一种基于呼吸率和心冲击图检测的疲劳驾驶检测装置的制作方法

本实用新型涉及智能穿戴领域，尤其涉及一种基于呼吸率和心冲击图检测的疲劳驾驶检测装置。

背景技术：

随着社会的发展，汽车作为一种代步工具已经成为日常生活中不可缺失的组成部分，与此同时交通及驾驶安全也成为生活中的一个重要话题。据交通部门统计，60％以上的交通事故与疲劳驾驶有关。疲劳驾驶是驾驶人在长时间连续行车后，产生生理和心理机能的失调，这会影响到驾驶人的思维判断及反应速度。因此，如何检测及提醒疲劳驾驶减少交通事故的发生已经成为各个国家的各大车企研究的重点。目前商用的主流疲劳驾驶检测系统大多由各大车企开发并用在其高端车型上，其主要的检测原理是利用行车电脑记录并分析驾驶员的驾驶行为，例如方向盘的转动信息、油门及刹车踏板的行为等来判断驾驶员是否处于疲劳状态并做相应提醒。这是行之有效的方法但远未普及到普通大众车型中，而且各大车厂的调教不同，性能各异。

市场的需求刺激并推动了第三方检测产品的研发，目前主流的方案有如下几种：

1.戴在头上的耳机或者头环等物品，利用加速度检测原理检测驾驶人是否有打瞌睡低头现象，从而提醒驾驶者。这类产品的问题比较明显，首先驾驶人打瞌睡不一定低头，而且当打瞌睡发展到低头时往往已经太晚了。另外，这类产品的体积需要很小利于佩戴，但利用加速度检测低头时间需要软件持续高数据率监测，而且还要避免车子过起伏路面时误报的问题，导致软件开销较大、系统功耗较大，实用性差。

2.利用图像识别的方式来识别头部及面部特征，如瞌睡低头、眨眼等特点来判断是否处于疲劳状态。但这种方法的系统开销更大，更需要考虑如何集成到车舱中去以及如何解决不同光照环境下的图像识别问题，实用性差。

3.利用接触阻抗检测方式判断驾驶者手是否在方向盘上，这种方法也有局限性。首先，接触和握紧两个状态很难判定因为影响接触阻抗的因素很多比如汗液、空气湿度以及接触面积等；其次，接触的好不好不能作为判断疲劳的条件，因为有可能人趴在方向盘上或者虽然双手抓紧方向盘但很疲惫的情况。

4.通过检测驾驶员的生命体征的方法也是可行的方案，但单一的指标测试不具有唯一性，过高的误判率往往会打消驾驶人的使用兴趣。于是衍生出许多结合多元传感器参数的产品，这些产品一定程度上解决了稳定性和可靠性的问题。但最大的问题是这些生命体征指标的检测如阻抗和心电均依赖于接触电极以及具体的产品外观设计，否则不利于用户使用。

因此有必要发明一种不用依赖接触电极、稳定可靠的基于呼吸率和心冲击图检测的疲劳驾驶检测装置。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种不用依赖接触电极、稳定可靠的基于呼吸率和心冲击图检测的疲劳驾驶检测装置。

技术方案：为实现上述目的，本实用新型的一种基于呼吸率和心冲击图检测的疲劳驾驶检测装置，包括保护壳和检测系统；所述保护壳为空心的卡片状结构，所述检测系统设置在保护壳内部；所述保护壳长度方向的一端设置有挂孔，另一端设置有定位槽；所述定位槽包括第一槽体和第二槽体；所述第一槽体和第二槽体对称设置于保护壳两侧；所述保护壳边缘处设置有USB接口；所述USB接口的电力输出端与检测系统的电力输入端连接。

进一步地，所述检测系统包括处理器；所述处理器分别与电容传感器、震动传感器、蓝牙模块、LED指示器和加速度传感器通讯连接；所述加速度传感器的电力输入端与薄膜电池的电力输出端连接；所述加速度传感器与电源管理模块控制连接；所述电源管理模块与薄膜电池控制连接；所述薄膜电池的电力输入端与USB接口的电力输出端连接；所述薄膜电池的电力输出端与检测系统各用电元件的电力输入端连接。

进一步地，所述电容传感器和震动传感器设置于保护壳的外表面同侧；若干所述电容传感器沿保护壳边缘间隔分布；所述震动传感器包括第一震动传感器和第二震动传感器；所述第一震动传感器和第二震动传感器相对设置于保护壳长度方向的两端。

进一步地，所述处理器分别与蜂鸣器、微型马达控制连接。

进一步地，所述USB接口铰接安装在保护壳上；所述保护壳对应USB接口位置的边缘处设置有凹槽；所述USB接口绕铰接处翻转后与凹槽镶嵌配合。

有益效果：本实用新型的一种基于呼吸率和心冲击图检测的疲劳驾驶检测装置，包括保护壳和检测系统；所述保护壳为空心的卡片状结构，所述检测系统设置在保护壳内部；利用保护壳卡片状的设计，配合以挂孔和定位槽，实现了检测装置多种方式的安装方式，具有极强的适应性，同时将安装部位限定在胸口附近，保证了检测信号的质量；该装置基于呼吸率和心冲击图进行检测，不用依赖接触电极，极大提升了用户的使用体验。

附图说明

附图1为保护壳结构示意图；

附图2为检测装置佩戴方式示意图；

附图3为检测系统整体架构图；

附图4为电容传感器和震动传感器分布示意图；

附图5为加速度传感器实现电源开关功能示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。

一种基于呼吸率和心冲击图检测的疲劳驾驶检测装置，包括保护壳12和检测系统；所述保护壳12为空心的卡片状结构，所述检测系统设置在保护壳12内部；所述保护壳12长度方向的一端设置有挂孔13，另一端设置有定位槽14；所述定位槽14包括第一槽体141和第二槽体142；所述第一槽体141和第二槽体142对称设置于保护壳12两侧；所述保护壳12边缘处设置有USB接口8；所述USB接口8的电力输出端与检测系统的电力输入端连接；所述USB接口8铰接安装在保护壳12上；所述保护壳12对应USB接口8位置的边缘处设置有凹槽151；所述USB接口8绕铰接处翻转后与凹槽151镶嵌配合，在不用时可将接口随时折叠收回，从而保证了检测装置的结构一体性，也不易刮蹭损坏；USB接口8是标准的公头插头，可以直接插入电脑、车载USB接口等直接充电，使用方便而且不用充电器及充电线。

保护壳12卡片状的设计使得产品不受场景的限制，方便实用；其的穿戴方式至少包括以下三种：

(1)直接放置于口袋中如上衣口袋、裤子口袋中，保护壳12在口袋约束下与人体紧贴，实现检测报警功能；

(2)如附图2(a)所示，通过挂孔13和挂绳131配合，将检测装置挂在使用者的胸前或者驾驶座椅上，这样检测设备可在胸前或胸后检测到BCG和呼吸信号；

(3)穿戴挂孔13和定位槽14可以配合使用，如附图2(b)所示，将挂绳131穿过挂孔13后两头分别勒紧第一槽体141和第二槽体142，从而将保护壳12与安全带132固定，随后在保护壳12背向安全带132的一侧将挂绳131两端系紧，保护壳12所对应的安全带132部分对应位于使用者胸口处；检测疲劳的也是基于呼吸率和心冲击图的检测，靠近胸腔的位置的呼吸幅度较大，容易从加速度信号中提取，可以作为一个疲劳状态的依据，如果呼吸率趋于平缓则说明驾驶者不够兴奋或处于疲劳驾驶状态。

采用穿戴式的产品形态采集生命体征信号是较好的组合，既能解决用户感受问题、使用灵活，也可以保证较好的准确率；本装置利用BCG获得心冲击图的信息，BCG波形形态类似于心电波形但与之不同的是BCG更多反映的是心脏的射血情况，它属于机械震动波，因此BCG是一种非侵入式的并且不依赖于电极接触的检测方法，可以隔着衣物测量；呼吸率的变化也是反映紧张程度的重要指标，人在打瞌睡时的呼吸率也会明显下降，体现于胸腔的震动；因此，我们使用检测机械波震动的方法可以同时检测上述两种参数；BCG和呼吸信号都产生于胸腔，采集设备离它们越近信号越强；而该检测装置通过卡片状外形的使用方式来约束用户的行为，使得卡片多放于胸腔附近，最远处为大腿口袋里，从而巧妙地保证了检测信号的质量；基于BCG信号间的变化获取心室跳动的间期即R-R间期，通过R-R间期进行心率变异性分析即HRV进而判断驾驶员的疲劳程度。

所述检测系统包括处理器1；所述处理器1分别与电容传感器2、震动传感器3、蓝牙模块4、LED指示器5和加速度传感器11通讯连接；所述加速度传感器11的电力输入端与薄膜电池10的电力输出端连接；所述加速度传感器11与电源管理模块9控制连接；所述电源管理模块9与薄膜电池10控制连接；所述薄膜电池10的电力输入端与USB接口8的电力输出端连接；所述薄膜电池10的电力输出端与检测系统各用电元件的电力输入端连接；所述处理器1分别与蜂鸣器6、微型马达7控制连接。

所述电容传感器2和震动传感器3设置于保护壳12的外表面同侧；若干所述电容传感器2沿保护壳12边缘间隔分布；所述震动传感器3包括第一震动传感器31和第二震动传感器32；所述第一震动传感器31和第二震动传感器32相对设置于保护壳12长度方向的两端。

其中，电源管理模块9包括充电芯片以及电源负载开关逻辑，充电芯片利用USB接口8的电源给薄膜电池10充电，加速度传感器11由薄膜电池10供电，处于一直工作的状态，当加速度传感器11检测到检测装置的运动超过一定阈值后即发出开/关信号给电源管理模块9，进而控制电源负载开关给检测系统中的其他元件供电；

薄膜电池的供电的对象包括处理器1、电容传感器2、振动传感器3、蓝牙模块4、LED指示器5、蜂鸣器6和微型马达7，这些设备均由处理器1进行控制；处理器1上电工作后会通过控制接口配置加速度传感器11，同时使电源管理模块9内的负载开关一直处于打开状态，直到处理器1处理完所有事务后再将控制权交还给运动开关11并将自己置为关闭状态；

处理器1和蓝牙模块4的功能可以选取Nordic公司的BLE5.0SOC芯片nRF52840或者选用TI公司的蓝牙SOC芯片CC2640来实现；电源管理模块9可以选用TI公司的BQ25010芯片以及电源负载开关如ADI公司的负载开关ADP195，ADP195由运动开关11控制；加速度传感器11可以选用ADI公司的超低功耗三轴加速度传感器ADXL362，该MEMS传感器的功耗仅为2uA，而且可以检测运动状态，如果超过某阈值后会输出电平或中断，利用这一特性可以作为运动检测开关，当有运动时输出中断信号，该信号可用于打开电源管理模块9中的负载电源如ADP195；如附图5所示为加速度传感器实现电源开关的示例，该示例是引用ADI公司三轴加速度传感器ADXL362规格书英文版本E的图43做系统电源控制的例子。这里的设计要点如下：

(1)ADXL362需要一直工作，因此其待机功耗需要很低；

(2)ADXL362需要一直工作，所以直接由电池持续供电，考虑到工作电压范围，可以由电池电压串联二极管降压直接给加速度传感器供电，由于加速度传感器选择低功耗的器件，二极管损失的功率可以忽略；

(3)ADXL362做运动开关，如图5所示当有运动时ADXL362输出信号打开电源负载开关ADP195打开系统电源，这时至少处理器1的电源需要打开并做进一步的处理；传感器包括电容传感器2和振动传感器3；电容传感器使用多点电容传感技术，如附图4所示，6个电容传感器2放于保护壳边缘，这六个电容传感器均由一个控制器控制，典型方案可以选取Cypress公司的CY8CMBR3116电容按键控制器，他可以支持多达16个电容感应输入以及多个LED指示灯，它的检测精度很高，识别的电容范围很宽，非常适合本方案；另外，它通过I²C通讯接口与处理器1通讯；图中的振动传感器3有两个，分别放于保护壳12的两端，实际使用时可以根据接触情况来决定哪一端信号强优先使用哪一端；振动传感器3需要采用低功耗高精密度加速度传感器，可选用ADI公司的ADXL355。

当处理器1工作时，首要的任务是使用蓝牙和与检测装置配套的主机通讯以获得最新的命令及同步数据；这里的主机是指智能手机或者车载智能系统等拥有蓝牙传输功能的设备；在使用振动传感器3采集BCG和呼吸信号前，设备需要使用电容传感器2检查设备与人体的接触程度，这里使用电容传感器来检测与人体的距离，检测的原理是在设备检测电极与人体的距离越近电容越强，如果检测到电容的变化或者超过某个阈值就可以判定接近人体，反之则远离人体；为了提高检测的鲁棒性，本装置使用了如附图4所示的位置图布置传感器：在保护壳表面设置了多个传感器，通过传感各个电极上的电容大小可以知道设备的哪一侧与人体比较近，从而判断是否良好接触，进而决定使用哪一侧的振动传感器采集数据；图中的保护壳12上设置有两个振动传感器3，分别放于保护壳12长度方向的两端，同时避开挂孔和USB接口；

附图4中所示的6个电容传感器使用金属电极但不必外露，因为只是感应电容，所以可以密封在设备塑料壳内部；这些电容感应电极除了完成接近检测之外还可以用于触摸按键，用于给设备发命令，为扩展性功能开发提供发挥空间；

该检测装置的开启方式包括但不局限于以下两种：一是利用电容传感器设定命令，用于手动开启采集，例如按顺序快速按下三个电容触摸点，这种方式由用户开启并放于合适位置；二是可以使用特殊动作如深呼吸三下作为开启依据，这种方式适合于胸前容易采集到呼吸信号的位置；同时处于节能目的，可以设定若上述两种模式开启后如果半分钟内没检测到任何信号的话，检测装置会启动微型马达7以及蜂鸣器6提醒用户检查位置。

该疲劳驾驶检测装置是一种基于呼吸率和心冲击图检测的疲劳驾驶检测机提醒装置，其优势在于：

(1)BCG和呼吸信号均可以体现为机械震动信号，所以使用检测机械振动的传感器技术可以隔着衣物测量，极大地提高了使用的便利性；

(2)车载环境很复杂，环境噪声会淹没微弱的BCG信号，设备传感器越靠近胸部检测到的信号就越强烈，因此设备需要考虑是否距离人体较近以及是否真的需要开启检测。针对这一需求的设计如下：

a.集成了多个电容传感器以检测是否有效贴近人体以及贴合的程度，因为越靠近人体的感应到的电容值越大；

b.通过分布式的电容传感器判断设备那一侧贴合得更紧密，从而优先使用那一侧的振动传感器；

c.通过卡片状外形的使用方式来约束用户的行为，使得卡片多放于胸腔附近，最远处为大腿口袋里，始终不会远离使用者胸部，从而巧妙地保证了检测信号的质量。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。