駕駛員疲勞檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)探討

高昱

[摘 要]隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用研究廣泛地深入到工業(yè)、軍事、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生和智能交通等領(lǐng)域。駕駛員疲勞檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是其典型應(yīng)用之一，其目標(biāo)就是通過駕駛員的生理學(xué)和行為學(xué)特征的感知，對其疲勞狀態(tài)進(jìn)行定性的智能分析，實(shí)現(xiàn)自動化預(yù)警，保證交通安全。本文首先給出了系統(tǒng)的構(gòu)成，進(jìn)而對系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵性問題進(jìn)行分析，并提出了相應(yīng)的方案。研究內(nèi)容是后期實(shí)際應(yīng)用開發(fā)的首要任務(wù)和理論基礎(chǔ)，具有重要的意義。

[關(guān)鍵詞]無線傳感；疲勞檢測；駕駛員；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.24.092

[中圖分類號]TP391.41 [文獻(xiàn)標(biāo)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(yù)警系統(tǒng)的核心，其目標(biāo)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(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時分析，對駕駛員的疲勞狀態(tài)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(jìn)、成熟、科學(xué)的疲勞駕駛檢測，對交通安全具有重要意義，也已成為現(xiàn)今的研究熱點(diǎn)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過分布式的末梢傳感器感知、采集和分析外部環(huán)境對象狀態(tài)的改變，并通過無線通信方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組建。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展得益于微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanism System，MEMS）、片上系統(tǒng)（System on Chip， SoC）、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展。由于傳感器的多樣性，可以采集溫度、濕度、成分、運(yùn)動形態(tài)與生理特性等各式各樣的信息，因此具有廣闊的應(yīng)用前景，在醫(yī)療護(hù)理領(lǐng)域的應(yīng)用是其主要發(fā)展方向之一，駕駛員疲勞檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)檢測駕駛員的生理及行為特征，并在信息中心進(jìn)行分析和處理，形成智能預(yù)警，服務(wù)于交通安全。

1 駕駛員疲勞檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成

圖1給出了駕駛員疲勞檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成。其中主要包括三個部分：感應(yīng)區(qū)域內(nèi)的感知結(jié)點(diǎn)、起到匯聚控制傳輸作用的匯聚結(jié)點(diǎn)、以智能移動設(shè)備為終端的智能監(jiān)控決策中心管理結(jié)點(diǎn)。

感應(yīng)區(qū)域內(nèi)的感知結(jié)點(diǎn)具有特定數(shù)據(jù)采集能力，能實(shí)現(xiàn)簡單特征數(shù)據(jù)的臨時存儲，并能通過無線網(wǎng)絡(luò)與其他結(jié)點(diǎn)或路由匯聚結(jié)點(diǎn)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。每個感知結(jié)點(diǎn)根據(jù)其特定的采集任務(wù)進(jìn)行選擇與配置。

起到匯聚控制傳輸作用的匯聚結(jié)點(diǎn)包括兩個方面的功能：首先，其將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部的智能中心進(jìn)行了有機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和下達(dá)；其次，匯聚結(jié)點(diǎn)具有相對感應(yīng)結(jié)點(diǎn)較強(qiáng)的處理能力，能夠分析處理感應(yīng)結(jié)點(diǎn)的代碼、安全密鑰等信息，并進(jìn)行密鑰、入侵檢測等安全處理。

智能監(jiān)控決策中心管理結(jié)點(diǎn)即可以實(shí)現(xiàn)整個疲勞駕駛無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理，又能夠?qū)κ占臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行加工處理，是一個智能的數(shù)據(jù)處理中心，最終實(shí)時對駕駛員的疲勞程度做定性的分析和預(yù)警，其通用的終端形式多采用行車電腦或智能移動手機(jī)等。

2 駕駛員疲勞檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵點(diǎn)分析

2.1 疲勞檢測指標(biāo)的設(shè)定及數(shù)據(jù)采集

要實(shí)現(xiàn)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(tài)，即明確需要哪些傳感器。衛(wèi)兵 等給出通過生物電特征進(jìn)行疲勞檢測的分析和設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)。綜合已有的研究結(jié)果和醫(yī)學(xué)健康理論，疲勞特征主要包括兩個方面：一方面是生理指標(biāo)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(diǎn)頭、呼吸與手腳移動等）。因此，系統(tǒng)要包括：面部變化視頻傳感器結(jié)點(diǎn)、心電感應(yīng)結(jié)點(diǎn)、呼吸感應(yīng)結(jié)點(diǎn)和手腳運(yùn)動感應(yīng)結(jié)點(diǎn)，并完成相應(yīng)任務(wù)數(shù)據(jù)的采集。 2.2 網(wǎng)絡(luò)及信息安全

網(wǎng)絡(luò)及信息安全是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要面對的直接問題。系統(tǒng)中的感應(yīng)結(jié)點(diǎn)是低能耗設(shè)備，其存儲能力、運(yùn)算能力和通信能力受到嚴(yán)重的制約，如何抵御非法的外部入侵和DoS拒絕服務(wù)攻擊是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)問題。目前，解決網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)中密鑰主要有三種形態(tài)：成對密鑰、分組密鑰和網(wǎng)絡(luò)密鑰，各自有其應(yīng)用特征，都具有較高的安全性，但在計(jì)算量、空間需求、數(shù)據(jù)傳輸量方面很難滿足傳感器低計(jì)算、低存儲、低傳輸?shù)男阅芤蟆o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的入侵檢測雖然已成為相應(yīng)的研究熱點(diǎn)，但研究成果并不多，其所關(guān)心的是基于攻擊方式的識別?；诂F(xiàn)狀，一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中動態(tài)密鑰管理和入侵檢測有機(jī)結(jié)合的模型和方法成為保證網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)合理的分組，進(jìn)而在分組內(nèi)檢測異常行為和模式匹配，找出工作異常的感應(yīng)結(jié)點(diǎn)。其次，采用組排除密鑰算法為組內(nèi)感應(yīng)結(jié)點(diǎn)分配密鑰，既保證空間需求的同時，為組內(nèi)每一個感應(yīng)結(jié)點(diǎn)建立直接的路徑。發(fā)現(xiàn)非法結(jié)點(diǎn)存在時，管理結(jié)點(diǎn)建立新密要將非法結(jié)點(diǎn)排除。再次，高效、科學(xué)的入侵檢測。入侵檢測算法涵蓋了已發(fā)現(xiàn)的全部攻擊方式及被入侵后的恢復(fù)方法。而后，基于圖論和博弈論加強(qiáng)入侵檢測模塊的布置優(yōu)化，在組內(nèi)構(gòu)建用于檢測的組內(nèi)組。最后，促進(jìn)組內(nèi)管理感應(yīng)結(jié)點(diǎn)與檢測組內(nèi)組的協(xié)作實(shí)現(xiàn)動態(tài)密鑰與入侵檢測的組內(nèi)融合。 2.3 通信技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)傳輸基于五層協(xié)議：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，每一層都有其任務(wù)和分工。隨著通信技術(shù)進(jìn)步和研究的深入，目前，主流的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)主要有IEEE 802.15.4、Zigbee、ISA100.11a及WIA-PA等。在實(shí)際應(yīng)用中這些標(biāo)準(zhǔn)在適用性上都存在一定問題，如Zigbee接入互聯(lián)網(wǎng)時需要復(fù)雜的應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)，也不能實(shí)現(xiàn)端到端的數(shù)據(jù)傳輸和控制。而后，相關(guān)研究者發(fā)現(xiàn)IPv6協(xié)議同樣可以在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，而且簡單、安全。IPSO聯(lián)盟推出了IPv6/6Lowpan協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)端到端的無網(wǎng)關(guān)、低成本通信，未來很可能成為相應(yīng)的主流標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 智能管理平臺應(yīng)用開發(fā)

智能監(jiān)控決策中心是集管理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析和智能決策的多功能信息化平臺，其應(yīng)用開發(fā)主要是針對移動智能設(shè)備和車載電腦的應(yīng)用軟件的開發(fā)。包括采集到數(shù)據(jù)的存儲設(shè)計(jì)，尤其是針對采集到的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（如圖像、行為數(shù)據(jù)）的存儲，既要考慮相應(yīng)設(shè)備的存儲能力還要顧及后期數(shù)據(jù)分析挖掘的實(shí)現(xiàn)難度?；诖?，美國加州大學(xué)開發(fā)的tinydb無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫依然是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的首選。智能監(jiān)控決策中心事實(shí)上還是一個疲勞度智能分析的決策系統(tǒng)，基于醫(yī)學(xué)及生理特征的疲勞檢測的模型庫、算法庫和專家?guī)斓慕ㄔO(shè)也是重要內(nèi)容。

3 結(jié) 語

駕駛員疲勞檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是無線傳感網(wǎng)絡(luò)和移動智能處理技術(shù)的綜合性應(yīng)用。針對駕駛員在駕駛過程中的醫(yī)學(xué)及生物學(xué)生理特征對駕駛員的疲勞狀態(tài)給出定性的分析和預(yù)警。其整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)涉及感應(yīng)器對相應(yīng)醫(yī)學(xué)、生物學(xué)生理特征的數(shù)據(jù)采集、各感應(yīng)器采集信息的傳輸及網(wǎng)絡(luò)組建。采集數(shù)據(jù)的無線網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用系統(tǒng)。本文對系統(tǒng)組成、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性問題進(jìn)行了剖析，其研究內(nèi)容是后期實(shí)際應(yīng)用開發(fā)的理論基礎(chǔ)，具有重要的意義。

主要參考文獻(xiàn)

[1]衛(wèi)兵，郭玉堂，張磊，等.基于生物電特征的駕駛員疲勞檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[J].合肥師范學(xué)院學(xué)報，2016（3）.

[2]魏凌一.車輛駕駛員健康監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2012.

[3]司海飛，楊忠，王珺.無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀與應(yīng)用[J].機(jī)電工程，2011（1）.

[4]孔繁瑞，李春文.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)密鑰管理方法[J].軟件學(xué)報，2010（7）.