一种用于驾驶疲劳监测的智能安全带

1.本实用新型属于电子技术领域，更具体地，涉及一种用于驾驶疲劳监测的智能安全带。


背景技术：

2.随着社会的快速发展和人们的生活水平的提高，机动车的保有量和具有驾驶资质的人群数量不断增加，交通安全问题也逐渐成为了社会关注的重点问题，在各种交通事故中，疲劳驾驶是主因。因此，找到一种及时可靠的驾驶员疲劳驾驶监测及预警方法，在驾驶员产生疲劳或者有产生疲劳的一些前期反应时就给予驾驶员及时的警告和刺激，令其觉醒、减速或者停车休息，最大限度地降低人为交通事故的发生，有着重要的意义。
3.目前现有的监测装置均是通过对车辆状态参数分析或者人脸表情识别分析来间接判断驾驶员疲劳程度的，还没有直接通过非接触式监测驾驶员生理特征来实现驾驶疲劳度监测的装置。现有的监测装置通过将传感器电极贴敷于驾驶者身体表面，传感器灵敏度低，导致现有的疲劳驾驶监测准确度不高。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种基于柔性压电驻极体传感器的非接触式监测疲劳驾驶的智能安全带，旨在解决现有技术用于疲劳驾驶监测的智能安全带需要接触驾驶者身体、且监测准确度不高的技术问题。
5.为实现上述目的，本实用新型提供了一种用于驾驶疲劳监测的智能安全带，所述安全带包括安全带带体，所述带体上设置有用于监测驾驶者的体征信号的体征传感器模块；所述体征传感器模块与信号处理模块的信号输入端相连接，所述信号处理模块的信号输出端与通信模块相连接：其中：
6.所述体征传感器模块包括柔性压电驻极体压力传感器，该压力传感器包括第一组件和第二组件，所述第一组件与第二组件的外侧边缘相连接；所述第一组件包括第一柔性绝缘薄膜、沉积在所述第一柔性绝缘薄膜上表面的第一金属导电层、以及在所述第一金属导电层的边缘形成的第一电极；所述第二组件包括衬底，设置于衬底上表面的具有多个微弹体结构的第二柔性绝缘薄膜、沉积在所述第二柔性绝缘薄膜上表面的第二金属导电层、在所述第二金属导电层的边缘形成的第二电极和微弹体结构内部的填充物；所述第二柔性绝缘薄膜的下表面和第二金属导电层的上表面相向设置。
7.优选地，所述第一柔性绝缘薄膜采用的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚二甲基硅氧烷、氟化乙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯
‑
聚醋酸乙烯酯共聚物，或者为涂布有驻极体材料氮化硅、二氧化硅、全氟环状聚合物或派瑞林的聚合物。
8.优选地，所述第二柔性绝缘薄膜为所述柔性高分子聚合物薄膜，其采用的材料为聚乙烯
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聚醋酸乙烯酯共聚物、氟化乙丙烯共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚
苯乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物或聚甲基丙烯酸酯甲酯。
9.优选地，所述第一金属导电层采用的材料为铜、铝或氧化铟锡；所述第二金属导电层采用的材料为金、银、铜或者铝。
10.优选地，所述微弹体结构内部的填充物为空气、聚二甲基硅氧烷或共聚酯；所述微弹体结构为半球形、三角形、锥形或正方体。
11.优选地，所述体征传感器模块由多个所述压力传感器并联或串联构成；所述压力传感器的形状呈长条状、圆形、正方形或长方形。
12.优选地，所述信号处理模块为由arm与fpga集成架构的zynq
‑
7020 soc平台；所述信号处理模块用于对所述体征传感器模块监测到的体征信号进行处理，并通过所述通信模块将处理结果传输至终端，所述终端用于分析驾驶疲劳程度并根据分析结果发出预警信号。
13.优选地，所述通信模块与所述终端通过蓝牙无线通讯装置相连接。
14.优选地，所述终端为手机终端、平板电脑或车载电脑。
15.优选地，所述终端包含震动和/或声光预警装置。
16.总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
17.(1)本实用新型提供的用于监测疲劳驾驶的智能安全带，其为一种基于柔性压电驻极体的智能安全带，带体上安装有包括微弹体结构的柔性压电驻极体压力传感器的体征传感器模块，该安全带压电驻极体可以将人体微弱的震动转化为电信号，因此本实用新型提供的智能安全带可以非接触式地实时监测驾驶员心跳和呼吸等指标，并通过信号处理模块对体征传感器模块搜集到的体征信号进行处理，利用通讯模块将处理结果传输到终端，终端根据驾驶员身体疲劳情况，在非安全驾驶情况下发出警告。该安全带电极不需紧贴驾驶者身体设置，使用方便，且具有监测准确、可行性佳的优点。
18.(2)本实用新型提供的智能安全带其体征传感器模块中含有的微弹体纳米压力传感器是一种机械换能装置，将人体维持其正常生命产生的机械运动转化成电信号，具有柔性，成本低，便携性强，使用周期长、信号输出大的优点。并在一定压力范围内具有很好的线性响应特性，灵敏度高，能准确检测人体清醒、睡眠以及半睡眠状态时的呼吸、心跳以及体动情况，进而能够准确捕捉驾驶者在睡眠或半睡眠状态时的体征信息，提高疲劳驾驶监测准确度。
19.(3)由于本实用新型提供的智能安全带中采用了通过高度柔性轻薄的高分子材料构成的空心微弹体结构柔性自驱动驻极体压力传感器，无需接触人体皮肤就能监测到人体的呼吸、心跳、体动等一系列人体生理活动，进而进行疲劳驾驶监测；并且不需要外部供电。
20.(4)本实用新型提供的智能安全带通过主动与被动式复合柔性传感阵列的制备与集成，实现宽范围、高灵敏、动静压力的协同监测；具有医疗级准确度的同时，能通过非接触式柔性传感器实现人体多模态体动信号的准确采集。能准确识别驾驶疲劳情况，并及时预警，最大限度地降低人为交通事故的发生。
附图说明
21.图1是本实用新型一些实施例中提供的一种用于监测疲劳驾驶的智能安全带装置示意图；
22.图2是本实用新型一些实施例中提供的用于监测疲劳驾驶的智能安全带中体征传感器模块压力传感器结构示意图；
23.图3是本实用新型一些实施例中提供的用于监测疲劳驾驶的智能安全带装置示意图；
24.图4是本实用新型实施例智能安全带在驾驶者驾驶过程中采集到的心跳和呼吸信号图。
25.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
[0026]1‑
带体；2
‑
体征传感器模块；21
‑
第一组件；211
‑
第一柔性绝缘薄膜；212
‑
第一金属导电层；22
‑
第二组件；221
‑
第二柔性绝缘薄膜；222
‑
第二金属导电层；223
‑
微弹体结构内部的填充物；224
‑
衬底；3
‑
信号处理模块；4
‑
通信模块；5
‑
终端。
具体实施方式
[0027]
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0028]
本实用新型实施例中提供的一种用于监测疲劳驾驶的智能安全带，如图1所示，包括安全带带体1，所述带体1上设置有用于监测驾驶者的体征信号的体征传感器模块2；所述体征传感器模块2与信号处理模块3的信号输入端相连接，所述信号处理模块3的信号输出端与通信模块4相连接；其中：如图2所示，所述体征传感器模块2包括空心微弹体结构的柔性自驱动驻极体压力传感器，该压力传感器包括第一组件21和第二组件22，所述第一组件21与第二组件22的外侧边缘相连接；所述第一组件21包括第一柔性绝缘薄膜211、沉积在所述第一柔性绝缘薄膜211上表面的第一金属导电层212、以及在所述第一金属导电层212的边缘形成的第一电极；所述第二组件22包括衬底224，设置于衬底224上表面的具有多个微弹体结构的第二柔性绝缘薄膜221、沉积在所述第二柔性绝缘薄膜221上表面的第二金属导电层222、在所述第二金属导电层的边缘形成的第二电极和微弹体结构内部的填充物223；所述第二柔性绝缘薄膜221的下表面和第二金属导电层222的上表面相向设置。
[0029]
使用时，所述体征传感器模块贴敷于所述安全带带体1上，用于监测驾驶者的体征信号，并将监测结果传输给所述信号处理模块3；信号处理模块3的信号输入端与所述体征传感器模块2相连接，用于对所述体征信号进行处理，并得出用于判断所述驾驶者疲劳程度的体征信号，并将处理结果传输到所述通信模块4；所述通信模块4与所述信号处理模块3的信号输出端相连接，用于将所述信号处理模块3处理后的结果传输到终端5；所述终端5用于对从所述通信模块4接收到的结果进行分析，输出驾驶者疲劳程度分析结果，并在该分析结果超过设定的阈值时提醒驾驶者。如图3所示，一些实施例中，该安全带上还设置有终端5。
[0030]
一些实施例中，所述第一柔性绝缘薄膜211采用的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚二甲基硅氧烷、氟化乙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯
‑
聚醋酸乙烯酯共聚
物，或者为涂布有驻极体材料氮化硅、二氧化硅、全氟环状聚合物或派瑞林的聚合物。所述第二柔性绝缘薄膜221为所述柔性高分子聚合物薄膜，其采用的材料为聚乙烯
‑
聚醋酸乙烯酯共聚物、氟化乙丙烯共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯、乙烯四氟乙烯共聚物或聚甲基丙烯酸酯甲酯。
[0031]
一些实施例中，所述第一金属导电层212采用的材料为铜、铝或氧化铟锡；所述第二金属导电层222采用的材料为金、银、铜或者铝；所述微弹体结构内部的填充物223采用低杨氏模量的材料，比如空气、聚二甲基硅氧烷或共聚酯；所述微弹体结构为半球形、三角形、锥形或正方体；所述衬底采用多孔或薄膜状聚合物。
[0032]
一些实施例中，所述体征传感器模块2由多个所述压力传感器并联或串联构成；所述压力传感器的形状呈长条状、圆形、正方形或长方形。
[0033]
本实用新型提供的智能安全带其体征传感器模块包含的微弹体纳米压力传感器包括第一组件和第二组件，使用时，将该体征传感器模块设置于安全带上靠近驾驶者心脏的位置，以用于监测人体呼吸、心跳、体动等机械运动，并将其转化为电信号。当身体由于呼吸、心跳或体动等微小动作按压或松开该压力传感器使第一、第二组件发生相对位移时，即产生具备一定强度的、携带有对应呼吸、心跳或者体动信息的交流电流信号。当上下两部件(第一组件和第二组件)距离较远时，上方下部驻极体上的负电荷感应出等量的正电荷。当器件受压时，上下两部件逐渐靠近，距离减小，电极上感应出正电荷，电势平衡被打破，电子从上部流向下部，压力越大，转移的电荷量就越多，当两者完全贴合的时候，达到静电平衡，反之，当压力释放时，产生反向的电流输出。
[0034]
本实用新型提出的用于疲劳驾驶监测的智能安全带其信号处理模块可采用常规的信号处理模块装置及处理方法，比如体征传感器模块中微弹体纳米压力传感器将检测得到的交流电信号发送给多级放大滤波电路，多级放大滤波电路对接收到的交流信号进行放大、滤波，获取体动信号、心跳信号和呼吸信号，模数转换处理转换成数字信号。一些实施例中，信号处理模块3为由arm与fpga集成架构的zynq
‑
7020 soc平台。采用arm与fpga集成架构的zynq
‑
7020 soc平台，基于fpga设计的电路，将从体征传感器模块接收到的体征信号，经滤波放大后分离出人体的心跳、呼吸和体动信号，并通过寻峰算法计算出人体的心率和呼吸率。一些实施例中，心跳信号中首先提取出心率变异性，通过对心率变异性的不同频段的功率谱密度进行分析，提取出的特征值代替心跳信号的输入。对呼吸信号进行特征提取时，通过阈值方法通过波峰与波谷计算时域特征，使用傅里叶变换求出信号对应频率的频谱能量，提取出时频特征作为输入。
[0035]
一些实施例中，所述终端5为手机终端、平板电脑或车载电脑。比如当终端为手机终端时，所述通信模块4与终端5通过蓝牙无线通讯装置相连接，用于将所述信号处理模块处理分析后的结果通过蓝牙传输到手机终端。所述手机终端包含震动和声光预警装置。终端接收到通信模块发出的心率、呼吸、体动等处理后信号后，根据预设的阈值判断是否为疲劳驾驶，判断疲劳程度可能会导致交通风险时，其含有的震动和声光预警装置会震动和发出警报声提醒。
[0036]
本实用新型一些实施例中，手机终端还通过机器学习算法识别判断驾驶疲劳程度。比如手机终端采用的信号分析模型通过卷积神经网络算法构建，预先通过采集到的有
标签的数据训练模型，接收到的信号通过处理后通过构建好的模型进行分析，识别驾驶员疲劳程度。手机终端分析到疲劳程度可能会导致交通风险时，其含有的震动和声光预警装置会震动和发出警报声提醒。一些实施例中，手机终端采用10层卷积神经网络进行训练，第1层为卷积层，第2层为卷积层，第3层为最大池化层，第4层为卷积层，第5层为卷积层，第6层为最大池化层，第7层为卷积层，第8层为平均池化层，第9层和第10层为全连接神经网络。
[0037]
一些实施例中，驾驶者在驾驶时佩带本实用新型的智能安全带，如图3所示，该智能安全带带体1上安装有体征传感器模块2；体征传感器模块2与信号处理模块3相连接，信号处理模块3与通信模块4相连接，通信模块4与终端5相连接。体征传感器模块2通过柔性压电驻极体传感器贴敷于安全带上监测人的体征信号。信号处理模块，基于fpga设计的电路，用于接收所述人体体征信号，并经滤波放大后分离出心跳、呼吸、体动信号，并通过寻峰算法计算出心率、呼吸率。通信模块，与信号处理模块相连接，用于将处理分析后的结果通过蓝牙传输到手机终端。手机终端，通过蓝牙接收所述分析结果，实时存储并显示呼吸、心率、体动信号，并通过所述信号分析人体疲劳程度，在开车将要犯困入睡时给予提醒。
[0038]
本实用新型体征传感器模块在组装成其内部的微弹体纳米压力传感器前，对其中柔性高分子聚合物绝缘薄膜进行极化处理，以提高微弹体纳米压力传感器对压力的输出响应；柔性高分子聚合物薄膜的微弹体结构可为半球形、三角形、锥形或正方体。
[0039]
本实用新型实施例提供的体征传感器模块中微弹体纳米压力传感器的形状可呈长条状、圆形、正方形或长方形，可通过将多个微弹体纳米压力传感器进行并联或串联以提高灵敏度。本实用新型将上述体征传感器模块贴敷于驾驶者佩带的安全带上，来对人体体征信号进行监测。当身体由于呼吸、心跳或体动等微小动作按压或松开该压力传感器使第一、第二组件发生相对位移时，即产生具备一定强度的、携带有对应呼吸、心跳或者体动信息的交流电流信号，该交流电流信号被输送给与之电连接的信号处理模块中的多级放大滤波电路，再经过模数转换，即可得到包含多种信息的原始信号。信号处理模块将处理得到的原始信号通过通讯模块传输给手机终端，手机终端通过蓝牙接收所述分析结果，实时存储并显示呼吸、心率、体动信号，并通过接收到的信号分析人体疲劳程度，在开车将要犯困入睡时给予提醒。
[0040]
图4是采用本实用新型提供的智能安全带在驾驶者驾驶过程中采集到的呼吸与心跳信号图。可以看出，本实用新型提供的智能安全带能够通过其微弹体柔性驻极体压力传感器对人体生理信号进行灵敏地监测。
[0041]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。