基于ZigBee的疲劳驾驶警示系统的研究与设计

1 引言

　　随着汽车业的快速发展，与之相关的交通事故也在快速增高，而这些事故中，疲劳驾驶所造成的交通事故约占总数的16%，在高速公路上更是超过了 20%[1]，因此研制疲劳驾驶预防和报警装置成为当今疲劳驾驶研究的重点和难点。随着新技术的出现和发展，本文提出了基于ZigBee 无线传感网络技术与信息融合决策技术相结合的疲劳驾驶系统。通过ZigBee 技术组建的网络有如下特性：监测方式由于单一而导致系统性能欠佳[2]，而系统的扩展又受到车身空间布线、成本等各方面的限制。因此利用ZigBee 技术无线、安全、可靠、低功耗等特点，将单片机控制技术与之结合，引入到车辆传感器的设计中，不仅可以省去通信电缆的安装，降低安装工程量，还可以安全可靠地实现数据传输和网络互联，从而开发出适用性更强的车辆传感器。另外ZigBee 技术低功耗、低成本的特点非常适合行车途中。

2 疲劳检测系统架构与原理

　　2.1 ZigBee 网络的组建与通信

　　基于车内各节点通信距离比较短，无需路由器扩展网络覆盖面，本模型采用 Zigbee 星形网络结构，只需要协调器和各传感器设备即可构成网络，从而降低整个系统的组网复杂程度。中间的协调器负责发起和维护网络，并将收集到得信息交给高性能处理器完成信息的融合决策，再由处理器把疲劳判断结果传给警示器。

　　（1）车道偏离检测、眼睛频率检测、眼睛闭合时间检测、打哈欠这4 处先由传感器收集原始图像的信息，再将信息传给各自的DSP 芯片去处理，得到疲劳信息，最后将采集信号处理的结果传输给ZiBee SoC 模块。这里采用TI 公司的CC2430，单个CC2430 芯片上整合了ZigBee 射频（RF）前端、内存和微控制器。在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA 或25mA。CC2430 对于车载系统要求非常长电池寿命的要求来说是比较适合的。这4 处的信息最后都由CC2430 发送给协调器。具体的实现框架流程图见图1。

　　（2）Coordinator 负责组网和管理各终端传感器，组网基本流程为：首先进行能量扫描和激活扫描信道，如果发现合适的信道，则创建一个唯一的16 位网络PAN ID，在ZigBee网络系统中Coordinator 的网络短地址固定设置为0，然后开始向四周广播网络信息，并接受处理其网络覆盖范围内的加入网络的请求，然后加入新节点的信息。组网流程图如下，见图2。

　　从流程图我们可以看到协调器并不处理和保存传感器节点发来的信息，它直接将疲劳信息交给高性能处理器处理，这样协调器能更好地管理网络。处理器负责实现多个疲劳特征的融合判断。该模型将协调器与信号汇聚节点（网关）统一设计，协调器/网关负责与各个终端设备的通信与外网的通信。如果驾驶员疲劳驾驶情况严重，易于造成交通事故的时候，协调器将驾驶员信息送入网关，然后转化成外部网络的信息格式，最后通过GSM/GPRS 方式与公路安全网通信，发往远程监控设备。

2.2 传感信息获取技术

　　驾驶员面部图像通过红外摄像机和 LED 来获取，其中用于照明的LED 能够发出光谱分别为850nm 和950nm 的光线。当使用不同红外光谱的时候，眼睛瞳孔会呈现出不同颜色。当用 850nm 红外光照明，瞳孔呈现出红色，即俗称的红眼效应；而用 950nm 红外光照明，瞳孔却呈现出黑色。两幅图像除了瞳孔以外，脸部其它部位都是一样的。通过比较这两幅图像，就可以很容易定位到眼部，再通过一系列图像处理来得到面部的参数和实现眼部跟踪。另外，使用红外LED 在减少周围光线干扰确保图像质量的同时，还能减少对驾驶员视觉的干扰，因为它的光线几乎是看不到的。眼部对比情况如图3：

　　为了能够同时得到图3 的(a)、(b)两幅图像，可以采用图4 所示的红外摄像头装置，当入射光照到中间的分光片（它可以将入射激光线分离为反射/ 透射比为 1 的两束光线)的时候，能将入射光线平行分成两束，再分别经过850nm 和950nm 的滤光片进入到摄像头中，这样在同一时刻得到的两幅图像除了瞳孔颜色不同，其它的都是一样的。为了在有限的时间内完成大量图像数据的处理，DSP 图像处理芯片采用TMS320DM642，它的图像处理速度能达到每秒25 帧以上，也就是能在40ms内完成对一帧图像的运算处理，再加上CCD 摄像头是PAL 制每秒25 帧的，这些设备足够完成实时的图像处理，完成对驾驶员眨眼频率加快、眼睛闭合缓慢、打哈欠的疲劳特征的提取和计算。

车道偏移检测即基于车辆的行为来间接地反应司机的疲劳迹象。我们将 CCD 摄像头朝向汽车行驶方向，监测车辆的行驶方向，同时监测转向灯。如果汽车方向改变而转向灯没有开启，则认为驾驶员有进入疲劳驾驶的可能。车辆行为的检测不是