本发明属于交通驾驶领域，尤其涉及一种基于智能手机的驾驶员疲劳检测和报警系统及方法。
背景技术：
随着经济的发展和社会的进步，车辆已经成为人们出行的重要交通方式。车辆的大幅度增加，带来了频繁的交通事故，对人们的生命财产安全造成很大威胁。据统计，我国由于驾驶员疲劳造成的交通事故占所有交通事故的15-20％。因此，对驾驶员疲劳状态进行检测具有重要价值。另一方面，智能手机也逐渐走入人们生活，而驾驶员几乎人人均有智能手机。所以，利用智能手机自身携带的各种硬件，设计一种用于检测驾驶员疲劳状态并能及时报警的系统是十分必要的。
技术实现要素：
发明目的：针对以上现有技术存在的问题，本发明提出一种基于智能手机的驾驶员疲劳检测和报警系统及方法，此系统及方法能够利用智能手机自身携带的丰富硬件资源，检测驾驶员疲劳状态并能及时报警，以保障驾驶员的生命财产安全。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于智能手机的驾驶员疲劳检测和报警系统，该系统包括如下模块：
长时间驾驶检测模块，获取车辆位置，根据驾驶员的状态通知声音报警模块报警；
驾驶员疲劳检测模块，采集驾驶员人脸图片，检测驾驶员是否疲劳，如果判断驾驶员出现疲劳，通知声音报警模块报警；
声音报警模块，接收到长时间驾驶检测模块或驾驶员疲劳检测模块发来的报警信号时，通过扬声器播放一段提示声音；
碰撞检测模块，当车辆发生碰撞时，加速度传感器获取车辆实时加速度，如果加速度值大于临界值，通知短信电话报警模块报警；
短信电话报警模块，接收到碰撞检测模块发来的报警信号时，向紧急联系人发送报警短信，并拨打电话。
其中，长时间驾驶检测模块功能如下：通过gps单元获取车辆位置，当位置连续变化时，判断驾驶员处于驾驶状态；当驾驶员连续驾驶时间达到n个小时，不论驾驶员是否疲劳，长时间驾驶检测模块均通知声音报警模块报警；如果驾驶员中途休息m分钟以上，则将连续驾驶时间清零,其中，n为大于等于2的整数，m为大于等于10的整数。
其中，驾驶员疲劳检测模块功能如下：采集人脸图片，识别出人脸、人眼和人嘴，检测点头、闭眼和张嘴状态；当驾驶员连续点头、频繁闭眼或频繁张嘴，则判断驾驶员出现疲劳，通知声音报警模块报警。
其中，驾驶员疲劳检测模块通过如下方法判断是否出现疲劳；将采集的图片转换为灰度图片，进行中值滤波器滤波；通过haar分类器识别人脸、人眼和人嘴，用人脸的中心作为头部坐标，根据头部坐标上下移动轨迹判断驾驶员是否点头，将人眼图片和人嘴图片分别二值化，根据眼睛像素数量和嘴巴像素数量的变化判断驾驶员是否闭眼或张嘴；当驾驶员在预设时间内的点头、闭眼或张嘴次数达到预设值，则判断驾驶员出现疲劳。
其中，短信电话报警模块具体功能如下：接收到碰撞检测模块发来的报警信号时，通过gps单元获取车辆位置，向紧急联系人发送报警短息，短信内容包括车辆位置，并拨打紧急联系人电话。
此外，本发明还提出根据权利要求1-6任一项所要保护的系统所实现的一种基于智能手机的驾驶员疲劳检测和报警方法，该方法包括如下步骤：
(1)获取车辆位置，根据驾驶员的状态通知声音报警模块报警；
(2)采集驾驶员人脸图片，检测驾驶员是否疲劳，如果判断驾驶员出现疲劳，通知声音报警模块报警；
(3)声音报警模块报警接收到报警信号时，通过扬声器播放一段提示声音；
(4)当车辆发生碰撞时，通过加速度传感器获得车辆实时加速度，如果加速度值大于临界值，通知短信电话报警模块报警；
(5)短信电话报警模块报警接收到报警信号时，向紧急联系人发送报警短信，并拨打电话。
其中，步骤(1)具体方法如下：通过gps单元获取车辆位置，当位置连续变化时，判断驾驶员处于驾驶状态；当驾驶员连续驾驶时间达到n个小时，不论驾驶员是否疲劳，均通知声音报警模块报警；如果驾驶员中途休息m分钟以上，则将连续驾驶时间清零，n为大于等于2的整数，m为大于等于10的整数。
其中，步骤(2)中，通过人脸识别判断疲劳的方法如下：采集人脸图片，识别出人脸、人眼和人嘴，检测点头、闭眼和张嘴状态；当驾驶员连续点头、频繁闭眼或频繁张嘴，则判断驾驶员出现疲劳，通知声音报警模块报警。
其中，步骤(2)中，驾驶员疲劳判断方法如下；将采集的图片转换为灰度图片，进行中值滤波器滤波；通过haar分类器识别人脸、人眼和人嘴，用人脸的中心作为头部坐标，根据头部坐标上下移动轨迹判断驾驶员是否点头，将人眼图片和人嘴图片分别二值化，根据眼睛像素数量和嘴巴像素数量的变化判断驾驶员是否闭眼或张嘴；当驾驶员在预设时间内的点头、闭眼或张嘴次数达到预设值，则判断驾驶员出现疲劳。
其中，步骤(5)中，短信电话报警模块报警接收到报警信号时，通过gps单元获取车辆位置，向紧急联系人发送包括车辆位置的报警短信，并拨打紧急联系人电话。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：
(1)本发明所涉及的硬件单元全部由智能手机自带，即仅通过任意一台智能手机即可实现本系统，提高系统的适应性和灵活性。
(2)本发明可以检测驾驶员是否长时间驾驶或疲劳并用声音给予提示，也可以检测车辆是否发生碰撞并用短信和电话通知紧急联系人，可以最大限度的保障驾驶员的人身安全，降低事故率。
(3)本发明用图像处理方法检测驾驶员疲劳状态，利用点头、打哈欠和频繁眨眼三个特征判断驾驶员是否疲劳，提高疲劳检测的正确率。
(4)本发明在长时间驾驶或疲劳时用声音报警，声音可以由驾驶员任意选择，在意外碰撞时用先短信通知再电话报警，具有很强的人性化特点。
附图说明
图1为本发明的系统结构图；
图2为本发明中疲劳检测模块的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明公开的一种基于智能手机的驾驶员疲劳检测和报警系统，其结构示意图如图1所示，所述系统包括长时间驾驶检测模块、驾驶员疲劳检测模块、声音报警模块、碰撞检测模块和短信电话报警模块。
当今智能手机所携带的硬件设备越来越多，本发明所用到的gps单元、扬声器、摄像头、加速度传感器和gsm单元均为智能手机必备硬件。在系统在使用时，只需将智能手机临时固定在车辆前部，使摄像头可以采集到人脸图片，具有很强的适应性和灵活性。本系统的软件系统既可以基于android系统开发，也可以基于ios系统开发，基本占据全部智能手机操作系统市场。目前，智能手机的定位单元多接收美国的gps信号，但随着中国北斗系统的完善，越来越多的智能手机开始搭载能接受北斗信号的定位单元。因此，本发明中的gps单元包括gps信号接收机和北斗信号接收机。
本发明具有三个主要功能：长时间驾驶检测、驾驶员疲劳检测和碰撞检测，并能根据检测结果对驾驶员进行提示。
长时间驾驶检测模块通过gps单元获取车辆位置数据，当位置数据连续变化时，判断驾驶员处于驾驶状态。当驾驶员连续驾驶时间达到n个小时，n为大于等于2的整数，不论驾驶员是否疲劳，长时间驾驶检测模块均通知声音报警模块报警；如果驾驶员中途休息10分钟以上，则将连续驾驶时间清零。
驾驶员疲劳检测模块通过摄像头采集驾驶员人脸图片，用图像处理方法检测驾驶员是否疲劳。驾驶员疲劳检测模块的流程如图2所示，步骤如下：人脸图片采集，图片预处理，识别人脸、人眼和人嘴，检测点头、闭眼和张嘴状态，疲劳判断。opencv是常用的图像处理函数里，本发明的图像处理方法是基于opencv实现的。图片预处理包括将彩色图片转换为灰度图片和中值滤波器滤波，中值滤波器的窗口大小为3。
识别人脸、人眼和人嘴用opencv自带的haar分类器实现，分别使用opencv函数库中的haarcascade_frontalface_alt2.xml、haarcascade_mcs_mouth.xml、haarcascade_mcs_lefteye.xml和haarcascade_mcs_righteye.xml四个级联文件识别驾驶员的人脸、嘴和左右眼睛。首先从预处理文件识别人脸，然后在人脸图片上确定人眼和人嘴的大概位置，在指定位置上识别人眼和人嘴，这种处理可以提高人眼和人嘴识别的正确率和速度。
用人脸的中心作为头部坐标，根据头部坐标上下移动轨迹判断驾驶员是否点头。当驾驶员由于疲劳点头时，头部向下移动速度加快。当两帧图片中头部向下移动距离大于人脸长度的10％时，系统判断出现点头。haar分类器只能识别出人眼和人嘴的大概区域，为了判断闭眼和张嘴，需要计算眼睛和嘴巴区域的准确像素数量，方法如下。首先使用所述的haar分类器，分别检测人眼与人嘴的大致区域；然后提取haar分类器检测出的人眼和人嘴区域中心位置的rgb值；再利用眼睛与皮肤、嘴唇与皮肤颜色的差异，根据上一步检测出的人眼、嘴区域的rgb值，设定相应的阈值范围，分别将图像做二值化处理；最后统计二值化处理后图像中的眼睛、嘴巴的像素数量作为结果。在上述过程中，为了提高检测的准确度，还分别对眼睛和嘴巴图片做直方图均衡化处理，提高了图像的对比度。
首先采集一张驾驶员人脸正面照，按照上述方法得到驾驶员在眼睛正常睁开时的像素数量和嘴巴在正常闭合时的像素数量，并设定为眼睛像素数量基准值和嘴巴像素数量基准值。在驾驶车辆时，当检测到的两个眼睛有一个眼睛的像素数量少于眼睛像素数量基准值的85％时，系统判断人眼为闭合状态。当嘴巴的像素数量大于嘴巴像素数量基准值的2倍时，系统判断嘴巴为张开状态。当驾驶员连续点头、频繁闭眼或频繁张嘴,大于m次每分钟，比如m取值为5，则判断驾驶员出现疲劳，通知声音报警模块报警。
声音报警模块接收到长时间驾驶检测模块或驾驶员疲劳检测模块发来的报警信号时，通过扬声器播放一段事先准备的提示声音，提醒驾驶员注意休息。提示声音可以为一段音乐，也可以为驾驶员或家人自己录制的声音。
碰撞检测模块通过加速度传感器获得车辆实时加速度，当车辆发生碰撞时，加速度值会大于临界值，此时通知短信电话报警模块报警。
短信电话报警模块接收到碰撞检测模块发来的报警信号时，通过gps单元获取车辆位置，向紧急联系人发送报警短息，短信内容包括车辆位置。然后拨打紧急联系人电话，由紧急联系人根据实际情况决定下一步。紧急联系人可以为多人，系统先群发短信，再按照顺序逐个报警。
此外，本发明还提出基于智能手机的驾驶员疲劳检测和报警系统所实现的一种基于智能手机的驾驶员疲劳检测和报警方法，该方法包括如下步骤：
(1)获取车辆位置，根据驾驶员的状态通知声音报警模块报警；
(2)采集驾驶员人脸图片，检测驾驶员是否疲劳，如果判断驾驶员出现疲劳，通知声音报警模块报警；
(3)声音报警模块报警接收到报警信号时，通过扬声器播放一段提示声音；
(4)当车辆发生碰撞时，通过加速度传感器获得车辆实时加速度，如果加速度值大于临界值，通知短信电话报警模块报警；
(5)短信电话报警模块报警接收到报警信号时，向紧急联系人发送报警短信，并拨打电话。
其中，步骤(1)具体方法如下：通过gps单元获取车辆位置，当位置连续变化时，判断驾驶员处于驾驶状态；当驾驶员连续驾驶时间达到n个小时，不论驾驶员是否疲劳，均通知声音报警模块报警；如果驾驶员中途休息m分钟以上，则将连续驾驶时间清零，n为大于等于2的整数，m为大于等于10的整数。
其中，步骤(2)中，通过人脸识别判断疲劳的方法如下：采集人脸图片，识别出人脸、人眼和人嘴，检测点头、闭眼和张嘴状态；当驾驶员连续点头、频繁闭眼或频繁张嘴，则判断驾驶员出现疲劳，通知声音报警模块报警。
其中，步骤(2)中，驾驶员疲劳判断方法如下；将采集的图片转换为灰度图片，进行中值滤波器滤波；通过haar分类器识别人脸、人眼和人嘴，用人脸的中心作为头部坐标，根据头部坐标上下移动轨迹判断驾驶员是否点头，将人眼图片和人嘴图片分别二值化，根据眼睛像素数量和嘴巴像素数量的变化判断驾驶员是否闭眼或张嘴；当驾驶员在预设时间内的点头、闭眼或张嘴次数达到预设值，则判断驾驶员出现疲劳。
其中，步骤(5)中，短信电话报警模块报警接收到报警信号时，通过gps单元获取车辆位置，向紧急联系人发送包括车辆位置的报警短信，并拨打紧急联系人电话。