智能车载健康管家的系统设计

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　　摘 要：近年来，随着人们生活水平的日益提升，越来越多的人拥有车，而且许多人在车上时间更是增多，因此对于车辆的驾驶安全各类问题值得关注。对于此类情况，文中设计智能车载健康管家系统。该系统实现了通过车载传感器对驾驶员每次开车进行实时的身体状况监测，通过Web端智能监控系统显示数据，相当于一次微型的体检，当人疲劳或身体出现意外情况时，可以通过该系统进行预警和给出及时的解决方案，有效地解决了人们在驾驶过程中遇到的意外情况。
　　关键词：车联网;健康监测;无线实时通信;Arduino;智能车;健康管家
　　中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）04-00-03
　　0 引 言
　　随着人们生活水平的提高，现在的车载系统越来越完善，而城市化进程的加快，使人们对车载导航的使用诉求已经不仅仅是卫星定位和电子地图那么简单，行车安全和驾驶员安全问题日益受到关注，比如由于酒驾造成的事故非常之多，有些人喝了酒就会忘記，还有的认为自己的只喝了一点点不算酒驾，从而导致事故频发。而汽车公司系统设计大致针对车的安全状况，对驾驶员的身体情况关注较少，比如车载自动化控制系统中车载单元OBU仅负责采集车辆的信息，包括GPS定位信息、汽车油量、车辆状态信息等，以及司机遇到紧急事件时所进行的操作记录[1]。还有一种以Arduino开发平台为基础的无线远程监测系统对车内滞留人员进行检测，通过声音、物体运动、人体红外检测进行监测预警，但并没有对滞留人员的健康状况进行监测[2]。也有相关的监测驾驶员的系统—车载疲劳驾驶预警系统，该系统可以有效地避免疲劳驾驶造成的交通事故，但是不够全面而且需要配置近红外摄像头模组等较贵的设备[3]。由以上情况，本文针对驾驶员健康情况设计了智能车载健康管家系统，保障人们的出行安全。
　　本系统运用温度传感器采集驾驶员体温情况，脉搏监测传感器采集驾驶员心跳情况，在心跳异常的情况下，及时提醒乘坐员，并对车进行自动定位，在安全停车区停车。酒精浓度传感器测量驾驶员是否饮酒驾驶，提醒驾驶员饮酒量超标，请更换驾驶员，存在误差是可能会受乘坐人员饮酒情况的影响。各传感器节点将收集的数据发送至蓝牙，通过无线网络连接蓝牙接收数据，通过IntelliJ IDEA 软件将数据呈现至页面，通过软件调用该页面让用户查看到。该系统对驾驶员每次开车进行一次小体检，对出现的意外情况及时给出预警和解决方案，让每一位出行的人都能有安全舒适的一次旅程，这是智能车载健康管家系统设计的目的。
　　1 系统总体结构
　　本文基于物联网技术设计一种智能车载健康管家系统，包括一套智能健康监测装置和安装在车载控制系统中的车载健康监测与预警系统，系统总体结构主要分为三层：感知层、网络层和应用层。感知层是生理参数和车内环境参数的采集终端，负责对驾驶员的生理状况（心源性休克和人体生理状态）、吸烟饮酒和车内环境进行实时监测，将采集的数据通过蓝牙网络传输至车载PC终端;网络层中的服务器将感知层采集得到的数据存储到数据库中，并对数据库中的数据变化进行反馈;应用层是人机交互界面的接口，应用程序软件主要安装在车载控制系统上，负责对采集的数据进行分析、异常指标的监测和人体健康综合评价。将感知层采集驾驶员的所有数据，利用蓝牙（IEEE 802.15.1标准）通信协议连接传输数据到网络层的服务器，在应用层上借助车载终端系统将其存储在终端。系统总体结构如图1所示。
　　2 系统硬件设计
　　将智能车载健康管家硬件设计为一套智能健康监测装置，可以便捷地检测出驾驶员的酒精含量、体温、心率及车内空气环境等健康指标，并以蓝牙无线传输至应用端。该系统采用Arduino模块对传感器进行连接，1引脚接5 V电源，
　　2引脚接地，1和2引脚再连接面包板的正负极，在面包板上将传感器通过串并联电路连接，传感器在数字输入/输出口选择需要的引脚，引脚RX发出数据，TX接收数据。具体连接图如图2所示。
　　2.1 传感器模块设计
　　传感器模块负责采集体温、脉搏数据、酒精浓度、烟雾浓度和其他车内环境参数。在选择传感器时，优先选择功耗低的传感器，在此基础上考虑传感器的分辨率、测量范围、精度、性价比等因素。本系统中分别采用负温度系数热敏电阻10D-92作为温度传感器。负温度系数热敏电阻器温度计的精度可以达到0.1 ℃，感温时间少于10 s。它的测量范围一般为-10～300 ℃;腕部脉搏传感器工作温度为0～60 ℃，其灵敏度高，性能稳定。脉搏测量采用Pulse sensor心率传感器，可穿戴，手指和手腕等不同部位模拟信号输出，兼容Arduino，使用方便。烟雾浓度传感器采用MQ-2 Sensor检测烟雾和气体酒精，MQ-2 Sensor基于QM-NG1探头的气体传感器。QM-NG1是采用广谱性气体传感器，最大特点对各种可燃气体以及酒精、乙醚、乙醇、烟雾等有毒气体具有高度敏感性。通过空调ECU可使空气交换器在有烟雾时自动运转，当烟雾浓度达到传感器阈值时，发出警告，并提醒驾驶员停止烟雾的来源，直至警告停止。部分传感器实物如图3所示。
　　2.2 无线传输方案的选择
　　本文基于物联网技术设计一种智能车载健康管理系统。对比现有成熟的几种物联网技术的优缺点和研究本系统独特的设计要求，采用最稳定的蓝牙技术进行无线组网。蓝牙技术是一种短距离、低功耗、低成本、易操作且支持多种设备的双向无线通信技术，由于WiFi和ZigBee技术使用比较普遍，大多人会选择这两种，比如基于ZigBee的远程数据传输对甲醛的监测，但网络会存在安全威胁，可能会造成数据丢失等问题，不便于维护[4]。
　　全新蓝牙4.0规范的核心是低功耗技术，该技术最大的特点是拥有超低的运行功耗和待机功耗，即使用一粒纽扣电池也可以连续工作数年之久，相比WiFi和ZigBee更优越。它的容量大，数据传输可靠，支持点对点及点对多点的通信。综合考虑功能、通信、功耗、性价比等因素，本设计中采用HC-05模块作为无线收发模块。HC-05模块具体功耗低、可靠性高、安全性高等特点，兼容3.3 V和5 V单片机。将传感器模块采集的数据通过蓝牙无线通信传输至COM-HC串口，然后通过IntelliJ IDEA软件显示到网页端。蓝牙模块原理图如图4所示。 　　3 系统软件设计
　　Web智能監控管理系统基于Web开发平台，完成蓝牙同服务器间的数据交互，提供友好的界面供用户进行相应操作，以及便于系统操作员管理系统内的所有传感器获取的数据和不同角色使用者之间的信息共享[5]。系统软件设计采用Web开发环境，主要有主程序设计、数据处理子系统和数据库管理，可以实现数据的自动分析、处理、显示、查询和预警等功能，系统总设计如图5所示。软件设计会采用Web对页面进行设计实现，车载终端系统大部分汽车采用Android系统，把Web网页显示添加至车载PC中[6]。其中外部中断尤为重要，当温度检测模块、酒精检测模块、脉搏检测模块检测到有异常时，就会触发中断并报警。其次是GSM 模块，通过GSM模块连接到车载系统终端上，使车主第一时间了解自己的情况[5]。GSM是一种新型的分组数据传输方式，适用于间断的突发性的或频繁的少量的数据传输和偶尔的大数据量传输，是该系统需要的传输方式。
　　（1）主程序设计
　　采用Web开发环境，利用Java，JS和数据库进行程序设计，由蓝牙接口输出数据，将温度、酒精浓度和脉搏次数写入主界面进行显示，通过数据处理模块判断数据是否为异常数据，附加用户的基本信息，发生的警告日常健康状况数据，将所有数据存入数据库，保障数据的完整性和安全性。
　　（2）数据处理子系统
　　数据采集装置利用传感器对驾驶员进行健康监测，并把监测得到的信息传送到 Arduino，Arduino单片机利用 ESP8266或 Ethernet通过蓝牙把数据上传到远端服务器，服务器对数据进行分析判断并做出决策，把预警信息发回到后台，后台控制相应执行机构动作，实现数据传输[7]。采用数据融合的方式分析、整理数据，数据融合中心对来自多个传感器的信息进行融合，也可以将来自多个传感器的信息和人机界面的观测事实进行信息融合，提取必要的信息。在推理机作用下，将预警信息与知识库中的知识匹配，做出故障诊断决策，提供给用户，如图6所示。
　　（3）数据库管理
　　数据库管理的主要内容有：数据库的安全管控、数据库的调优、数据库的重组、数据库的重构、报错问题的分析汇总和处理、数据库数据的日常备份。使用SQL Server数据库为各个传感器建立表格，这样建立4个表格，把传感器得到的数据分别使用js导入数据库，建立一个总表格对其他的表格进行增删改查，每天对数据进行一次整理，把一些无用的从数据库中删除，保证数据库的空间充足和数据库中数据的安全。
　　4 结 语
　　本文设计系统实现了人们的安全驾驶出行，防止意外发生，对于生活中的一些由于司机身体突发状况引起的交通事故提供了参考价值。该系统主要是对于人体的健康进行实时监测，较其他车载人体监测更丰富。尤其适用大巴司机，掌握着一车人的命，司机的健康至关重要，还有喝了一点酒存在侥幸心理的人。而带有智能车载健康管家系统的汽车，会让人们感觉到安心，为每一位驾驶员保驾护航。本系统是置于车载PC端的，汽车拥有车载PC的品牌较少，这也是该系统的一个不足。
　　参考文献
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　　[9]徐涛，仇庆东，卢少微，等.碳纳米管健康监测系统设计[J].仪表技术与传感器，2018（10）：107-112.
　　[10]吴海云，王良民.车联网中面向服务的隐私保护群密钥管理方案[J].安徽大学学报（自然科学版），2019（1）：45-52.
　　作者简介：陈清清（1997—），女，河南淮阳人，研究方向为物联网工程。
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