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

 引 言

我國(guó)幅員遼闊，人口眾多，交通設(shè)施關(guān)乎民生，隨著國(guó)民生活水平的提高，汽車走進(jìn)千家萬(wàn)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(shí)，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(dòng)脈硬化等心血管疾病成為常見(jiàn)病和多發(fā)病 [2]。

由于汽車是由人駕駛的高速運(yùn)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?zhǔn)怯神{駛員的危險(xiǎn)駕駛引起的 [3]。為了更好地滿足社會(huì)需求和實(shí)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(duì)車載健康監(jiān)測(cè)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?chǎng)主流趨勢(shì)和時(shí)代發(fā)展的熱點(diǎn)[4]。

目前，市場(chǎng)上大多數(shù)人體健康監(jiān)測(cè)設(shè)備過(guò)于單一，只能測(cè)量一個(gè)指標(biāo)，這在車輛健康監(jiān)測(cè)設(shè)備中更為明顯[5]。為了滿足駕駛員在行駛車輛的同時(shí)能夠直觀了解到自己的實(shí)時(shí)健康狀況，本文基于 AT89C51 微處理器設(shè)計(jì)了一款智能車載健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)及嵌入式技術(shù)相結(jié)合，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)駕駛員的多種生理數(shù)據(jù)，通過(guò)短距離無(wú)線通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析得出駕駛員健康狀況并對(duì)異常數(shù)據(jù)報(bào)警，將有助于駕駛員及時(shí)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(cè)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(guò)程中產(chǎn)生的錯(cuò)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(shí)現(xiàn)提醒駕駛員安全駕駛、預(yù)防駕駛員危險(xiǎn)駕駛的功能，幫助駕駛員在遇到危險(xiǎn)時(shí)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(jì)的一款智能車載健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括一套智能健康監(jiān)測(cè)裝置和安裝在車載控制系統(tǒng)中的車載健康監(jiān)測(cè)與預(yù)警APP，通過(guò)傳感器形成穿戴設(shè)備監(jiān)測(cè)駕駛員的體溫、心率、脈搏、駕駛時(shí)間、是否過(guò)量吸煙飲酒及車內(nèi)環(huán)境等指標(biāo)，將測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)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(guò)傳感器收集駕駛員的健康狀況和車內(nèi)空氣質(zhì)量，后臺(tái)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(bào)警。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

本文設(shè)計(jì)的智能車載健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于 AT89C51 微處理器，通過(guò) AT89C51 引腳與各模塊連接，實(shí)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(lán)牙無(wú)線通信技術(shù)傳輸信息。

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

（2）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、優(yōu)化并存儲(chǔ)在上位機(jī)中，然后通過(guò) GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)、處理和顯示。

（3）用戶可以在終端通過(guò) APP 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自身的綜合健康狀態(tài)。同時(shí)，該系統(tǒng)還能利用煙霧傳感器實(shí)現(xiàn)車內(nèi)空氣質(zhì)量的檢測(cè)。

智能車載健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)綜合利用傳感器、嵌入式開(kāi)發(fā)、通信和軟件開(kāi)發(fā)等技術(shù)，實(shí)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(shí)查看各類傳感器信息和綜合健康評(píng)價(jià)。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器模塊

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

圖 2 傳感器模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用 pt100 溫度傳感器來(lái)收集用戶的實(shí)時(shí)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(zhǔn)化輸出信號(hào)主要為 0 ～10 mA和 4 ～20 mA（或 1 ～5V）的 DC信號(hào)。該模塊具有體積小、精度高等優(yōu)點(diǎn)， 適合嵌入到智能車載健康監(jiān)測(cè)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(jì)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(cè)量方式更加自由。

心率傳感器模塊需要進(jìn)行持續(xù)測(cè)量，并通過(guò)一段時(shí)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(cè)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(cè)用戶是否存在酒后駕車的危險(xiǎn)情況，在開(kāi)始駕駛之前檢測(cè)用戶呼出氣體的酒精濃度，如果酒精濃度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，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(duì)酒精高度敏感，可以抵抗汽油和煙霧干擾等特點(diǎn)。

煙霧傳感器模塊主要用于實(shí)時(shí)了解用戶的環(huán)境條件。國(guó)內(nèi)外研究表明，各種揮發(fā)性有機(jī)化合物（主要由烷烴、烯烴、苯和其他含氧化合物組成）會(huì)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(huì)出現(xiàn)頭痛、乏力等癥狀，甚至致癌 [6]。本文設(shè)計(jì)的智能車載健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成有車內(nèi)氣體監(jiān)測(cè)傳感器模塊，可通過(guò)氣體傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶所在環(huán)境的空氣質(zhì)量，并全面監(jiān)控各種動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，以有效評(píng)估用戶的健康狀況。TGS2600 是日本進(jìn)口的空氣質(zhì)量傳感器，對(duì)極其微弱的空氣污染具有較高的靈敏度，可通過(guò)單片機(jī)控制氣體傳感器進(jìn)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(guò) 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(cè)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(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

3 智能車載健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

智能車載健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用 Eclipse 軟件作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)， 利用 Java 語(yǔ)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(chǔ)器命令，數(shù)據(jù)讀取后，由數(shù)據(jù)分析模塊確定每個(gè)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(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊 ；如果數(shù)據(jù)分析模塊監(jiān)測(cè)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(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)任務(wù)。智能車輛健康管家主程序的設(shè)計(jì)流程如圖 4 所示。

3.2 監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

智能車載健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)控平臺(tái)能夠方便用戶查看監(jiān)測(cè)信息。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)可以在 Web 終端、移動(dòng)終端進(jìn)行訪問(wèn)，智能車載健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)的功能主要包括傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢和人體健康綜合評(píng)價(jià)。其中，人體健康綜合評(píng)價(jià)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(guò)監(jiān)測(cè)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(shí)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(shí)時(shí)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(tái)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(gè)傳感器的數(shù)據(jù)信息，分析和合成多個(gè)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(jì)、模糊估計(jì)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(gè)傳感器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)是系統(tǒng)中最原始的數(shù)據(jù)，每個(gè)傳感器的測(cè)量精度對(duì)系統(tǒng)而言尤為重要，可以根據(jù)多傳感器批量估計(jì)數(shù)據(jù)融合理論獲得測(cè)量數(shù)據(jù)的局部決策值。

將單只傳感器的測(cè)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(zhǔn)差分別為 σ1 與 σ2 ：

利用式（1）～（4）可以得到每個(gè)傳感器測(cè)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(cè)系統(tǒng)對(duì)人體的綜合評(píng)價(jià)值。

智能車載健康監(jiān)測(cè)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(diǎn)，因此，合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。系統(tǒng)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù) MySQL 建立服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫(kù)，使用可視化軟件 MySQL-Front 管理數(shù)據(jù)庫(kù)。

對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)流圖進(jìn)行分析，用戶通過(guò)登錄界面輸入用戶名及密碼，后臺(tái)將在 Cookie 中讀取其代表的域名，通過(guò)權(quán)限分配機(jī)制確定用戶擁有的權(quán)限，并進(jìn)入不同的權(quán)限視圖。用戶進(jìn)入系統(tǒng)后實(shí)施對(duì)智能車載健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的操作， 收集用戶環(huán)境信息并上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)，將用戶的個(gè)人信息和歷史健康記錄存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中 [8]。圖 6 所示為用戶檔案數(shù)據(jù)流圖。

4 結(jié) 語(yǔ)

文中提出了一種智能車載健康監(jiān)測(cè)方案，研究了系統(tǒng)的硬件類型、軟件搭建、無(wú)線傳輸、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)庫(kù)建立等內(nèi)容，完成了基于物聯(lián)網(wǎng)的車載健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛員駕駛過(guò)程中遇到的危險(xiǎn)及正常駕駛時(shí)健康指標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，具有數(shù)據(jù)自動(dòng)分析、處理、顯示、查詢和預(yù)警功能，并能提出個(gè)性化的健康指導(dǎo)。系統(tǒng)界面簡(jiǎn)潔明了，交互性強(qiáng)，適用人群廣泛，可通過(guò)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(cái)產(chǎn)安全。