駕駛員疲勞檢測無線傳感網絡系統探討

[摘 要]隨著無線傳感網絡技術的不斷發展，基于無線傳感網絡的應用研究廣泛地深入到工業、軍事、環境監測、醫療衛生和智能交通等領域。駕駛員疲勞檢測無線傳感網絡系統是其典型應用之一，其目標就是通過駕駛員的生理學和行為學特征的感知，對其疲勞狀態進行定性的智能分析，實現自動化預警，保證交通安全。本文首先給出了系統的構成，進而對系統建設的關鍵性問題進行分析，并提出了相應的方案。研究內容是后期實際應用開發的首要任務和理論基礎，具有重要的意義。

[關鍵詞]無線傳感；疲勞檢測；駕駛員；網絡系統

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.24.092

[中圖分類號]TP391.41 [文獻標識碼]A [文章編號]1673-0194（2016）24-0-02

駕駛員疲勞檢測是疲勞駕駛預警系統的核心，其目標是針對駕駛員的生理和行為特征（包括眼睛、表情、脈搏、手腳反映等）進行持續監測，并進行數據的實時分析，對駕駛員的疲勞狀態給出定性的分析。疲勞駕駛是造成交通安全事故的主要因素之一，先進、成熟、科學的疲勞駕駛檢測，對交通安全具有重要意義，也已成為現今的研究熱點。

無線傳感器網絡通過分布式的末梢傳感器感知、采集和分析外部環境對象狀態的改變，并通過無線通信方式進行網絡組建。無線傳感器網絡的發展得益于微機電系統（Micro-Electro-Mechanism System，MEMS）、片上系統（System on Chip， SoC）、無線通信和低功耗嵌入式技術的飛速發展。由于傳感器的多樣性，可以采集溫度、濕度、成分、運動形態與生理特性等各式各樣的信息，因此具有廣闊的應用前景，在醫療護理領域的應用是其主要發展方向之一，駕駛員疲勞檢測無線傳感網絡系統應用無線傳感器網絡技術檢測駕駛員的生理及行為特征，并在信息中心進行分析和處理，形成智能預警，服務于交通安全。

1 駕駛員疲勞檢測無線傳感網絡系統構成

圖1給出了駕駛員疲勞檢測無線傳感網絡系統構成。其中主要包括三個部分：感應區域內的感知結點、起到匯聚控制傳輸作用的匯聚結點、以智能移動設備為終端的智能監控決策中心管理結點。

感應區域內的感知結點具有特定數據采集能力，能實現簡單特征數據的臨時存儲，并能通過無線網絡與其他結點或路由匯聚結點通信，實現數據傳輸。每個感知結點根據其特定的采集任務進行選擇與配置。

起到匯聚控制傳輸作用的匯聚結點包括兩個方面的功能：首先，其將無線傳感器網絡與外部的智能中心進行了有機連接，實現數據上傳和下達；其次，匯聚結點具有相對感應結點較強的處理能力，能夠分析處理感應結點的代碼、安全密鑰等信息，并進行密鑰、入侵檢測等安全處理。

智能監控決策中心管理結點即可以實現整個疲勞駕駛無線傳感器網絡的管理，又能夠對收集的數據信息進行加工處理，是一個智能的數據處理中心，最終實時對駕駛員的疲勞程度做定性的分析和預警，其通用的終端形式多采用行車電腦或智能移動手機等。

2 駕駛員疲勞檢測無線傳感網絡系統建設的關鍵點分析

2.1 疲勞檢測指標的設定及數據采集

要實現駕駛員的疲勞檢測首先要明確駕駛員的哪些生理特征能夠反映出駕駛員的疲勞狀態，即明確需要哪些傳感器。衛兵 等給出通過生物電特征進行疲勞檢測的分析和設計，魏凌一 等給出了基于面部圖像特征和心跳、血壓特征的疲勞檢測設計。綜合已有的研究結果和醫學健康理論，疲勞特征主要包括兩個方面：一方面是生理指標的改變（包括血壓、心跳等）；另一方面是指生理行為特征（如閉眼、點頭、呼吸與手腳移動等）。因此，系統要包括：面部變化視頻傳感器結點、心電感應結點、呼吸感應結點和手腳運動感應結點，并完成相應任務數據的采集。 2.2 網絡及信息安全

網絡及信息安全是無線傳感器網絡需要面對的直接問題。系統中的感應結點是低能耗設備，其存儲能力、運算能力和通信能力受到嚴重的制約，如何抵御非法的外部入侵和DoS拒絕服務攻擊是系統設計的重點問題。目前，解決網絡及信息安全的主要方法有密鑰管理和入侵檢測。在無線傳感器網絡中密鑰主要有三種形態：成對密鑰、分組密鑰和網絡密鑰，各自有其應用特征，都具有較高的安全性，但在計算量、空間需求、數據傳輸量方面很難滿足傳感器低計算、低存儲、低傳輸的性能要求。無線傳感器網絡的入侵檢測雖然已成為相應的研究熱點，但研究成果并不多，其所關心的是基于攻擊方式的識別。基于現狀，一種無線傳感器網絡中動態密鑰管理和入侵檢測有機結合的模型和方法成為保證網絡及信息安全的主要途徑，如圖2所示。

在方法模型中，首先通過算法實現合理的分組，進而在分組內檢測異常行為和模式匹配，找出工作異常的感應結點。其次，采用組排除密鑰算法為組內感應結點分配密鑰，既保證空間需求的同時，為組內每一個感應結點建立直接的路徑。發現非法結點存在時，管理結點建立新密要將非法結點排除。再次，高效、科學的入侵檢測。入侵檢測算法涵蓋了已發現的全部攻擊方式及被入侵后的恢復方法。而后，基于圖論和博弈論加強入侵檢測模塊的布置優化，在組內構建用于檢測的組內組。最后，促進組內管理感應結點與檢測組內組的協作實現動態密鑰與入侵檢測的組內融合。 2.3 通信技術

無線傳感器網絡的網絡傳輸基于五層協議：應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層和物理層，每一層都有其任務和分工。隨著通信技術進步和研究的深入，目前，主流的無線傳感器網絡標準主要有IEEE 802.15.4、Zigbee、ISA100.11a及WIA-PA等。在實際應用中這些標準在適用性上都存在一定問題，如Zigbee接入互聯網時需要復雜的應用層網關，也不能實現端到端的數據傳輸和控制。而后，相關研究者發現IPv6協議同樣可以在無線傳感器網絡中應用，而且簡單、安全。IPSO聯盟推出了IPv6/6Lowpan協議可以實現端到端的無網關、低成本通信，未來很可能成為相應的主流標準。

2.4 智能管理平臺應用開發

智能監控決策中心是集管理、數據存儲、數據分析和智能決策的多功能信息化平臺，其應用開發主要是針對移動智能設備和車載電腦的應用軟件的開發。包括采集到數據的存儲設計，尤其是針對采集到的非結構化數據（如圖像、行為數據）的存儲，既要考慮相應設備的存儲能力還要顧及后期數據分析挖掘的實現難度。基于此，美國加州大學開發的tinydb無線傳感器網絡數據庫依然是系統實現的首選。智能監控決策中心事實上還是一個疲勞度智能分析的決策系統，基于醫學及生理特征的疲勞檢測的模型庫、算法庫和專家庫的建設也是重要內容。

3 結 語

駕駛員疲勞檢測無線傳感網絡系統是無線傳感網絡和移動智能處理技術的綜合性應用。針對駕駛員在駕駛過程中的醫學及生物學生理特征對駕駛員的疲勞狀態給出定性的分析和預警。其整個系統的設計和實現涉及感應器對相應醫學、生物學生理特征的數據采集、各感應器采集信息的傳輸及網絡組建。采集數據的無線網絡上傳和移動智能管理決策中心的處理與決策過程，是一個完整的信息化應用系統。本文對系統組成、系統設計的關鍵性問題進行了剖析，其研究內容是后期實際應用開發的理論基礎，具有重要的意義。

主要參考文獻

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