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摘要：高速公路作为国民经济的大动脉，以其快捷和便利的特点推动着国民经济的发展，而高速公路交通事故及交通拥挤制约着高速公路的作用。在高速公路中车辆都是处于高速行驶状态，驾驶员的驾驶行为状态与道路的交通安全更加密切相关，如何在交通事故可能发生前对驾驶员提出有效的预警方案，一直是汽车安全行业的研究热点。本文主要研究基于Arduino单片机的高速驾驶行为识别系统，系统装置可以记录驾驶员驾驶时间，行驶车速，识别驾驶员的超车行为、危险驾驶行为，并对上述行为的发生对驾驶员进行报警提示。并且违规数据都将被保存到系统装置中，在货车和客车年审时由交通管理部门进行查验，交通管理部门则可通过研究系统装置内部数据，进而分析驾驶员的驾驶特征与交通安全的关系，以及根据驾驶操作数据判断驾驶员所属的性格类型，并对存在违规行为的驾驶员给予相应的处罚，故该装置可为驾驶操作安全提供技术支撑。
关键词：Arduino单片机；高速公路；驾驶安全；
引言
高速公路上交通事故频频发生，尤其货车，客车出现的交通事故在其中所占的比例非常高，其中包含有大型客车、牵引车、中型客车，大型货车等的驾驶员，违规驾驶行为包括右侧超车，超速驾驶、低速驾驶、疲劳驾驶等，这些行为可能造成了严重的交通事故。所以很有必要对这些违规行为进行识别报警，自然需要设计一种驾驶行为预警识别装置，帮助驾驶员养成良好的驾驶习惯，减少事故的发生。目前社会上缺少这种预警识别装置。
目前交通管理模式，为阶梯式管理，公安机关交通管理部门对汽车集团车辆管理部门进行管理，同时汽车管理部门对汽车进行管理，当车辆行驶高速公路时，车辆还要受到高速公路管理部门的管理，当时现在的模式各个管理部门不能实现很好的协调管理，急需设计出一种设备实现多部门对车辆的协同管理。
基于单片机的高速驾驶行为识别系统，通过对驾驶员不同驾驶行为的识别并进行报警提醒，为驾驶员安全驾驶提供指导意见。通过自动记录数据，分析驾驶员的危险驾驶行为，识别驾驶员类型（右侧超车、超速驾驶、低速驾驶、疲劳驾驶、跟车驾驶），为交通部门查验提供依据。通过年审时对绑定设备的驾驶员的测评反馈，为驾驶员提供综合建议和驾驶培训，从而帮助驾驶员养成良好的驾驶习惯，进而减少绝大部分的交通事故的发生，也能实现多部门对车辆的协同管理。
1系统结构及设计方案
本文研究的基于单片机的高速驾驶行为识别系统，以Arduino单片机为控制核心，由超声波传感器、GPS定位模块、LED液晶显示屏、太阳能电池模块、指纹识别模块等构成，系统能实现以下几个功能。
（1）通过GPS定位模块识别各个时间的车子的定位信息，并将车子的定位信息传递给单片机，结合平均速度法（平均速度法是观测者在时间△t 内通过了距离△S，速度可简单地表示为距离
△S与时间△t的比值。由此可知，该速度测量仍然是定位问题，只要前后两点的位置参数得知了，距离和速度也就得到了,但测速的精度与时间的采样周期密切相关。一般来说，车辆、船舶等速度不太高的运动客体的速度测量采用平均速度法），单片机处理得到车子的当前速度，当车速大于最大设定值时或者小于最小设定值时，系统报警来提示司机减速或者加速；
（2）通过单片机内置时钟，当驾驶员从启动该系统后到达预设时长后，系统报警提示驾驶员注意休息，防止疲劳驾驶；
（3）通过超声波测距模块测量前后车距来判断驾驶员的跟车行为，如果距离小于安全设定距离，则报警提示司机注意把持前后车距在安全距离。在车辆左右两侧安装有超声波测距传感器，两个传感器同时工作，发送器分别向左右两侧发射超声波，当超声波遇到障碍物例如高速公路的栏杆或者移动车辆，就返回被传感器中的接收器所接收，这时可测得超声波遇到障碍物之后的来回时间，可根据不同超车行为下，车辆传感器与不同障碍物对应着不同的超声波往返时间规律，则系统可识别司机进行了左侧超车、右侧超车或者在应急车道上行驶的行为；另外通过GPS模块判断车辆的危险行驶轨迹，例如s形轨迹。
（4）系统由太阳能电池模块进行供电，电源接口采用USB接口。Arduino单片机通过外接Arduino MicroSD卡模块，模块内置SD卡，通信接口为标准的SPL接口，实现单片机对模块的读写功能，存储驾驶员的违规驾驶行为数据。年审时利用计算机和SD读卡器实现对存储数据的读取，利用Excel表格统计数据，并和事先测试好各种驾驶行为数据范围进行匹配比较分析，从而判断驾驶员的驾驶类别，系统方案如下图1。
2 国、内外研究现状和发展动态
驾驶行为识别由 Oliver Pentland在1996年首次提出，他将驾驶行为作为一种模式，引入模式识别的方法实现驾驶行为识别。驾驶行为识别，主要是通过分析各类驾驶行为相互之间影响因素的关系，对车辆的外在行驶表现进行识别。经过近二十年的发展，驾驶行为识别的方法主是运用模式识别的方法。国内在驾驶行为辨识方面也做出了一定的成果，运用的方法也主要是模式识别的方法，包括隐马尔可夫模型、神经网络和支持向量机等方法。但是目前国内外对于驾驶行为系统进行的都是理论上的研究，并无实现该系统的实物制作，在高速公路上也没有实际的应用。
3 硬件设计
基于单片机的高速驾驶行为识别系统，以Arduino单片机为控制核心，由超声波传感器、GPS定位模块、TFT全彩液晶屏、指纹识别模块、多晶硅太阳能电池，蜂鸣器等构成。
3.1 Arduino单片机模块
Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。包含硬件（各种型号Arduino板）和软件（Arduino IDE)。它构建于开放原始码simple I/O介面版，并且具有使用类似Java、C语言的Processing/Wiring开发环境。板子上的微控制器可以通过Arduino的编程语言来编写程序，编译成二进制文件，烧录进微控制器。近而通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制反馈装置来控制、影响环境到达所需要求。
3.2 超声波传感器HC-SR04
本产品的超声波检测电路主要由HC-SR04超声波测距模块构成。HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度高达3mm；模块包括超声波发射器，接受器与控制电路。其工作原理简述如下：
（1）采用IO口TRIG触发测距，至少给10us的高电平信号触发;
（2）模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；
（3）有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=（高电平时间*声速（340M/S））/2。
3.3 NEO-6MGPS定位模块
NEO-6MGPS模块，它带有一个外部天线，并没有附带插头引脚。模块内置EEPROM，采用RS232TTL接口，由3V至5V提供电源，模块默认波特率为9600bps，模块支持标准的NMEA。该GPS定位模块首先可以提供定位信息，然后通过运动客体的平均速度法，结合编译算法，利用单片机处理信息得到运动体的速度。
3.4 TFT全彩液晶屏
本系统采用1.44寸TFT全彩液晶屏，可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息，是目前最好的LCD彩色显示设备之一，其效果接近CRT显示器，是现在笔记本电脑和台式机上的主流显示设备。TFT的每个像素点都是由集成在自身上的TFT来控制，是有源像素点。因此，不但速度可以极大提高，而且对比度和亮度也大大提高了，同时分辨率也达到了很高的水平。
3.5指纹识别模块FPM10A
FPM10A使用标准的串口与外界通信，默认的波特率为57600，可以与任何单片机，ARM，DSP等带串口的设备进行连接，使用1.0MMFPC上接插座，引出5个引脚，使用方便。
3.6多晶硅太阳能电池
多晶硅太阳能电池兼具单晶硅电池的高转换效率和长寿命以及非晶硅薄膜电池的材料制备工艺相对简化等优点的新一代电池，其转换效率较高，其成本远低于单晶硅电池，性价比较高。
3.7蜂鸣器、PNP型三极管、电阻
上述图2驱动电路中用一个PNP型三极管作为控制开关,图中FM是蜂鸣器，三极管集电极接GND，发射极接蜂鸣器的负端，三极管的基极通过一只1K的电阻到单片机引脚D5，蜂鸣器的正极接VCC.该电路中三极管相当于一个控制开关，运行原理如下：
1．当D5输出高电平，三极管基极与发射极间没有电压差，三极管发射极与集电极间不通，蜂鸣器FM没有电流通过，蜂鸣器不响。
2．当D5输出低电平，三极管基极与发射极间形成电压差，三极管发射极与集电极之间导通，电流通过蜂鸣器FM，如果是有源蜂鸣器，则立即发出beep声。
4软件设计
4.1指纹识别程序
程序首先初始化，先获取指纹容量大小和获取已有指纹个数，液晶屏上显示“请验证指纹”，然后通过指纹识别模块进行指纹的扫描，如果手指没有放上去，显示“扫描失败”，手指放上去之后会生成指纹特征，与指纹库进行匹配，如果与已知指纹匹配，显示“验证成功”
反之，显示“验证失败”。
4.2判断超车程序
在车辆左右两侧安装有超声波测距传感器，两个传感器同时工作，发送器分别向左右两侧发射超声波，当超声波遇到障碍物例如高速公路的栏杆或者移动车辆，就返回被传感器中的接收器所接收，这时可测得超声波遇到障碍物之后的来回时间，可根据不同超车行为下，车辆传感器与不同障碍物对应着不同的超声波检测距离，而距离由往返时间规律决定，为了方便于描述，记左边传感器对应时间记为t左，右边传感器对应时间记为t右，用t左和t右来等价代替距离s左和s右来描述。超车程序流程图如图3所示。
4.3判断低速行驶程序
通过NEO-6MGPS模块得到车辆在每个时刻对应的经纬度信息，然后通过结合平均速度法计算车辆行驶近似的瞬时速度，当车速低于高速公路低速阈值时，系统报警，然后蜂鸣器报警，TFT显示屏上显示低速行驶，低速行驶数据存入SD存储卡，被记录下来。
5 结束语
本文从社会热点问题--高速公路交通事故出发，研究驾驶行为识别装置，该装置使用太阳能电池供电，使用超声波传感器将相关信息传给单片机来实现对驾驶员驾驶行为进行识别，使用GPS模块结合单片机识别车速和危险驾驶行为，使用液晶显示屏显示车速，时间，驾驶行为等信息。具有一定的新颖性和创新性。
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论文作者:李子建1,白杨2,王颖1,隋云逸1,李君秩1,牟壮
论文发表刊物:《城镇建设》2019年第18期
论文发表时间:2019/11/1
标签：驾驶员论文; 模块论文; 单片机论文; 超声波论文; 蜂鸣器论文; 车辆论文; 时间论文; 《城镇建设》2019年第18期论文;