基于生理信息分析的疲劳驾驶远程监测与报警系统和方法

1.一种基于生理信息分析的疲劳驾驶远程监测与报警方法，该方法采用基于生理信息分析的疲劳驾驶远程监测与报警系统，该系统包括脑电采集装置、上位机和下位机，该系统还包括手机模块，其中，脑电采集装置输入端连接驾驶员的大脑皮层，脑电采集装置输出端传输脑电信号至上位机，上位机对采集脑电信号进行处理并提取α频带信号，根据α频带信号变化范围输出相应驾驶员状态数据至下位机，下位机输出报警信号至手机模块；其特征在于：方法包括步骤如下：
步骤1、脑电采集装置实时采集驾驶员在驾车时的脑电信号；
步骤2、上位机对采集驾驶员脑电信号进行处理，并将驾驶员状态数据发给下位机；
步骤2-1、对采集的驾驶员脑电信号进行小波变换并提取脑电信号；
步骤2-2、对处理后的脑电信号中8～13Hzα频带信号进行提取；
步骤2-3、并判断脑电信号中α频带信号的变化幅度，当α频带信号幅值变化在
6％～15％范围时，确认为出现驾驶疲倦症状，输出状态数据至下位机并返回执行步骤
2-1；
步骤2-4、当α频带信号幅值变化在16％～25％范围时，确认为出现严重驾驶疲劳症状，输出状态数据至下位机并返回执行步骤2-1；
步骤2-5、当α频带信号幅值变化小于6％时，确认为司机可以正常驾车状态，输出状态数据至下位机并返回执行步骤2-1。
步骤3、下位机根据状态数据对驾驶员状况进行正常驾驶、轻度疲劳和严重疲劳的分类，并根据不同的状态数据控制车内报警装置和手机模块发送相应的短信信息至驾驶员监控人员手机；
步骤3-1、接收上位机发送数据；
步骤3-2、在下位机中判断接收驾驶员状态数据，若为驾驶疲倦症状，则控制车内报警装置；
步骤3-3、若为严重驾驶疲劳症状，则控制车内报警装置并执行步骤3-5；
步骤3-4、若为正常驾车状态，则返回执行步骤3-1；
步骤3-5、手机模块给驾驶员监控人员发送短信报警。

基于生理信息分析的疲劳驾驶远程监测与报警系统和方法\n技术领域\n[0001] 本发明属于生物医学工程和机械电子工程的交叉领域，具体涉及一种基于生理信息分析的疲劳驾驶远程监测与报警系统和方法。\n背景技术\n[0002] 在我国，由于汽车安全意识的欠缺，疲劳驾驶、超速行驶、酒后驾车等现象十分突出，成为引发重大交通事故的重要原因，其中，每年因为疲劳驾驶导致的死亡人数都是上千人。在国外，情况也很严峻，美国全国睡眠基金会2009年11月4日发表新闻公告说，全国每年因疲劳驾驶导致近200万起车祸。法国国家警察总署事故报告表明，因为驾驶疲劳导致的意外占人身伤害事故的14．9％，死亡事故的20．6％。据英国汽车协会统计，英国每年有十分之一的交通事故是由于司机疲劳驾驶而造成；来自德国联邦道路交通部门的统计显示，在德国每五起交通事故就有一起是因为疲劳驾驶引发的，此类交通事故造成的损失每年高达50亿欧元。近年来，由于计算机视觉和集成电路技术的发展，给驾驶疲劳检测的研究拓宽了空间，使之进入了黄金时期。下面是国外对疲劳检测取得的一些研究成果。\n[0003] 美国Attention Technologies公司研制出Driver Fatigue Monitor(DD850)疲劳检测预警系统，主要是通过红外摄像头去采集驾驶员眼睛信息，然后利用PERCLOS准则进行疲劳判定，最后起到预警的目的。这种装置受司机驾驶方位的局限，当司机在适当的位置时才能正常检测。\n[0004] 据法国媒体报道，及时发现驾驶员出现疲劳和睡意的关键是捕捉到其眼皮停止张合的状态。为此，雷诺汽车公司耗时5年研制成功了一种红外线装置。这一装置需要安装在汽车前方，与驾驶员的双眼直接对视。当驾驶员眼皮停止张合，即出现困意时，红外线装置会立即发出警报，使驾驶员惊醒，并继续保持正常驾驶。这种装置的缺点是：对驾驶员疲劳预警较晚，等到驾驶员眼睛停止张合的时候，已属于睡眠期，这对驾车相当不利，为了驾驶员安全驾驶，必须做到提前预警。\n[0005] 另外，以上涉及的成果都无法实现驾驶员疲劳驾驶远程报警与驾驶状态查询的功能。\n发明内容\n[0006] 针对现有技术的不足，本发明提出一种基于生理信息分析的疲劳驾驶远程监测与报警系统和方法，以达到快速实时监测、远程报警与查询、较早检测出驾驶员疲劳状态，提高检测预警能力的目的。\n[0007] 一种基于生理信息分析的疲劳驾驶远程监测与报警系统，该系统包括脑电采集装置、上位机和下位机，该系统还包括手机模块，其中，脑电采集装置输入端连接驾驶员的大脑皮层，脑电采集装置输出端传输脑电信号至上位机，上位机对采集脑电信号进行处理并提取α频带信号，根据α频带信号变化范围输出相应驾驶员状态数据至下位机，下位机输出报警信号至手机模块。\n[0008] 采用基于生理信息分析的疲劳驾驶远程监测与报警系统进行远程监测与报警的方法，包括步骤如下：\n[0009] 步骤1、脑电采集装置实时采集驾驶员在驾车时的脑电信号；\n[0010] 步骤2、上位机对采集驾驶员脑电信号进行处理，并将驾驶员状态数据发给下位机；\n[0011] 步骤2-1、对采集的驾驶员脑电信号进行小波变换并提取脑电信号；\n[0012] 步骤2-2、对处理后的脑电信号中8～13Hzα频带信号进行提取；\n[0013] 步骤2-3、并判断脑电信号中α频带信号的变化幅度，当α频带信号幅值变化在\n6%～15%范围时，确认为出现驾驶疲倦症状，输出状态数据至下位机并返回执行步骤2-1；\n[0014] 步骤2-4、当α频带信号幅值变化在16%～25%范围时，确认为出现严重驾驶疲劳症状，输出状态数据至下位机并返回执行步骤2-1；\n[0015] 步骤2-5、当α频带信号幅值变化小于6%时，确认为司机可以正常驾车状态，输出状态数据至下位机并返回执行步骤2-1。\n[0016] 步骤3、下位机根据状态数据对驾驶员状况进行正常驾驶、轻度疲劳和严重疲劳的分类，并根据不同的状态数据控制车内报警装置和手机模块发送相应的短信信息至驾驶员监控人员手机；\n[0017] 步骤3-1、接收上位机发送数据；\n[0018] 步骤3-2、在下位机中判断接收驾驶员状态数据，若为驾驶疲倦症状，则控制车内报警装置；\n[0019] 步骤3-3、若为严重驾驶疲劳症状，则控制车内报警装置并执行步骤3-5；\n[0020] 步骤3-4、若为正常驾车状态，则返回执行步骤3-1；\n[0021] 步骤3-5、手机模块给驾驶员监控人员发送短信报警。\n[0022] 采用基于生理信息分析的疲劳驾驶远程监测与报警系统进行查询的方法，包括步骤如下：\n[0023] 步骤1、手机模块实时判断有无检测查询信息，若有，则执行步骤2，若无，则返回执行步骤1；\n[0024] 步骤2、由下位机至上位机发送查询指令；\n[0025] 步骤3、上位机将驾驶员驾驶状态发送至下位机；\n[0026] 步骤4、下位机将信号发送至手机模块，手机模块发送短信至驾驶员监控人员手机。\n[0027] 本发明优点：\n[0028] 本发明一种基于生理信息分析的疲劳驾驶远程监测与报警系统和方法，利用手机模块可使驾驶员监控人员实时查询驾驶员的驾车状态，及时提醒防止驾驶员疲劳驾驶；当驾驶员处于疲劳驾驶状态时，本发明可以通过分析脑电信号及时报警，若驾驶员仍坚持驾车，下位机通过控制手机模块发送报警信息至监控人员手机，从而提高驾驶员疲劳驾驶的检测预警能力。\n附图说明\n[0029] 图1为本发明一种实施例装置结构框图；\n[0030] 图2为本发明一种实施例脑电采集装置的电极连接示意图；\n[0031] 图3为本发明一种实施例远程监测与报警部分电路原理图；\n[0032] 图4为本发明一种实施例单片机A工作流程图；\n[0033] 图5为本发明一种实施例单片机B工作流程图；\n[0034] 图6为本发明一种实施例基于生理信息分析的疲劳驾驶监测与报警流程图；\n[0035] 图7为本发明一种实施例上位机数据处理流程图；\n[0036] 图8为本发明一种实施例大脑α波活跃程度示意图；\n[0037] 其中：A)为正常状态下大脑α波活跃程度示意图；B）为疲劳驾驶状态下大脑α波活跃程度示意图；\n[0038] 图9为本发明一种实施例下位机报警功能流程图；\n[0039] 图10为本发明一种实施例驾驶员状态查询流程图。\n具体实施方式\n[0040] 下面结合附图，对本发明的实施例做进一步说明。\n[0041] 图1为本发明一种实施例装置结构框图，该装置包括脑电采集装置、上位机和下位机，该系统还包括手机模块，其中，脑电采集装置输入端连接驾驶员的大脑皮层，脑电采集装置输出端传输脑电信号至上位机，上位机输出疲劳信号至下位机，下位机输出报警信号至手机模块。本发明实施例中，脑电采集装置采用东北大学生物电子实验室设计的脑机接口BCI-II脑电采集设备，上位机采用PC机，下位机采用两个STC89C52型号单片机，手机远程通讯模块采用TC35型手机模块。如图2所示，脑电采集装置通过六个电极连接人脑Fp1、Fp2、P3、P4、Fz、Pz位置，另外脑电采集装置通过USB端口与PC机相连，PC机九针串口连接下位机单片机A的九针串口。\n[0042] 图3为本发明一种实施例远程监测报警与查询部分电路原理图。包括下位机（STC89C52型号单片机A、STC89C52型号单片机B）和手机模块TC35。\n[0043] 驾驶员状态监测报警功能实现：上位机通过串口DB9（九针串口）将数据传给下位机单片机A DB9串口（九针串口），单片机A对数据进行分类后，将报警信号发送给单片机B，单片机A的P00、P01、P02、P03引脚分别连接单片机B的P10、P11、P12、P13引脚。单片机B收到信号后，调用短信发送程序，控制手机模块TC35发送短信，从而实现报警功能，其中单片机B的P20、RXD、TXD引脚连接手机模块TC35的IGT、TxD0、RxD0引脚。\n[0044] 本发明实施例中，单片机A通过串口DB9（九针串口）接收上位机发出的数据；如图4所示，单片机A接收到数据后，判断单片机A的P00引脚是否置0，若置0则单片机A将查询指令发给上位机，上位机根据驾驶员脑电信号将状态数据发给单片机A，单片机A将状态数据分类；若未置0则单片机A直接判断接受数据，并进行状态数据分类。本实施例中采用十六进制“0X01”、“0X02”、“0X03”代码作为数据指令，对驾驶员状况进行正常驾驶、轻度疲劳和严重疲劳的分类，若等于十六进制“0X01”代码则单片机A引脚P01置0，控制车内扬声器报警，单片机A将置0信号并发送至单片机B的P11引脚，延时1秒后单片机A的P00、P01、P02、P03引脚置1；若等于十六进制“0X02”代码则单片机A引脚P02置0，同时车内扬声器报警，单片机A将置0信号并发送至单片机B的P12引脚，延时1秒后单片机A的P00、P01、P02、P03引脚置1；若数据等于十六进制“0X03”代码，则单片机A引脚P03置0，单片机A将置0信号并发送至单片机B的P13引脚，延时1秒后单片机A的P00、P01、P02、P03引脚置1；\n[0045] 如图5所示，单片机B接收单片机A传递的数据后，因为驾驶员严重疲劳报警优先级高于查询功能的优先级，因此单片机B首先判断P12引脚是否置0，若置0则单片机B通过引脚P20发送信号至手机模块TC35，手机模块TC35发送“严重疲劳”报警信息至驾驶员监控人员手机；若P12引脚未置0，则判断手机模块TC35接收查询信息，若收到查询短信，则单片机B将引脚P10置0（延时1秒置1）并传递至单片机A的P00引脚，单片机A将查询指令发给上位机，上位机根据驾驶员脑电信号将状态数据发给单片机A，单片机A将状态数据分类，并将状态数据发给单片机B，若单片机B的P12引脚置0则控制手机模块TC35发送“严重疲劳”信息至驾驶员监控人员手机；若单片机B的P11引脚置0则控制手机模块TC35发送“轻度疲劳”信息至驾驶员监控人员手机；若单片机B的P13引脚置0则控制手机模块TC35发送“正常驾驶”信息至驾驶员监控人员手机。\n[0046] 采用基于生理信息分析的疲劳驾驶远程监测与报警系统进行远程监测与报警的方法，，如图6所示，包括步骤如下：\n[0047] 步骤1、脑电采集装置实时采集驾驶员在驾车时的脑电信号；\n[0048] 脑电采集装置的佩戴方式如图2所示，脑-机接口BCI-II脑电采集设备通过六个电极连接人脑Fp1、Fp2、P3、P4、Fz、Pz位置；\n[0049] 步骤2、上位机对采集驾驶员脑电信号进行处理，并将驾驶员状态数据发给下位机；\n[0050] 如图7所示，包括步骤如下：\n[0051] 步骤2-1、对采集的驾驶员脑电信号进行小波变换并提取脑电信号；\n[0052] 步骤2-2、对处理后的脑电信号中8～13Hzα频带信号（即指频率在8～13Hz的脑电信号）进行提取；\n[0053] 疲劳时人脑的枕部（脑电极P3、P4位置）的脑电信号中的α波有下降的趋势，同时在大脑的额部（脑电极Fp1、Fp2位置）的脑电信号中的α波有上升的趋势，如图8所示。\n[0054] 步骤2-3、并判断脑电信号中α频带信号的变化幅度，当α频带信号幅值变化在\n6%～15%范围时，确认为出现驾驶疲倦症状，上位机输出十六进制“0X01”代码至下位机，并返回执行步骤2-1；\n[0055] 步骤2-4、当α频带信号幅值变化在16%～25%范围时，确认为出现严重驾驶疲劳症状，上位机输出十六进制“0X02”代码至下位机，并返回执行步骤2-1；\n[0056] 步骤2-5、当α频带信号幅值变化小于6%时，确认为司机可以正常驾车状态，上位机输出十六进制“0X03”代码至下位机，并返回执行步骤2-1。\n[0057] 步骤3、下位机根据状态数据对驾驶员状况进行正常驾驶、轻度疲劳和严重疲劳的分类，并根据不同的状态数据控制车内报警装置和手机模块发送相应的短信信息至驾驶员监控人员手机；\n[0058] 如图9所示，包括步骤如下：\n[0059] 步骤3-1、接收上位机发送数据；\n[0060] 步骤3-2、在下位机中判断接收驾驶员状态数据，若为驾驶疲倦症状，即接收信号为十六进制“0X01”代码，则控制车内报警装置；\n[0061] 步骤3-3、若为严重驾驶疲劳症状，即接收信号为十六进制“0X02”代码，则控制车内报警装置并执行3-5；\n[0062] 步骤3-4、若为正常驾车状态，即接收信号为十六进制“0X03”代码，则返回执行步骤3-1；\n[0063] 步骤3-5、手机模块给驾驶员监控人员发送短信报警。\n[0064] 采用基于生理信息分析的疲劳驾驶远程监测与报警系统进行查询的方法，如图10所示，包括步骤如下：\n[0065] 步骤1、手机模块实时判断有无检测查询信息，若有，则执行步骤2，若无，则返回执行步骤1；\n[0066] 步骤2、由下位机至上位机发送查询指令；\n[0067] 步骤3、上位机将驾驶员驾驶状态发送至下位机；\n[0068] 步骤4、下位机将信号发送至手机模块，手机模块发送短信至驾驶员监控人员手机。