汽车安全卫士，包括酒精检测，疲劳检测，空气质量检测
一、项目概述
1.1 引言
本方案基于Atmel Studio 5及AVR平台，设计一个融合酒精检测、疲劳检测和车内空气质量检测为一体的汽车安全卫士系统，通过对驾驶员呼出气体的酒精浓度检测判断是否允许启动汽车；并且在驾驶过程中实时监控驾驶员的眼睛状态，如果发现驾驶员出现瞌睡等情况则会通过声光提醒驾驶员以及附近车辆，必要时通过自动减速来确保驾驶员的人身安全。此外，通过对汽车内部的CO、CO2、O2等气体参数监测,显示气体浓度并提醒驾驶员开窗，改善驾驶环境。
1.2 项目背景
据我国交通事故统计年报：2009年，全国共发生道路交通事故238351起，造成67759人死亡、275125人受伤，直接财产损失9.1亿元。其中酒后驾驶、疲劳驾驶等严重违法行为是导致交通事故的主要因素。但是酒后驾车，只是在车祸发生后或临时检查时才进行驾驶者体内酒精浓度的检测，这样并不能从根本上减少悲剧的发生，为了防患于未然，本系统在汽车启动之前进行酒精浓度检测、预警；对于疲劳检测，目前国内这方面产品很少，比较有代表性的就是去年南京远驱科技有限公司推出的gogo850平安行，但是此产品只能预警，并不能在必要的时刻采取相应的强制措施。故该系统在设计时，不仅考虑到预警机制，还在预警无效后强制汽车缓慢减速，从最大限度上减少因酒后驾车给人们带来的生命和财产损失。
1.3 系统特点
创新性：
（1）汽车启动之前进行酒精浓度检测、预警；
（2）疲劳检测预警无效后，必要时刻强制汽车缓慢减速；
环保性：
（1）检测空气质量，改善驾车环境；
（2）系统安全，低功耗，无污染；
二、需求分析
2.1 功能要求
该系统设计实现三大功能：通过酒精监测避免酒后驾驶；通过人眼状态监测避免疲劳驾驶；通过车内的空气质量监测优化驾车环境。
功能一：酒精检测。在汽车启动之前对驾驶员附近空气中酒精浓度进行检测。当检测到空气中酒精含量大于0.095mg/L（对应驾驶者每毫升血液中酒精含量大于或等于0.2mg——我国酒后驾车的判定标准），系统断开汽车点火开关，禁止启动，同时发出语音提示或者预警。此时，系统仍处于工作状态。反之，汽车正常启动。
功能二：疲劳检测。实时监测驾驶者疲劳状态，如果驾驶者疲劳，先向驾驶员发出预警，同时通过紧急信号灯提醒周围汽车，此时系统进入紧急模式；预警后再次检测，如果驾驶员仍处于疲劳状态，则中央控制器自动向变速器发出控制指令，使汽车缓慢减速到较低等级。
功能三：车内空气质量监测。该系统可以实时监测车内的空气质量，并将气体浓度通过显示屏输出。如果车内空气质量不合格，则向驾驶者发出预警。
2.2 性能要求
（1）汽车启动前灵敏、准确的检测车内酒精浓度。
（2）汽车启动后，全程实时监测驾驶者疲劳状态，准确获得驾驶者的睁闭眼次数及时间。
（3）整个系统要求安全、稳定，功耗小，无污染。
三、方案设计
3.1 系统功能实现原理
图1 系统功能图
3.1.1酒精检测
（1）数据采集
通过酒精传感器对车内酒精浓度进行采集。经过对性能、环保、经济以及日后的推广等多方面因素的综合考虑，我们选择功耗小、稳定性好、反应速度快，生产成本相对较低，适合于大量生产的半导体酒精传感器作为采集工具。该传感器就是将酒精浓度转变为电流信号输出。图2为半导体酒精传感器的工作原理图：
图2 酒精传感器工作
（2）数据处理系统
将采集到的数据送入系统终端进行分析计算并采取相应措施。因为人饮酒时，酒精被吸收，但并不会被消化，一部分酒精挥发出去，经过肺泡，重新被人呼出体外。经测定，这种呼出气体中的酒精浓度和血液中酒精浓度的比例是2100：1，即每2100 ml 呼出气体中含有的酒精和1ml血液中含有的酒精在量上是相等的。利用酒精浓度和血液中酒精浓度会呈现出一定比例关系的原理，通过采集来的数据，计算出受测者血液中的酒精含量。
3.1.2疲劳检测
目前，对于疲劳程度的判断主要通过检测人眼状态来实现。该方法主要包括三部分：人眼定位，参数提取，疲劳程度判断，如图3所示。但是此方法受人眼定位误差的影响很大，为了克服这个缺点，本系统将摄像头嵌入头盔中，实现对人眼区域的固定定位。下面对数据采集和处理两部分的实现进行具体说明：
图3 疲劳检测流程
（1）数据采集
通过摄像头获得驾驶员眼睛状态的图像数据，预处理后将其通过无线传输模块送入系统终端。在实际应用中，可以根据精度和准确度等实际要求，通过其他方式采集更准确的数据信息。
（2）数据分析处
通过对采集来的数据进行处理，计算出评测疲劳程度的PERCLOS参数——该参数由美国联邦公路管理局研究得到，被公认为是检测人类疲劳最可靠、最有效的方法，具有很高的准确度——PERCLOS表征一定的时间内眼睛闭合时间所占的比例；其值越大，驾驶者的疲劳程度越严重。系统将计算出来的PERCLOS参数值和预设值进行比较判别疲劳程度，采取相应的措施。
3.1.3汽车自动变速
目前，自动变速器已经广泛应用在汽车上，而新兴的电子控制自动变速器更是现在发展的热门。其主要特点是实现一机多参数控制，并在此基础上将控制变速器的微机与控制发动机的微机合并在一起，实现其综合控制。一机是指采用单一微机控制，多参数是指输入微机的控制参数多元化，即控制参数不仅有发动机转速、车速、节气门开度等信号，而且有反映发动机和变速器工作环境、车辆行驶环境的信号，这些参数能全面反映发动机和变速器的实际工况。多规律是指控制微机中同时存储多种换挡规律，如最佳经济性和最佳动力性换挡规律等。传统的自动变速系统框图如下：
图4 传统的自动变速系统框图
本系统将PERCLOS参数作为微机输入控制参数，实现必要时汽车减速控制：汽车启动后，通过PERCLOS参数判断司机的疲劳状态，若超过阈值，首先向驾驶者发出报警信号，此时系统仍然处于实时检测状态，若一定时间内警告无效，则微机控制单元会自动采取减速措施。以下是改进后的自动变速器原理图：
图5 改进后的自动变速器原理图
3.1.4车内空气监测系统
由于汽车是一个封闭的小环境，对空气质量的自我调节能力差，可能导致空气中各成分浓度不平衡；同时汽油天然气等化石燃料的不完全燃烧可能产生CO等有毒气体。系统对CO、CO2、O2这三种关键气体进行了监测。
车内空气质量监测系统原理和酒精检测系统原理类似。首先利用一氧化碳传感器，二氧化碳传感器，氧气传感器采集数据；然后，对数据进行分析，并与预设值进行比较。如果某项指标不合格，发出预警。
3.2 硬件平台选用及资源配置
本作品以基于Atmel AVR 32 AT32UC3A单片机控制器的EVK1105（EVK1100）为硬件平台，并移植嵌入式操作系统μC/OSII作为最终开发系统。
EVK1105（EVK1100）包括FLASH程序存储器、看门狗、EEPROM、同/异步串行口、TWI、SPI、A/D模数转换器、定时器/计数器等，并且拥有门类齐全的中断系统，具备输入捕获和比较匹配输出等多样化功能的定时器/计数器，具有替换功能的I/O端口等，这些都为μC/OSII的移植提供了很好的物理资源。
嵌入式操作系统μC/OSII（micro controller operating system）是专为微控制器系统和软件开发而设计的公开源代码的抢占式实时多任务操作系统内核，是一段微控制器启动后首先执行的背景程序，作为整个系统的框架贯穿系统运行的始终。该嵌入式系统具有公开源代码，可移植性好，可裁剪，可固化等优良的特点。因为本作品中涉及到许多数据采集系统，所以移植实时性高，稳定性好μC/OSII无疑可以大大提高系统性能。
除此以外，我们的作品还用到以下一些硬件资源：
酒精传感器
氧气、一氧化碳，二氧化碳气体传感器
AT86RF231或AT86RF212射频模块
汽车模型
3.3 系统软件流程
汽车车门打开后，系统自动初始化，液晶显示器显示当前的车内环境的酒精、CO、CO2、O2浓度。如果检测到酒精浓度超标，系统会通过控制电子开关阻止汽车启动，直到酒精浓度低于阈值才会开启电子开关，允许启动；如果检测到CO、CO2、O2浓度超标，会提醒驾驶员开窗通风。启动后，基于人眼状态识别的疲劳检测系统初始化，并对人眼状态进行实时的采集、分析，并做出相应的处理。其对应的软件流程图如下：
图6 软件流程图
3.4 系统预期效果
汽车安全卫士预计实现：启动前，通过对酒精浓度的检测来控制模型小车的启动。在行驶的过程中，通过模拟人疲劳状态下眼睛的闭合来产生疲劳信号，使小车缓慢减速；同时，系统对车内环境的气体参数实时监测并显示，必要时提醒驾驶员采取相应的措施改善车内空气质量，优化驾驶环境。以下为具体模拟演示过程：
将酒精传感器置于酒精浓度超过预设值的环境中，此时小车无法启动，语音模块发出语音提示“禁止酒后驾车”；反之，小车可以正常启动。
在小车启动后行驶的过程中，由实验者带上特制头盔模拟人体瞌睡状态下眼睛的闭合来产生疲劳信号。具体为： 实验者轻轻眨动眼睛，系统没有产生反应，但是当人眼一次闭合时间达到3-4秒时，汽车的警报响起，提示实验者谨慎驾驶，如果实验者在提醒后依然处于之前的“瞌睡状态”，系统就会向小车发出制动信号，小车将慢慢减速。
与此同时，系统对车内（用一个大小合适的密闭空间来模拟）的CO、CO2、O2浓度实时监测并显示，当气体浓度不超标时，传感器采集到的数据将只是被简单地显示在显示屏上；然后往容器中放入石灰石和稀盐酸的反应装置，提高容器里面的CO2浓度，系统出现语音提示：“CO2浓度过高，影响您的驾驶状态，请开窗通风”。
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