多傳感器智能信息融合的防醉駕系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫藝哲，陳增瑞，靳 鴻，張 瑜

（1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人民生活質(zhì)量的提高，醉酒駕駛的現(xiàn)象也越發(fā)嚴(yán)重，由醉駕而引起的交通事故也屢見(jiàn)不鮮。 目前，我國(guó)常用的手持式酒精檢測(cè)儀雖能檢測(cè)駕駛者是否醉駕， 但其缺乏主動(dòng)性，無(wú)法在醉駕行為開(kāi)始之前就給予駕駛者以警告。 與此同時(shí)， 高價(jià)的傳感器限制了防醉駕裝置的使用，導(dǎo)致其市場(chǎng)占有率一直不高[1-3]。

文中所設(shè)計(jì)的車載防醉駕系統(tǒng)旨在改變這一現(xiàn)狀：該系統(tǒng)被嵌入至車內(nèi)，檢測(cè)行為在司機(jī)駕駛之前，從而改變被動(dòng)檢測(cè)的局面[4]；該系統(tǒng)采用易獲取的傳感器，通過(guò)多測(cè)點(diǎn)的方式在降低成本的同時(shí)獲得可靠數(shù)據(jù)，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)多路傳感器信號(hào)進(jìn)行信息融合。

1 系統(tǒng)工作原理及組成

由文獻(xiàn)[5]人體酒精代謝模型可知，血樣中酒精濃度值BAC（blood alcohol concentration）在飲酒后0.5 h 內(nèi)迅速上升，約1 h 達(dá)到峰值。 此后，BAC 幾乎呈直線下降，當(dāng)降至一定程度后速度逐漸減慢。 文獻(xiàn)[6]顯示，醉酒后會(huì)附有心率增快、血壓降低、皮膚血管擴(kuò)張等現(xiàn)象；駕駛員飲酒后，少部分酒精會(huì)通過(guò)呼氣、體液等途徑排除體外，因此選擇對(duì)車體內(nèi)酒精氣體濃度、駕駛者的心率信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 同時(shí)， 考慮到開(kāi)窗等不確定因素對(duì)傳感器的影響，選擇多布點(diǎn)的測(cè)試方式，通過(guò)智能信息融合技術(shù)將不同的指標(biāo)進(jìn)行信息融合，從而對(duì)駕駛者是否飲酒做出判斷。

車載防醉駕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 整個(gè)系統(tǒng)由車載電源供電，當(dāng)駕駛者插入鑰匙旋轉(zhuǎn)至ACC 檔位時(shí)，車輛電瓶開(kāi)始對(duì)外供電，該系統(tǒng)通過(guò)DC-DC 穩(wěn)壓模塊接入汽車電源，酒精氣體傳感器收集車內(nèi)多測(cè)點(diǎn)的酒精濃度信息，心率傳感器置于方向盤(pán)處以方便對(duì)駕駛者心率的檢測(cè)， 微控制器MCU（microcontroller unit）通過(guò)算法進(jìn)行信息融合并做出判斷。若無(wú)飲酒駕駛，車輛可以正常點(diǎn)火啟動(dòng)；否則，控制芯片與GSM 芯片通信， 向預(yù)設(shè)手機(jī)號(hào)發(fā)送提醒短信，并禁止汽車點(diǎn)火電路工作。

圖1 車載防醉駕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Vehicle anti-drunk driving system structure

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 MQ-3 酒精氣體傳感器

MQ-3 半導(dǎo)體酒精傳感器使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的SnO2，當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在酒精蒸氣時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中酒精氣體濃度的增加而增大[7]。 通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)，傳感器輸出電壓與環(huán)境中酒精氣體濃度近似函數(shù)關(guān)系為

式中：f（x）為酒精氣體濃度值；x 為電壓值，標(biāo)定曲線如圖2 所示。

圖2 酒精氣體傳感器標(biāo)定曲線Fig.2 Calibration curve of alcohol gas sensor

2.2 心率傳感器

市售常見(jiàn)的心率傳感器，按照測(cè)試原理主要分為兩類。 一類以光電透射測(cè)量法測(cè)量心率，LED 燈發(fā)出綠光照射在皮膚上，反應(yīng)皮膚淺部微動(dòng)脈的信息，通過(guò)光感受器測(cè)量反射光并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)[8]，該傳感器體積較小，只需監(jiān)測(cè)人體指尖部位，但受雜光干擾影響較大。 另一類為手握式心率監(jiān)測(cè)，使用心電信號(hào)測(cè)量原理，心肌纖維產(chǎn)生微小電流傳到皮膚表面，由于體表分布的不同而產(chǎn)生電位差，獲取該信號(hào)提取2 個(gè)相鄰R 波的時(shí)間間隔則可獲得被測(cè)者心率信息。

所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)視駕駛者心率為重要參數(shù)，應(yīng)該避免因外界影響而產(chǎn)生較大波動(dòng)，同時(shí)考慮安裝方式，故選用后者，該傳感器可嵌置車輛方向盤(pán)處以方便測(cè)試。

2.3 STM32 主控中心

所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)為嵌入式設(shè)備，其主控芯片除了基本的控制外設(shè)工作外，還需要進(jìn)行一定量的計(jì)算工作，包括信息的融合，因此需選用具有Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103ZET6 單片機(jī)， 其內(nèi)核時(shí)鐘頻率高達(dá)72 MHz[9]，且內(nèi)部含有Flash 和SRAM，可以滿足設(shè)計(jì)所需。

2.4 GSM 移動(dòng)通信模塊

GSM 模塊通過(guò)串口與中心控制模塊連接，通過(guò)AT 指令與中心控制模塊交換信息。 GSM 不僅支持移動(dòng)通訊，還可依靠于基站之間的通訊實(shí)現(xiàn)地理定位[10]。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可通過(guò)GSM 模塊將醉駕警告信息與位置信息通過(guò)短信發(fā)送至預(yù)設(shè)手機(jī)號(hào)中。

3 多傳感器信息融合算法

在文獻(xiàn)[5-6]的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)試驗(yàn)：以一體重為68 kg 的成年男性為被測(cè)對(duì)象，在短時(shí)間內(nèi)喝下一定量的酒（大于法律規(guī)定酒后駕駛標(biāo)準(zhǔn)），每隔一段時(shí)間對(duì)模擬環(huán)境下的裝置進(jìn)行采樣以獲得數(shù)據(jù)，根據(jù)樣本數(shù)據(jù)構(gòu)建人體酒精代謝模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)模型。 考慮神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型的建立和實(shí)際應(yīng)用的情況，需增加評(píng)價(jià)等級(jí)的指標(biāo)對(duì)不同時(shí)刻的被測(cè)對(duì)象進(jìn)行量化分級(jí)。 經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的部分樣本數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experiment data

由表可知，人體飲酒后約1 h，體內(nèi)BAC 值達(dá)到峰值，此時(shí)記錄人體狀態(tài)量為10；未飲酒的初始狀態(tài)0 h 和完全分解后的穩(wěn)定狀態(tài)均記為0， 表示體內(nèi)酒精幾乎完全分解。

根據(jù)酒精在體內(nèi)血液分解的動(dòng)力學(xué)規(guī)律[11]可知，血液中酒精濃度與時(shí)間近似函數(shù)關(guān)系為

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用遺傳算法對(duì)函數(shù)最佳參數(shù)進(jìn)行搜索尋優(yōu)， 為得到最終確定結(jié)果， 使用fminsearch 函數(shù)求得的最佳值為k=103.6538，q=0.1869，r=2.025。

圖3 人體酒精代謝模型曲線Fig.3 Curve of human alcohol metabolism model

經(jīng)等級(jí)劃分后狀態(tài)值便為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)向量y，不同位置酒精傳感器的電壓輸出值、心率為輸出值為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入量（x1，x2，x3）。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 Neural network topology

為了確保訓(xùn)練數(shù)據(jù)足夠充分，利用數(shù)據(jù)重構(gòu)得到的代謝模型進(jìn)行樣本擴(kuò)充，選擇更小的時(shí)間間隔對(duì)重構(gòu)函數(shù)進(jìn)行采樣為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練提供較為充足的樣本，最終確定樣本數(shù)為100 組。

隨后在MatLab 中使用上述數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練，訓(xùn)練過(guò)程如圖5 所示。 由圖可見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練至60步時(shí)可達(dá)到目標(biāo)精度要求。

圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過(guò)程Fig.5 Neural network training process

使用該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對(duì)部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，觀察網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算值與期望值， 誤差在可接受范圍內(nèi)，如圖6 所示。 隨后使用命令語(yǔ)言“net.IW｛1，1｝；net.b｛1，1｝；” 等導(dǎo)出權(quán)值矩陣和閾值矩陣進(jìn)行保存，以方便移植在嵌入式系統(tǒng)中進(jìn)行離線工作。

圖6 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息融合效果Fig.6 Renderings of neural network information fusion

4 軟件設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包含多傳感器檢測(cè)模塊、MCU控制模塊、GSM 通訊模塊等， 對(duì)應(yīng)程序需包括傳感器檢測(cè)子程序、模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序、信息融合子程序、串口通訊子程序等，程序流程如圖7 所示。 所涉及的程序均使用C 語(yǔ)言在Keil 平臺(tái)進(jìn)行編程調(diào)試。為便于開(kāi)發(fā)，此次設(shè)計(jì)使用最小系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板。

圖7 程序總流程Fig.7 Process master flow chart

下位機(jī)子程序中信息融合子程序較為特殊。眾所周知， 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是利用神經(jīng)元之間的連接對(duì)輸入與輸出的關(guān)系進(jìn)行建立與保存的， 故在此將已經(jīng)訓(xùn)練好的連接關(guān)系在Keil 平臺(tái)以數(shù)組的方式進(jìn)行保存，通過(guò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行類似的預(yù)處理、歸一化等操作，使之與MatLab 平臺(tái)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)具有相同的形式， 隨后通過(guò)融合計(jì)算得出等級(jí)劃分值。理論上若此值不為零，控制器則不允許點(diǎn)火電路工作。

5 系統(tǒng)調(diào)試

在Keil 平臺(tái)編譯工程并生成hex 文件燒寫(xiě)至控制芯片中，同時(shí)根據(jù)引腳定義對(duì)各模塊進(jìn)行物理連接。 因車輛點(diǎn)火電路的復(fù)雜性，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下以蜂鳴器檢驗(yàn)是否允許點(diǎn)火電路工作。

被測(cè)者飲酒后40 min 使用該系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證。 驗(yàn)證結(jié)果：手機(jī)接收到警告信息，蜂鳴器報(bào)警，短信截圖如圖8（a）所示；根據(jù)短信中的經(jīng)緯度進(jìn)行地理位置驗(yàn)證，如圖8（b），定位信息符合實(shí)際。

圖8 短信提醒功能演示Fig.8 SMS reminder function demonstration

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)基于智能信息融合的防醉駕系統(tǒng)進(jìn)行了原理、硬件結(jié)構(gòu)、信息融合算法的說(shuō)明，并以STM32 主控芯片為基礎(chǔ)搭建了系統(tǒng)。 在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了功能驗(yàn)證，該系統(tǒng)基本能夠滿足設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)︸{駛者的飲酒行為給予警示。