黃原有，陽 韜，張楊志

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣州 510800）

0 引言

目前，我國經(jīng)濟發(fā)展迅速，汽車的數(shù)量也越來越多，但每年汽車事故頻繁發(fā)生，車輛安全已成為人們出行主要問題?，F(xiàn)在的車輛監(jiān)測系統(tǒng)主要是采用STM32單排片機驅(qū)動定位［1］、酒精、溫濕度、火焰［2］等傳感器，采集數(shù)據(jù)后通過服務(wù)器傳送到后臺管理，進而進行車輛的監(jiān)測。而基于4G／5G的車輛監(jiān)測系統(tǒng)是采用4G／5G模組，進行數(shù)據(jù)的高速傳輸，將車輛的行駛信息快速傳送到后端及進行數(shù)據(jù)的處理，并顯示在后臺界面，然后將后端的指令傳達到底層的車輛監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的實時性。

本文研發(fā)一種基于4G／5G的車輛監(jiān)測系統(tǒng)，主要是運用STM32單片機驅(qū)動多種傳感器，進行數(shù)據(jù)的收發(fā)，并傳給Jetson Nano人工智能處理器，再通過Jetson Nano將攝像頭的圖像信息以及底層的信息，上傳到后臺管理進行車輛的監(jiān)測，用以提高車輛駕駛的安全性。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

基于4G／5G的車輛監(jiān)測系統(tǒng)是通過底層的車載監(jiān)測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的收發(fā)，經(jīng)過4G／5G模組將底層的數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器端，最后經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理將車輛的行駛狀況信息顯示在監(jiān)測管理中心。底層的車載監(jiān)測系統(tǒng)通過由STM32f407驅(qū)動多種傳感器組成的底層監(jiān)測系統(tǒng)與中上層的Jetson Nano人工智能處理器組成，進行各種數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測，同時可以接受管理端的相關(guān)指令。管理監(jiān)測中心則主要是可以接入互聯(lián)網(wǎng)的機房，接收車載安全控制系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，進行車輛數(shù)據(jù)的管理、實時顯示、故障分析、突發(fā)狀況報警等。云服務(wù)器端進行車輛數(shù)據(jù)的存儲和分析，供客戶端訪問查看數(shù)據(jù)。系統(tǒng)整體設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件部分的主要車載監(jiān)測硬件系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)的硬件部分可以分為由STM32單片機控制傳感器組成的底層嵌入式系統(tǒng)和由Jetson Nano人工智能處理器控制的中層系統(tǒng)。

圖2 車載監(jiān)測硬件系統(tǒng)

2.1 底層嵌入式系統(tǒng)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計如圖3所示，底層嵌入式系統(tǒng)主要是通過STM32f407驅(qū)動紅外傳感器、車輛控制系統(tǒng)的CAN總線接口［3］、氣體酒精傳感器模塊、MPU陀螺儀角度傳感器、司機體征檢測手環(huán)以及北斗定位模塊去采集車輛以及駕駛員的信息。

圖3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

紅外傳感器是用于安裝在車門的位置，用于記錄車載人數(shù)，便于發(fā)生事故時對傷員的及時救援。而車輛的控制系統(tǒng)的CAN總線接口則用于讀取車輛設(shè)備的狀態(tài)信息。對于氣體酒精傳感器模塊則是用于安裝在汽車方向盤的位置，便于檢測司機呼出的氣體中的酒精含量，進而判別司機是否酒駕，如有酒駕的情況，則后臺管理系統(tǒng)將提醒司機酒駕的危險駕駛行為。而MPU陀螺儀角度傳感器則用于檢測車輛的姿態(tài)信息，判斷車輛是否發(fā)生碰撞及汽車當(dāng)前車速信息，及時上傳給后臺。司機體征檢測手環(huán)則用于采集司機的心率信息，并通過藍牙將信息傳送到STM32f407單片機，使后臺管理中心能及時得知司機心率等身體狀況信息。北斗定位模塊基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對汽車進行定位，將車輛的位置信息及時反饋到后臺。

2.2 Jetson Nano人工智能處理器

當(dāng)?shù)讓拥谋O(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)通過串口將車輛的信息傳送到Jetson Nano人工智能處理器后，Jetson Nano會將車輛信息以及攝像頭的信息，通過4G／5G模組一起將信息上傳到云服務(wù)器端。

駕駛位攝像頭主要用于人臉識別［4］，識別駕駛司機是否為車主，如若不是，則發(fā)出警報。司機的人臉識別主要基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［5］，將司機的圖像預(yù)先錄入到系統(tǒng)中，進行人臉檢測和灰度處理形成訓(xùn)練集，再進行人臉識別建模，經(jīng)過多輪的訓(xùn)練使模型的精確度達到90%

以上則將模型保存。等下次司機駕駛時，則將采集司機圖像，經(jīng)過人臉檢測和灰度處理后，作為模型的測試集輸入到模型，進行人臉識別，這時會設(shè)置一個閾值，當(dāng)識別人臉的概率大于等于這個閾值則輸出正確的人名，小于該閾值則輸出為陌生人。

車內(nèi)置攝像頭主要用于監(jiān)控車內(nèi)的駕駛環(huán)境，如在大巴上有不法分子干擾司機駕駛，則后臺人員監(jiān)測到這一畫面時，可以及時發(fā)出警報，并且可以記錄這段監(jiān)控錄像，將犯罪分子繩之于法。

前置攝像頭主要用于監(jiān)控車輛行駛時前方的行駛路況，便于發(fā)生突發(fā)情況時報警。

黨的十九大報告指出：推進綠色發(fā)展。加快建立綠色生產(chǎn)和消費的法律制度和政策導(dǎo)向，建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟體系。構(gòu)建市場導(dǎo)向的綠色技術(shù)創(chuàng)新體系。構(gòu)建政府為主導(dǎo)、企業(yè)為主體、社會組織和公眾共同參與的環(huán)境治理體系。

4G／5G模組主要是對Jetson Nano中的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)，因其傳輸速度非?？欤詫⒈O(jiān)測系統(tǒng)的延時降到了最低，能夠?qū)崟r監(jiān)測車輛的行駛狀況。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 軟件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

如圖4所示，系統(tǒng)的軟件部分主要是上層部分，即Jetson Nano人工處理器的車載數(shù)據(jù)，將會通過4G／5G模組上傳到云服務(wù)器，云服務(wù)器將對這些數(shù)據(jù)進行分析和處理，并記錄車載和已處理的信息。后臺管理設(shè)備可以通過路由器訪問云服務(wù)器上已處理的數(shù)據(jù)［6］，并顯示在后端界面上。也可以開發(fā)一個微信小程序，移動設(shè)備可以進入該小程序，通過路由器訪問云服務(wù)器上的數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)在手機界面上。

圖4 軟件層結(jié)構(gòu)

3.2 數(shù)據(jù)分析及處理

基于4G／5G車輛監(jiān)測系統(tǒng)是基于4G／5G的快速傳輸能力，對車載進行實時的監(jiān)督，而對于傳輸過來的底層車輛信息，則需要對于做進一步的數(shù)據(jù)處理，便于后臺管理人員監(jiān)督，并能將數(shù)據(jù)簡明的呈現(xiàn)給用戶。因此，對于本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，則采用了模糊綜合評價法［7］對數(shù)據(jù)進行評價：

（1）建立了一個因素集U＝｛u1，u2，u3，u4，u5｝，u1表示司機駕駛的時長，u2表示司機的心率值，u3表示汽車行駛車速，u4表示司機呼出氣體的酒精濃度，u5表示汽車的狀態(tài)信息。

（2）建立一個綜合評價的評價集V＝｛v1，v2，v3，v4｝，v1表示當(dāng)前車輛駕駛狀態(tài)舒適，v2表示當(dāng)前駕駛狀態(tài)良好，v3表示當(dāng)前車輛駕駛狀態(tài)較差，v4表示當(dāng)前車輛駕駛不適合駕駛應(yīng)立即停止駕駛。

（3）對每個因素進行單因素評價進而獲得評價矩陣R［8］，在對每個單因素進行評價之前會根據(jù)車載監(jiān)測系統(tǒng)上傳的每個因素值進行等級劃分。例如對于駕駛時長在0～2 h為舒適駕駛，2～4 h為駕駛狀態(tài)良好，4～5 h為駕駛狀態(tài)較差，6 h以上則不適合駕駛，需停止駕駛。假設(shè)司機駕駛的時長最多是8 h，則當(dāng)駕駛時長在0～2 h，（u1，vj）有序?qū)t可能為［0.75，0.125，0.075，0.05］。因為軟件系統(tǒng)會根據(jù)駕駛時長t，用1－t／8作為評價為舒適駕駛的值即0.75。再用t／6分別乘以0.7、0.2、0.1得到評價為良好、較差、不適合的值，即（u1，vj）有序?qū)χ械?.125、0.075、0.05。

軟件會根據(jù)類似的評價體系，對底層傳輸過來的每個因素進行等級劃分，再對每個因素賦予評價值，最后得到一個評價矩陣如下：

（4）確定每個因素的權(quán)重集合，即A＝｛a1，a2，a3，a4，a5｝，ai越大表示該因素占的比重越大，在本系統(tǒng)中采用的權(quán)值集合是｛0.15，0.35，0.3，0.2｝。

（5）建立一個綜合評價模型，即定義一個模糊向量B，B＝A×R＝｛b1，b2，b3，b4｝，在b1～b4之間取出最大值，該最大值對應(yīng)的評價就是當(dāng)前的車輛駕駛狀態(tài)。如：b2最大，則當(dāng)前車輛駕駛狀況良好，可繼續(xù)駕駛。

3.3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果展示

車載數(shù)據(jù)在后臺將會顯示車載攝像頭所監(jiān)控畫面、司機人臉檢測的結(jié)果和司機呼出氣體的酒精濃度，以及車速和司機心率隨時間的變化，如圖5所示，車輛駕駛狀態(tài)的評價如圖6所示。

圖5 車速和司機心率變化

圖6 車輛駕駛狀態(tài)的評價

4 結(jié)束語

本文研究基于4G／5G的快速傳輸能力，對車輛駕駛狀態(tài)信息傳輸，并對車輛數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理與分析，實時顯示在后臺管理中心以及用戶的移動設(shè)備上；可以實現(xiàn)車輛的監(jiān)測，避免突發(fā)狀況的發(fā)生，并可在發(fā)生事故后，第一時間報警請求援助來搶救生命?？蓪⑵鋺?yīng)用于各汽車制造公司，為該公司的汽車提供安全保障。也可應(yīng)用于出租車公司、公交車公司和長途客車公司。給公司的車輛安裝一套安全系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測車輛的運行狀態(tài)，了解司機的駕駛情況，并針對性地處理，能夠減少事故發(fā)生，減少人員和財產(chǎn)的損失。