CN104192082A - 驾驶员生命力体征检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种驾驶员生命力体征检测装置及其检测方法，该装置由信号采集单元、前端信号过滤放大单元、中央处理器DSP运算单元和后端报警单元构成，其中信号采集单元为装设于汽车方向盘常触位置且触摸式的微型光电测量仪；采集驾驶者的体征反馈信号供后方信号处理、运算得到驾驶员准确的心率和血氧浓度。根据预设的阀值或限制判断驾驶员身体状态并对应发出报警信号。本发明所提出的检测装置及其方法，利用人体血氧含量对红外和红光吸收差异的原理定制封装的触摸式传感器，实现了简易化的驾驶员人体生命力体征的检测并消除了传统测试方法的不适感；能够持续并及时地反映驾驶员的身体状态，提供准确而有效的报警提示，保障车内人员的生命安全。

Description

驾驶员生命力体征检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种驾驶安全装置及其使用方法，尤其涉及一种汽车用驾驶员生命力特征检测装置及其检测方法，通过紧凑的软硬件结合实时、持续地检测驾驶员的心率、血氧浓度确保安全驾驶的技术解决方案。

背景技术

目前在汽车行业内关于汽车内驾驶员的生命力特征检测这一块基本上属于空白，因为把医院的成套设备搬进汽车基本上不太可能，同时简易化测试一直是个有待突破的技术问题。

当前通常的测试方法一般是直接进行血液采样或指夹式的，但在汽车里基本上不可能或带来无法使用的便利性。特别是指夹式的，在测量时有压迫感和血流不通等问题，也无法进行有效的持续测试。

众所周知，心率不齐、血氧浓度过低都直接威胁驾驶员在行车过程中的安全，特别是血氧浓度过低，非常容易引起疲劳驾驶。当前在汽车上进行生命力体征方面的检测除了酒精测试以外，基本上无其它成功的案例。而疲劳驾驶现在已经成为交通事故的一大主要原因。特别是客车，驾驶员疲劳驾驶已经成为发生重大交通事故的很重要的原因，并且此类重大交通事故正在呈高发趋势。

发明内容

本发明的目的旨在提出一种驾驶员生命力体征检测装置及其检测方法，通过车载人体心率和血氧浓度的监测及时反映驾驶员的身体状态，提供有效的报警以及警示目的，保障人员的生命安全。

本发明实现上述第一个目的的技术解决方案为：驾驶员生命力体征检测装置，由信号采集单元、前端信号过滤放大单元、中央处理器DSP运算单元和后端报警单元构成，其特征在于：信号采集单元为装设于汽车方向盘常触位置且触摸式的微型光电测量仪；

所述前端信号处理单元包括集成模数转换器的低噪声接收器通道和LED传输部件，且前端信号处理单元通过一个SPI接口与中央处理器DSP运算单元相连；

所述中央处理器DSP运算单元为所述检测装置集系统控制、电源管理、输出报警信号的综合微处理器，接收前端信号处理单元调制输出的数字信号、运算得到驾驶员的心率和血氧浓度，并且中央处理器DSP运算单元设有用于输出后端报警单元驱动信号的心率阀值和血氧浓度限值；

所述后端报警单元受驱于中央处理器DSP运算单元发出报警指示。

进一步地，所述信号采集单元具有集成封装的红外光LED、红光LED及光电晶体管，两个LED受调制和驱动于LED传输部件分别射出波长为940nm和660nm的光，光电晶体管接收反馈光谱并根据光谱值输出对应电流值至前端信号处理单元。

更进一步地，所述光电晶体管为所述检测装置从待机模式切换测试模式的信号源。

进一步地，所述模数转换器为接收模拟信号、滤除噪音并保留有效的数字信号的转换器件。

进一步地，所述前端信号处理单元设有控制两个LED发射时序和频率的定时控制器。

进一步地，所述后端报警单元为本地报警型，包括直接设于汽车方向盘或驾驶室直视范围内的LED指示灯、发声报警器。

进一步地，所述后端报警单元为远程报警型，包括通过蓝牙或Wifi外联的汽车音响系统或中控系统。

本发明实现上述第二个目的的技术解决方案为：驾驶员生命力体征检测方法，基于上述检测装置实现，其特征包括步骤：Ⅰ、将信号采集单元装设于汽车方向盘常触位置且完成信号采集单元、前端信号处理单元、中央处理器DSP运算单元和后端报警单元的系统连接，其中信号采集单元为触摸式的微型光电测量仪；

Ⅱ、驾驶员手持方向盘并触摸信号采集单元，前端信号处理单元根据两个LED的驱动电流值和采集得到的电流值进行滤除噪音、模数转换成数字信号并向中央处理器DSP运算单元输出；

Ⅲ、中央处理器DSP运算单元根据数字信号和预定义的运算规则进行持续计算得到驾驶员的血氧浓度和心率，输出运算结果显示并在心率和血氧浓度异常时驱动后端报警单元发出报警指示。

进一步地，步骤Ⅰ中先将红外光LED、红光LED及光电晶体管集成封装成信号采集单元，且步骤Ⅱ中两个LED受LED传输部件调制和驱动分别射出波长为940nm和660nm的光，同时光电晶体管接收反馈光谱并输出电流值至前端信号处理单元。

进一步地，步骤Ⅲ中所述后端报警单元根据持续计算得到的血氧浓度和心率相对预设标准的异常程度差异具有轻缓型、中间型和紧急型三种报警模式。

本发明所提出的检测装置及其检测方法，较之于现有技术具备较为显著的优点：它利用人体血氧含量对红外和红光吸收差异的原理定制封装的接触式传感器，实现了简易化的驾驶员人体生命力体征的检测并消除了传统测试方法的不适感；能够持续并及时地反映驾驶员的身体状态，提供准确而有效的报警提示，保障车内人员的生命安全。

附图说明

图1是本发明驾驶员生命力体征检测装置的系统方框图。

具体实施方式

本发明针对汽车行业内对驾驶员生命力体征实时检测空白的当前情况，创新提出了一种驾驶员生命力体征检测装置，并同时提出了基于该检测装置的一种创新检测方法。通过车载人体心率和血氧浓度的监测及时反映驾驶员的身体状态，提供有效的报警以及警示目的，保障人员的生命安全。

首先，从本发明的硬件系统架构来看该驾驶员生命力体征检测装置主要由信号采集单元、前端信号过滤放大单元、中央处理器DSP运算单元和后端报警单元构成，如图1所示。本装置是利用了血液中血红蛋白和氧合血红蛋白对红外光和红光的吸收比率不同，测量动脉血的血氧饱和度的仪器。传感器把红外光和红光两个LED和光电晶体管集成在一个封装，测量时不用夹住测量部位，而是通过测量反射光的吸收光谱就可以达到目的，彻底解决了测量时不快感的问题。为更具体地了解上述方案的创新实质，现详述各部分特征如下。

上述信号采集单元为装设于汽车方向盘常触位置且触摸式的微型光电测量仪（以下简称传感器）。按照国家标准的驾驶员培训、教学大纲，驾驶员把持汽车方向盘是有标准位置的（个别驾驶习惯差的除外），因此将该触摸式的传感器设置于汽车方向盘的常触摸位置，并当驾驶员把手指触摸于本装置传感器位置时可以非常方便地对驾驶员进行测量。该传感器具有集成封装的红外光LED、红光LED及光电晶体管，两个LED受调制和驱动于LED传输部件分别射出波长为940nm和660nm的光，光电晶体管接收反馈光谱并输出电流值至前端信号处理单元。

上述前端信号处理单元包括集成模数转换器的低噪声接收器通道和LED传输部件，且前端信号处理单元通过一个SPI接口与中央处理器DSP运算单元相连。

其中模数转换器可以将接收得到的低噪音信号进行放大，同时把噪音进行有效的滤除并保留有效的信号进入模数转换，直接转换成数字信号，此采集到的数字信号，则直接被送入至DSP数字处理单元进行计算。而LED传输部件的主要功能包括红外/红光发射以及光电二极管的驱动控制和转换。

此外，该单元还可配置定时控制器，可以控制红外发射部分的时序和频率，做到较好的精确定时性。

上述中央处理器DSP运算单元为所述检测装置集系统控制、电源管理、输出报警信号的综合微处理器，接收前端信号处理单元调制输出的数字信号、运算得到驾驶员的心率和血氧浓度，并且中央处理器DSP运算单元设有用于输出后端报警单元驱动信号的心率阀值和血氧浓度限值。

首先从电源管理方面，只有在汽车发动的时候才开始进入工作，平时则进入待机模式。利用光电二极管的特性，可以感知是否有人进入测试状态，只在有人进入测试的时候，才点亮红外/红光发射器，可以有效的节约能源。

另一方面，根据DSP运算心率/血氧结果进入判断，当血氧浓度低于94%时，则判断血氧浓度偏低，如果在持续测试过程中，血氧浓度向低变化趋势，也进入警示状态，根据此警示状态，驾驶员需要开窗补充氧气，或停车休息。

其中DSP运算根据前端放大器发送过来的采集信号，进行持续计算驾驶员的血氧浓度的百分比和驾驶员的心率。携氧血红蛋白（氧合血红蛋白）吸收红外IR光谱区中的光，未携氧的血红蛋白（脱氧血红蛋白）则吸收可见红R光。根据这样的特性，中央处理器有顺序的激励相应红外、红光LED，同时检测器同步捕捉各LED的光线。根据LED驱动电流值与光电二极管接收到的返回电流值进行变换计算。计算公式为血氧浓度=氧合血红蛋白/（氧合血合蛋白+脱氧血红蛋白）。

心率的计算方法则相对简单，IR/LED驱动次数为每秒500次，根据光电二板管反馈回来的电流变化曲线进行设置为波峰与波谷，通常脉搏跳动一次则产生一次波峰，此时可以根据产生一次波峰的时间进行计算心率。

该后端报警单元受驱于中央处理器DSP运算单元发出报警指示。根据心率值高于120次/秒， 血氧浓度值低于94%，则发出报警指示。通常情况下，报警方式有本地报警和远程报警，本地报警则是直接安装LED指示灯或发声报警，远程报警，则通过蓝牙或Wifi传到外部设备，如汽车音响部分，汽车音响部分接收到后，可以直接驱动喇叭发声报警。

报警的种类根据声音和发光分成几类，轻缓型，中间型以及紧急型，当心率不齐时，并且心率未超过110次/秒以上未到130次/秒， 此时声音和发光频率较低；建议司机安静并需要休息，并持续测试。当心率超过130次，而未到150次/秒，血氧浓度呈成下降趋势 ，但尚在94%以上，则为中间型，此时声音和发光频率适中，此时完全建议驾驶员需要休息并且测试正常后才能驾驶汽车。当心率超过150次，或者心率低于94%，则为紧急型报警，不能驾驶汽车。如休息后还不能恢得正常值，则有必要立即进医院检查。

再者，从本发明驾驶员生命力体征检测方法的分步骤描述，进一步理解本解决方案的创新特征。该方法基于上述检测装置的实施例实现，包括步骤：Ⅰ、将信号采集单元装设于汽车方向盘常触位置且完成信号采集单元、前端信号处理单元、中央处理器DSP运算单元和后端报警单元的系统连接，其中信号采集单元为触摸式的微型光电测量仪，包括红外光LED、红光LED及光电晶体管；Ⅱ、驾驶员手持方向盘并触摸信号采集单元，前端信号处理单元根据两个LED的驱动电流值和采集得到的电流值进行滤除噪音、模数转换成数字信号并向中央处理器DSP运算单元输出；Ⅲ、中央处理器DSP运算单元根据数字信号和预定义的运算规则进行持续计算得到驾驶员的血氧浓度和心率，输出运算结果显示并在心率和血氧浓度异常时驱动后端报警单元发出报警指示。

作为细化，上述步骤Ⅰ中先将红外光LED、红光LED及光电晶体管集成封装成信号采集单元，且步骤Ⅱ中两个LED受LED传输部件调制和驱动分别射出波长为940nm和660nm的光，同时光电晶体管接收反馈光谱并输出电流值至前端信号处理单元。此外，步骤Ⅲ中所述后端报警单元根据持续计算得到的血氧浓度和心率相对预设标准的异常程度差异具有轻缓型、中间型和紧急型三种报警模式。

综上所述可见，本发明所提出的检测装置及其检测方法，较之于现有技术具备较为显著的优点：它利用人体血氧含量对红外和红光吸收差异的原理定制封装的接触式传感器，实现了简易化的驾驶员人体生命力体征的检测并消除了传统测试方法的不适感；能够持续并及时地反映驾驶员的身体状态，提供准确而有效的报警提示，保障车内人员的生命安全。

以上结合附图的实施例描述，旨在便于理解本发明的创新实质，但并非以此来限制本发明多样性的实施方式及要求的权利要求保护范围。但凡理解本发明，并根据上述实施例进行的等效结构变化或构件替换，能够实现相同目的和效果的设计，均应视为对本专利申请保护内容的侵犯。

Claims (10)

1.驾驶员生命力体征检测装置，由信号采集单元、前端信号过滤放大单元、中央处理器DSP运算单元和后端报警单元构成，其特征在于：

所述信号采集单元为装设于汽车方向盘常触位置且触摸式的微型光电测量仪；

所述前端信号处理单元包括集成模数转换器的低噪声接收器通道和LED传输部件，且前端信号处理单元通过一个SPI接口与中央处理器DSP运算单元相连；

所述中央处理器DSP运算单元为所述检测装置集系统控制、电源管理、输出报警信号的综合微处理器，接收前端信号处理单元调制输出的数字信号、运算得到驾驶员的心率和血氧浓度，并且中央处理器DSP运算单元设有用于输出后端报警单元驱动信号的心率阀值和血氧浓度限值；

所述后端报警单元受驱于中央处理器DSP运算单元发出报警指示。

2.根据权利要求1所述驾驶员生命力体征检测装置，其特征是：所述信号采集单元具有集成封装的红外光LED、红光LED及光电晶体管，两个LED受调制和驱动于LED传输部件分别射出波长为940nm和660nm的光，光电晶体管接收反馈光谱并根据光谱值输出对应电流值至前端信号处理单元。

3.根据权利要求2所述驾驶员生命力体征检测装置，其特征是：所述光电晶体管为所述检测装置从待机模式切换测试模式的信号源。

4.根据权利要求1所述驾驶员生命力体征检测装置，其特征是：所述模数转换器为接收模拟信号、滤除噪音并保留有效的数字信号的转换器件。

5.根据权利要求1所述驾驶员生命力体征检测装置，其特征是：所述前端信号处理单元设有控制两个LED发射时序和频率的定时控制器。

6.根据权利要求1所述驾驶员生命力体征检测装置，其特征是：所述后端报警单元为本地报警型，包括直接设于汽车方向盘或驾驶室直视范围内的LED指示灯、发声报警器。

7.根据权利要求1所述驾驶员生命力体征检测装置，其特征是：所述后端报警单元为远程报警型，包括通过蓝牙或WiFi外联的汽车音响系统或中控系统。

8.驾驶员生命力体征检测方法，基于权利要求1所述检测装置实现，其特征包括步骤：

Ⅰ、将信号采集单元装设于汽车方向盘常触位置且完成信号采集单元、前端信号处理单元、中央处理器DSP运算单元和后端报警单元的系统连接，其中信号采集单元为触摸式的微型光电测量仪；

Ⅱ、驾驶员手持方向盘并触摸信号采集单元，前端信号处理单元根据两个LED的驱动电流值和采集得到的电流值进行滤除噪音、模数转换成数字信号并向中央处理器DSP运算单元输出；

Ⅲ、中央处理器DSP运算单元根据数字信号和预定义的运算规则进行持续计算得到驾驶员的血氧浓度和心率，输出运算结果显示并在心率和血氧浓度异常时驱动后端报警单元发出报警指示。

9.根据权利要求8所述驾驶员生命力体征检测方法，其特征是：步骤Ⅰ中先将红外光LED、红光LED及光电晶体管集成封装成信号采集单元，且步骤Ⅱ中两个LED受LED传输部件调制和驱动分别射出波长为940nm和660nm的光，同时光电晶体管接收反馈光谱并输出电流值至前端信号处理单元。

10.根据权利要求8所述驾驶员生命力体征检测方法，其特征是：步骤Ⅲ中所述后端报警单元根据持续计算得到的血氧浓度和心率相对预设标准的异常程度差异具有轻缓型、中间型和紧急型三种报警模式。