可以從不同角度同時查看用戶呼出氣體的酒精濃度。所有數(shù)據(jù)能夠直觀以數(shù)字形式體現(xiàn)，而且可以顯示出實時的數(shù)據(jù)變化曲線以及正常數(shù)據(jù)變化范圍。智能車輛健康管家監(jiān)控平臺的功能模塊結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。

3.3 數(shù)據(jù)處理

多傳感器數(shù)據(jù)融合 [7] 處理多個傳感器的數(shù)據(jù)信息，分析和合成多個數(shù)據(jù)，并完成所需的決策和估算。多傳感器數(shù)據(jù)融合方法包括加權(quán)分析、貝葉斯估計、模糊估計和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。

智能車輛健康管家采用多傳感器數(shù)據(jù)融合方法將每個傳感器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C進行數(shù)據(jù)融合。傳感器測量的數(shù)據(jù)是系統(tǒng)中最原始的數(shù)據(jù)，每個傳感器的測量精度對系統(tǒng)而言尤為重要，可以根據(jù)多傳感器批量估計數(shù)據(jù)融合理論獲得測量數(shù)據(jù)的局部決策值。

將單只傳感器的測量數(shù)據(jù)分為兩組，分別為 x11, x12, ...,x1m 和 x21, x22, ..., x2n 則這兩組數(shù)據(jù)的平均值分別為x1與x2 ，標(biāo)準差分別為 σ1 與 σ2 ：

利用式（1）～（4）可以得到每個傳感器測量數(shù)據(jù)的局部決策值。使用以上方法可得到智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng)對人體的綜合評價值。

智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)量大、類型豐富、數(shù)據(jù)相互之間關(guān)系復(fù)雜的特點，因此，合理設(shè)計系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵。系統(tǒng)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫 MySQL 建立服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫，使用可視化軟件 MySQL-Front 管理數(shù)據(jù)庫。

對產(chǎn)品數(shù)據(jù)流圖進行分析，用戶通過登錄界面輸入用戶名及密碼，后臺將在 Cookie 中讀取其代表的域名，通過權(quán)限分配機制確定用戶擁有的權(quán)限，并進入不同的權(quán)限視圖。用戶進入系統(tǒng)后實施對智能車載健康監(jiān)測系統(tǒng)的操作， 收集用戶環(huán)境信息并上傳至數(shù)據(jù)庫，將用戶的個人信息和歷史健康記錄存儲在數(shù)據(jù)庫中 [8]。圖 6 所示為用戶檔案數(shù)據(jù)流圖。

4 結(jié) 語

文中提出了一種智能車載健康監(jiān)測方案，研究了系統(tǒng)的硬件類型、軟件搭建、無線傳輸、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)庫建立等內(nèi)容，完成了基于物聯(lián)網(wǎng)的車載健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對駕駛員駕駛過程中遇到的危險及正常駕駛時健康指標(biāo)的實時檢測，具有數(shù)據(jù)自動分析、處理、顯示、查詢和預(yù)警功能，并能提出個性化的健康指導(dǎo)。系統(tǒng)界面簡潔明了，交互性強，適用人群廣泛，可通過健康預(yù)警方式提醒駕駛員安全駕駛，提高交通安全，從而減少交通事故的發(fā)生，更好地保障人民生命財產(chǎn)安全。