摘要：驾驭员疲惫驾驭是形成交通逝世事端的重要原因之一。现在检测疲惫驾驭首要有检测驾驭员生理改变目标、驾驭员外部特征改变或许驾驭员行为及其引起的车辆运动特征的改变等几种办法。本项目运用加快度传感器检测疲惫驾驭，以FPGA作为嵌入式操控中心，操控加快度传感器搜集车辆行进时的转向加快度与驾驭员头部运动状况等信号，经过相关算法对数据进行处理后得出驾驭员疲惫值，经过TFT显现屏显现相应的信息，在疲惫值超出预设值时将进行语音提示，用户能够经过触摸屏输入进行操作。体系具有准确、快捷、成本低的特色，具有极大的社会价值和商业价值。
1项目布景
1.1研讨布景
1.1.1疲惫驾驭的社会损害
驾驭疲惫，是指驾驭人在长期接连行车后，产生生理机能和心思机能的失调，而在客观上呈现驾驭技术下降的现象。驾驭人睡觉质量差或缺乏，长期驾驭车辆，简略呈现疲惫。驾驭疲惫会影响到驾驭人的留意、感觉、感觉、思维、判别、毅力、决议和运动等诸方面。疲惫后持续驾驭车辆，会感到疲倦打盹，四肢无力，留意力不会集，判别能力下降，乃至呈现精神恍惚或瞬间回忆消失，呈现动作迟误或过早，操作中止或批改时刻不妥等不安全要素，极易产生路途交通事端。
交通事端核算剖析标明，驾驭员疲惫驾驭是形成交通逝世事端的重要原因之一。日本的事端核算提示，因疲惫产生的事端约占1~1.5%。法国国家差人总署事端陈述标明，因疲惫打盹而产生事故的，占人身伤害事端的14.9%，占逝世事端的20.6%。而在高速公路上，经过对2010年1月至12月因疲惫驾驭而产生交通事端致人逝世的事例剖析，90%以上是由货运司机疲惫驾驭形成的。
因而，检测疲惫驾驭，对防备交通事端的产生有重要含义。
1.1.2根据加快度传感器疲惫驾驭检测的优越性
现在检测疲惫驾驭的办法首要有以下几种：
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运用生理传感器检测驾驭员的生理改变目标，如脑电、心电、心率、呼吸等；
-
检测疲惫驾驭时驾驭员的外部特征改变，如眨眼、允许；
-
检测驾驭员行为及其引起的车辆运动特征的改变，如换挡，油门以及车辆加快度、车载车道中的方位等。
运用加快传感器的疲惫驾驭检测办法隶归于第三种。现有的产品中，第一种会运用到带有侵入性的生理传感器，让驾驭员十分不舒服，因而运用范围十分有限；第二种首要是运用机器视觉检测眨眼或许瞳孔巨细改变，它的长处是检测精度高，可是受光线等外界环境影响比较大。第三种是归于车载传感器，因而运用起来十分便利，完全能够集成到车辆中，具有广泛的运用远景。
1.1.3运用拓宽
当产品满意老练时，它将得到广泛的运用。
-
假如完结联网，当呈现异常车辆运动状况，判定为交通事端，能够完结报警，而且告诉其他车辆，防止呈现交通拥堵；
-
假如能将司机的疲惫驾驭行为记载在案，传送给交通部门，能够作为驾驭员的信誉记载，便于交通部门办理和法律。
1.2项目含义
在“以车代步”、物流快速开展的今日，检测疲惫驾驭，防备交通事端，为每一个家庭护航，有利于保护社会安稳，具有重要含义。经过检测车辆运动特征的疲惫驾驭检测办法具有准确、快捷、成本低的特色，可是现在，世界上还没有经过检测车辆运动特征的疲惫驾驭检测体系，根据加快度传感器的疲惫驾驭检测仪的呈现填补了这方面的空白，研讨具有极大的社会价值和商业价值。
2项目计划
2.1体系概述
2.1.1产品模型图
如图 2-1所示是产品TFT显现屏面板示意图。
图 2-1 体系TFT显现屏面板
本检测仪LCD面板由四个部分组成：
-
疲惫曲线制作区：本区间占面板绝大部分，形象的再现驾驭员驾车过程中的精神状况，有利于剖析疲惫程度的趋势，做出有用猜测。
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信息提示区：本区分为三个部分，疲惫进度条能够愈加直观的反响当时时刻的疲惫程度；状况指示灯指示是否抵达疲惫警戒线，当抵达警戒线时它会变成赤色；文字提示疲惫程度。
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功用按钮区：功用按钮区有三个键，暂停键是在特别状况是暂停记载，前史记载按钮能够点出客户想看的疲惫驾驭曲线，设置键首要设置时刻。
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时刻和电量显现区：显现当时时刻和剩下电量。
2.1.2产品功用概述
根据加快度传感器的疲惫驾驭检测仪首要有以下几项功用
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实时监测车辆运动参数，辨认驾驭员是否处于疲惫驾驭状况；
-
语音报警功用；
-
记载驾驭状况前史，便于驾驭员剖析规则，养成杰出驾驭习气。
2.1.3体系框图
体系以FPGA作为嵌入式操控的中心，FPGA芯片挑选Xilinx Spartan-6 XC6LX16-CS324。疲惫检测体系首要由嵌入式操控单元、存储单元、传感器电路、电源电路、语音电路、外围接口电路等部分组成。
图 2-2 体系结构框图
体系运用加快度传感器搜集车辆行进时的转向加快度与驾驭员头部的运动状况等信号，传输到CPU，经过算法加快模块核算出当时的疲惫值后，将成果以疲惫曲线的办法制作在TFT显现屏上。必定时刻后将疲惫值信息存储到SD卡中，便利后续的检查。用户能够经过电阻式触摸屏完结人机交互，如检查前史记载。
各部分功用如下：
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操控单元：担任办理硬件资源和软件使命间的通讯和调度，完结界面显现和用户交互，搜集加快度传感器的信息，经过算法核算出疲惫值，操控电池的充放电以及语音报警提示。
-
存储单元：存储Bootloader、Linux内核镜像以及用户运用程序，以完结嵌入式体系的正常运转。在用户存储空间保存用户的疲惫信息，以便检查。
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外围接口模块：完结体系与外围设备的通讯。如UART、I2C、SPI、VGA等接口。有些特别器材经过规划相应的接口IP完结通讯。
2.2疲惫检测原理
本体系经过加快度传感器，提取车辆行进的最根本加快度和转向角信息，在经过数学改换得到车速规范差、加快度小波分化的edl规范归一化能量、加快度小波熵、转向角小波熵、转向角的小波分化的ca5规范的归一化能量、转向角速度的规范差和转向角速度的能量等七个参数作为检测疲惫驾驭的特征量。下面介绍这些特征量的生成办法。
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特征生成
-
规范差的生成
规范差是一组数据均匀涣散程度的一种衡量，根据以下办法核算：
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转向角速度能量
(2-2)
-
小波熵的生成
(2-3)
为 概率，且 =1。
-
小波分化的某一规范归一化能量
(2-4)
式中， 为i规范下的能量，
。
-
根据主成分剖析的特征提取
主成分剖析法（Principle Component Analysis，PCA）是一种运用变量间的线性关系对多维信息进行核算紧缩的办法，能够有用处理输入相关性问题。
主成分剖析的首要思维是，关于整体
，将其主成分界说为这个P维向量的线形组合 ，
则：
-
是X的线性函数，即要求
，
是
维待定常数向量， -
i=1，2，⋯，k。
-
要求
尽可能大，即
能充分反映X的改变状况，i=1，2，．．．，k。 -
要求
互不相关，即
，i
，或许
之间尽可能不含重复信息。
这样的 
均称为X的主成分。从几许上讲，样本点
在P维空问形成了一个P维球形状的云团，主成分剖析便是经过提取云团分布最大的那些方向的办法，到达对特征空间进行降维的意图。
2.2.1形式辨认算法
本体系在试验阶段尝试了四种疲惫驾驭形式辨认算法，他们分别是：含糊聚类算法、BP神经网络算法、RBF神经网络算法、PNN神经网络算法。几种辨认算法的比较见下表：
表格 2‑1 几种算法的比较
|
算法称号 |
辨认作用 |
收敛速度 |
|
含糊聚类算法 |
准确率80%左右 |
收敛速度较快 |
|
BP神经网络算法 |
准确率90%以上 |
收敛速度慢，有时未收敛 |
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RBF神经网络算法 |
准确率70%左右 |
收敛速度快 |
|
PNN神经网络算法 |
准确率90%左右 |
收敛速度快 |
归纳考虑辨认正确率和收敛速度，PNN神经网络算法的辨认作用较好，收敛速度最快，最合适于在实时状况下运用。
2.3加快度传感器模块
现在市面上呈现的检测仪大部分是根据摄像头的检测体系，运用摄像头检测，不只功耗高，待机时刻短，而且摄像头检测会让驾驭员有一种被窥探的感觉，影响驾驭员心情，不利于驾驭员的正常驾驭。而咱们的检测仪是根据加快度传感器的检测体系。运用加快度传感器不只能检测驾驭员的行车状况，还能检测车辆的行进状况，将两者的状况彼此结合，能够得出比其他产品愈加准确的成果。而且运用加快度传感器还能下降产品功耗，添加待机时刻。
在本体系中，咱们运用美新公司的数字化热对流方向定位传感器（DTOS）MXC6225XU来搜集根本运动信息。MXC6225XU是一款低功耗，低成本，高精度的两轴运动定位传感器。它具有整个加快度计产品中最低的零重力偏移量，范围在整个运转的+/- 50mg 。MXC6225XU它输出的是两个笔直方向加快度8bit数字信号，最大值 ，选用 接口与外部通讯。
总线接口都是开漏或许开集电极输出，因而需求接上拉电阻。传感器外围电路如下：
图 2-3 加快度传感器运用电路
2.4LCD触摸屏模块
传感器检测到信息后，为了便利驾驭员及时的调整驾驭状况，需求及时的将信息反馈给驾驭员，最直观的办法便是图表和数字。关于车载的显现屏，归纳考虑车上的空间和能让驾驭员能明晰的看见显现屏上的数据等要素，咱们选用5寸的TFT-LCD显现屏。一起为了让驾驭员能便利的对检测仪进行操控，咱们挑选快捷的LCD触摸屏计划来完结人机交互。
TFT-LCD触摸屏模块包含TFT-LCD操控器（包含触摸屏操控器）、TFT-LCD显现屏、触摸屏三个部分。当检测到触摸屏上某一点被按下时，TFT-LCD操控器会记下触点的X和Y的坐标，一起向MCU发送一个中止的恳求，接收到中止的恳求后，MCU会读取存储的坐标值和触点所包含的操控信息。接收到这些信息后并进行处理后，MCU会经过操控TFT-LCD操控器来操控LCD显现屏显现信息。TFT-LCD模块的结构框图如下图所示：
图 2-4 TFT-LCD显现模块框图
TFT-LCD操控器咱们选用RA8870, RA8870是一个文字与绘图形式的液晶显现（TFT-LCD）操控器，可结合文字或2D 图形运用。RA8870内建内存能4K 色320*240 双图层显现。
RA8870还包含一些强壮的图形处理功用，如画面旋转功用、卷动功用、图形Pattern、双层混合显现和文字扩大等等，这些功用将可节约用户在中小尺度TFT 屏运用的开发时刻，而且进步MCU 软件的履行功率。
RA8870内建一组10位ADC和操控电路，以衔接四线或五线电阻式的触摸屏。触摸屏操控器的作业形式咱们选用主动形式中的外部中止。只需敞开触摸屏，挑选主动形式与敞开触摸屏中止功用，当硬件中止产生或寄存器，代表RA8870 现已将用户“Touch”到触摸屏的坐标存在寄存器中了。为了准确的检测到触摸，操控器选用推迟一段取样时刻的办法來等候信号变安稳，防止触摸屏被触摸的瞬间信号还不安稳。
2.5语音报警模块
驾驭员进入疲惫状况时，对外界的反响很差，留意力不会集，不必定能看见显现屏上的图标和文字提示，这时要想提示驾驭员安全驾驭，把驾驭员唤醒，有必要用大音量醒意图声响来影响驾驭员，使驾驭员康复清醒，所以有必要运用语音芯片进行语音正告。
咱们选用是WTV040系列语音芯片，它是一款一次性编程语音芯片。作业电压为DC2.5～3.6V，省电形式时耗电 2uA，在省电形式下，芯片上电后1秒钟或许语音中止播映后1秒主动休眠。当语音为6K采样频率时，存储的语音长度可到达40秒，音频输出为PWM或DAC形式，PWM形式输出时能够直接推进0.5W/8Ω的扬声器，DAC形式输出需求外接功放来驱动扬声器。图 2-5根据三串口形式的芯片运用电路。
图 2-5 WTV040语音芯片运用电路
2.6SD卡模块
SD存储卡被广泛地运用于便携式产品中，因为具有体积小、回忆容量高、数据传输率快、移动灵活性好以及安全性高级特色，成为嵌人式设备中最常见的存储前言。本体系运用SD卡作为存储设备，存储检测的波形，便利前史记载的检查。
SD卡有两个可选的通讯协议：SD形式和SPI形式。SD形式是SD卡规范的读写办法，可是在选用SD形式时，往往需求挑选带有SD卡操控器接口的MCU，或许有必要参加额定的SD卡操控单元以支撑SD卡的读写。在SD卡数据读写时刻要求不是很严厉的状况下，选用SPI形式能够说是一种最佳的处理计划。因为在SPI形式下，经过四条线就能够完结一切的数据交换，而且现在市场上许多MCU都集成有现成的SPI接口电路，选用SPI形式对SD卡进行读写操作可大大简化硬件电路的规划。
SD卡供给9Pin的引脚接口便于外围电路对其进行操作，9Pin的引脚随作业形式的不同有所差异。在SPI形式下，引脚1(DAT3)作为SPl片选线CS用，引脚2(CMD)用作SPI总线的数据输出线MOSI，而引脚7(DAl．0)为数据输入线MlSO，引脚5用作时钟线(CLK)。除电源和地，保存引脚可悬空。
图 2-6 SD卡接口电路
2.7电源模块
假如运用家用车供电，那么便会使得导线外接，不只不美观，减短运用寿命，还会对驾驭员得驾驭形成影响，咱们选用方形的3.7V锂电池供电。
因为体系内部的不同模块需求不同的电压供电，锂电池的3.7V输出不能满意供电需求，所需求升压和降压电路来满意不同原件的供电需求。FPGA作业电压为3.3V；语音芯片够做电压为3.3V；TFT显现屏作业电压为5.0V。
图 2-7 电源模块框图
其间充电办理芯片运用BQ2057，该芯片的充电器外围电路及其简略，十分合适便携式电子产品的紧凑规划需求。BQ2057能够动态补偿锂电池组的内阻以削减充电时刻；内部集成的恒压恒流器带有高/低边电流感测和可编程充电电流，充电状况辨认可由输出的LED指示灯或与主控器接口完结，具有主动从头充电、最小电流停止充电、低功耗睡觉等特性。运用电路如下：
图 2-8 BQ2057运用电路
如图 2-9，经过稳压芯片HT7333，得到3.3V输出电压，给P%&&&&&%32、FLASH、语音芯片供电；如图 2-10，经过升压芯片LT1308得到5V输出电压，给显现屏供电。
图 2-9 HT7333运用电路
图 2-10 LT1308运用电路
3项目立异点
3.1新的检测办法
现在市面上呈现的检测仪大部分是根据摄像头的检测体系，运用摄像头检测，不只功耗高，待机时刻短，而且摄像头检测会让驾驭员有一种被窥探的感觉，影响驾驭员心情，不利于驾驭员的正常驾驭。
而咱们的检测仪是根据加快度传感器的检测体系，不只能检测驾驭员的行车状况，还能检测车辆的行进状况，将两者的状况彼此结合，能够得出比其他产品愈加准确的成果。
3.2体系成本低、功耗小
与传统的根据摄像头的检测体系比较，不需求对很多图画信息进行搜集、处理和存储，体系成本低，且功耗小。
3.3产品便携性好
体系体积小，操作简略，且能够放置在轿车上恣意方位，便携性好。
3.4可拓宽性好
根据MicroBlaze和嵌入式操作体系的规划，往后能够添加根据摄像头检测疲惫的模块，加快度传感器和摄像头两种检测办法，进步检测精度。
3.5极大的运用价值
当产品满意老练时，它将得到广泛的运用。假如完结联网，当呈现异常车辆运动状况，判定为交通事端，能够完结报警，而且告诉其他车辆，防止呈现交通拥堵；假如能将司机的疲惫驾驭行为记载在案，传送给交通部门，能够作为驾驭员的信誉记载，便于交通部门办理和法律。
体系具有极大的社会价值和商业价值。
