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國立聯合大學 2016 年第五屆金腦獎專題競賽
計畫書
專題競賽題目：
車輛情境式舒壓系統設計
報名編號： (尚無須填寫)
指導教授： 曾 信 賓
就讀系所：電子工程學系（以隊長所屬系所為代表）
參賽隊員： 許 珈 榕 （隊長）
王 心 如
中
華
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附件 3：封面II
摘要
本系統設計的出發點是因疲勞駕駛所造成的交通事故屢見不鮮，但政府機關難 以提出有效的因應。這是因駕駛人的行為模式不易被判斷，導致事故資料庫不健全 及權責機關難以策勵防制。所以，本專題研究規劃設計出能在車內中偵測壓力及溫 度的變化情況，並適時變換環境的情境裝置，達到輔助改善疲勞駕駛的目的。 該系統由控制單元、氣體感測裝置、無線傳輸模組(ZigBee)以及播放裝置所組 成。 關鍵詞: 疲勞駕駛、氣體感測裝置、無線傳輸模組。III
目 錄
摘要 ··· Ⅰ
目錄 ··· Ⅱ
第一章 研究背景、動機與目的 ··· 1
第二章 研究流程 ··· 2
第三章 研究內容 ··· 4
第四章 結論與建議 ··· 6
參考文獻 ··· 7
1
第一章 研究背景、動機與目的
在現今社會中，幾乎每戶家庭都有一部代步汽車，但在行車中，往往駕駛人除 了要充分掌握車況及路況外，本身的精神狀態也與行車安全有著密切的關聯。但在 目前法律上，僅明確規範酒後開車的違法刑責，雖能減低危險駕駛的發生情況。不 過，駕駛人睡眠不足或身體狀況不佳所導致的危險駕駛，僅能依靠自行決定是否行 車，這不只危害到自身安全，更可能傷及無辜，如圖 一所示。 圖一 疲勞駕駛環境 在近年科技日新月異下，已有少數的車用裝置配有駕駛疲勞偵測裝置，如：車 道偏移偵測、駕駛臉部影像辨識……等。但大多數疲勞駕駛常發生於夏季，是因晝 長夜短、車內氣溫高，在駕駛人休息不夠充分下，易導致精力不足，進而產生疲勞、 瞌睡及反應遲鈍情況發生，如圖 二所示[1][6]。 圖二 疲勞駕駛常發生於夏季 不論車輛本身性能的好壞，駕駛的依舊是人，對於駕駛人身心狀態的掌握，勢 必會是一項新趨勢，成為行車安全的新配備。 發生精神疲勞駕駛有許多原因，層面涵蓋包含駕駛排班制度、駕駛時數、 駕 駛時段、季節生理節律、睡眠疾病及症狀、車內環境等不同因素。2
根 據 美 國 國 家 公 路 交 通 安 全 管 理 局 (The National Highway Traffic Safety Administration, NHTSA) 的估計，平均每年約有 100,000 件精神疲勞駕駛道路交通 事故，造成約 1,500 人死亡，71,000 人受傷以及 125 億美元的財物損失；另外，有 51％的成人承認在過去 1 年內有精神疲勞駕駛的經驗，而有 17％甚至開到熟睡； 英國統計大貨車道路交通事故約 10％至 25％肇於精神疲勞駕駛；芬蘭資料顯示聯 結車死亡事故中有 16％為精神疲勞駕駛造成。顯見公路駕駛人發生「精神疲勞駕 駛」的普遍性，也是國際矚目的安全議題[4]。 本研究以駕駛人本身行車安全為主，使用簡易的感測裝置設備，就可進行車內 壓力值的偵測，壓力值越高表示車內的溫度越高，隨著壓力值的升高，便可隨意變 換駕駛人自身喜愛的音樂來提神振奮，減低因疲勞駕駛所造成的危險，已達到符合 人性化的室內空間[5]。
第二章 研究流程
圖 三為所設計的系統架構圖。首先，電源開啟後，壓力感測器( Pressure Sensor)會感測目前環境的狀況，如：壓力、溫度，經由 I2C (Inter-Integrated Circuit)傳輸 接口介面將所轉換的數據傳送至可程式模塊系統晶片(Programmable System On
Chip, PSoC)上由IC CY8C29466 進行處理，並透過 LCD 將該數值顯示。而 PSoC
基板或稱 MCU 內所處理的信號會轉成 TX/RX 信號傳送至無線傳輸模組 ZigBee 上 進行無線傳輸；在另一端的 ZigBee 模組，則進行指令接收。最後，由 PSoC 觸控 板 Flag-1607A 當成橋接模組(bridge)，並利用由 RS232 介面由電腦進行溝通，來改 變環境音樂進而達到本研究之目的。
3 圖三 所設計的系統架構圖 一、
硬體架構
該專題硬體模組包含：壓力感測器、無線傳輸模組(ZigBee)、PSoC 基板、觸 控板及 LCD 顯示器。 A. 壓力感測器： 壓力感測器藉由 FBM310 晶片感測大氣壓力值： pV = nRT p：壓力 (atm or mmHg) V：體積 (L) n：氣體莫耳數 (mole) T：溫度 (K) R：理想氣體常數 (atm*l/mole*K) 其中，一大氣壓 P0 = 76 cm-Hg = 1033.6 gw/cm2 = 1.01*105 N/m2=1.01*105 Pa 本壓力感測器採 24 位元(bit)類比/數位轉換方式(Analog to Digital Converter,ADC)，此感測器的校準過程須經由一微處理器實現。此元件可藉由 I2C 或主從式 同步串列通訊(Serial Peripheral Interface Bus, SPI)傳輸接口進行資料協定。
B. ZigBee 無線網路技術：
ZigBee 元件是採用 IEEE 802.15.4/IP-Link1223 的嵌入式無線模組，相較於 WIFI 、Bluetooth，它具低成本及低功耗的特性。本研究使用 ZigBee 模組提供的 UART 介面連結，下達指令進行模組設置、獲取模組資訊、與其他模組進行資料傳輸。
二、軟體架構
PSoC 為一套嵌入式系統具多重可自由變化的數位、類比模塊，甚至讓系統設 計者能隨意更換輸入和輸出的 PIN 腳，可大幅提高系統的方便性。其具備數位及 類比模塊，可處理數位及類比信號，及可程式化的特點。 本 實 驗 利 用 C 語 言 編 輯 系 統 架 構 ， 使 用 內 部 I2C 的 應 用 程 式 介 面 (Application Programming Interface, API) 撰寫壓力感測器中 I2C 的讀寫流程，之後 配何內部可自行組合的數位模塊、類比模塊及不同的暫存器設定，及 ZigBee 內部 的通用非同步收發傳輸器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,UART)模組 內的TX/RX進行傳輸接收，得以完成軟體的架構。4
第三章 研究內容
當電源啟動後，使用 PSoC 控制系統將壓力感測元件中 I2C 傳輸接口進行觸發， 利用複合式讀寫流程，給定一 7 bit 的 Slave address 值(0x6C)，並將所寫入(0x6B) 的值，利用 SDA(資料線)、SCL(時脈線)將所需的 ID 值讀出，如圖 四壓力感測 PSoC 程式後，為了更精準的測量出壓力值的變化，將不斷的進行校準流程，再經由 ADC 轉換成數位訊號由 LCD 進行顯示。
圖四 壓力感測 Psoc 程式
利用 AccessPort 設定 ZigBee 傳輸節點編號，藉由 Flag_ZigBee_SetTarget()程式 中抓取設定節點即可傳輸、接收資料，透過 Flag_ZigBee_SendData()程式傳輸資料， 如圖五所示。 圖五 ZigBee 主要程式 如圖 六 實際操作示意圖，PSoC 基板也會將紅色框線中(壓力感測器)所量測 到的壓力值通過 TX/RX 傳送至黃色框線中(ZigBee 無線傳輸模組)再進行發射傳輸 至另一端 FLAG-1607A 觸控版上的橘色框線中(ZigBee 無線傳輸模組)進行資料接 收。 圖六 實際操作示意圖
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圖 七 為 Matlab 環境程式示意圖，使用 Matlab 接收 RS232 資訊，利用
serial 指令設定 COM port 做溝通，及 BaudRate、Parity、DataBits、StopBit、Timeout 通訊規格，之後使用 fopen 指令來連結設定的物件，fread 指令接收資料，接收到 的資料就可以進行音樂選者。 在控制選者音樂部分，使用[y , fs]=audioread(filename)讀取所設定的音訊檔 案 ， sound(y , fs) 播 放 音 訊 。 fs 是 取 樣 頻 率 ， 而 y 是 聲 音 訊 號 的 向 量 ， audioread(filename)可以讀取 mp3、MPEG-4、AAC、WAVE、OGG、FLAC 音訊 檔案。 圖七 Matlab 環境程式及歌曲播放結果
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第四章 結論與建議
本研究出的車輛情境式舒壓系統設計在忙碌的社會中，因現代人長期處在高度 的壓力環境下，狹小的車內空間讓人透不過氣，無法適當的舒緩自身的疲憊。 藉由此因，設計出利用壓力感測所測量出空氣中氣體的變化值，在壓力值與溫度值 逐漸升高時，藉由無線傳輸裝置傳輸到電腦中控制音樂的變換，以改善人性化的車 用空間，達到紓壓、提神的效果，以減低疲勞駕駛的發生。 未來此項技術我們可以將它延伸應用至其他操作，在人手一機的現代社會，若 與智慧型手機 APP 結合，將疲勞駕駛的情況發出簡訊通知他人或者發出提醒鬧鐘， 則更可達到防止疲勞駕駛的情況。7
