崑 山 科 技 大 學

光 電 工 程 系

學 士 專 題 製 作 報 告

汽車駕駛疲勞偵測系統與安全提醒裝置之設

計

The Design of Fatigue Detection and Safety

Reminder System for Car Driver

指導教授：林俊宏教授 張台雄教授

專題組員：楊玄德 學號：4980B051

中華民國 102 年 06 月

102

學士專題

製作報告

汽車駕駛疲勞偵測系統與安全提醒裝置之

設計 光

電

工

程

系 崑山科技大

學

楊玄德撰

崑 山 科 技 大 學

光 電 工 程 系

學 士 專 題 製 作 報 告

汽車駕駛疲勞偵測系統與安全提醒裝置之設

計

The Design of Fatigue Detection and Safety

Reminder System for Car Driver

指導教授：林俊宏教授 張台雄教授

專題組員：楊玄德 學號：4980B051

中華民國 102 年 06 月

I

汽車駕駛之疲勞偵測安全系統

楊玄德

崑山科技大學光電工程系

摘要

在現在的社會，常會在報紙新聞上看到民眾開車時發生交通意外，主要的原

因大部分是民眾工作超時或熬夜造成的精神疲勞，在這種的狀態下開車很容易引

發意外事故，而這些意外事故的發生大部分都是沒有踩煞車或是沒有看著前方所

導致，車內保護駕駛的方式大部分是安全氣囊這種被動式的安全保護，如果有辦

法主動的去預防這些疲勞民眾的開車狀況，就可以提升駕駛的安全保障。因此我

們設計出可以主動去監測民眾在開車時的疲勞狀態，另外發生撞車情形的意外事

故，也能夠主動去求救的安全模式，去預防民眾開車的疲勞狀況。

為了降低民眾在疲勞狀態下開車而發生意外事故，我們系統設計的出發點主

要是偵測駕駛疲勞狀態而發出警告及發生意外狀狀時會緊急回報家屬，我們分別

使用攝影機及方向盤心跳感測器兩個部份去進行判別駕駛是否有產生疲勞的狀態，

藉由攝影機的鏡頭對準駕駛人偵測頭部的位置做影像辨識，確認出頭部位置判斷

駕駛是否經常點頭或是搖頭，另外當駕駛長時間握住方向盤，透過裝置在上面的

心跳感測器來分析心跳速率變化程度，判斷駕駛的疲勞狀態，來提高疲勞偵測的

準確度，如果發現駕駛已經是疲勞的狀態則在 LCD 上顯示警示標語和發出警告音

提醒駕駛降低意外的發生。

我們作品雖然有偵測疲勞駕駛的功能，但是民眾駕車行駛時還是有可能會發

生其他的交通意外事故，因此我們結合將疲勞駕駛偵測與自動回報功能相結合，

這項功能我們將使用加速度規去計算三軸產生的瞬間加速度，如果瞬間撞擊使的

加速度數值達到意外事故的狀態，系統則會在觸控式 LCD 螢幕上顯示出預先設定

好要聯絡的電話供駕駛或乘車成員選擇，當駕駛發生事故且沒有回報時，會自動

透過 GPRS 無線網路將事故發生地點的 GPS 位置傳送至 Server 端，讓 Server 端馬

上知道意外事故的發生地點，透過這些功能的結合，提升了駕駛的安全。

關鍵字:方向盤心跳感測、影像辨識、LCD 螢幕、加速規、GPRS 無線網路、GPS、偵測疲勞駕駛

II

目 錄

中文摘要 ........................................................................................................ I

目錄 .............................................................................................................. II

表目錄 ......................................................................................................... IV

圖目錄 .......................................................................................................... V

一、 緒論 ...................................................................................................... 1

二、原理概述 ............................................................................................... 4

2.1 攝影頭模組 ............................................................................................................................. 4

2.1.1 CCD 的介紹 .................................................................................. 4

2.1.2 CMOS 的介紹 ............................................................................... 5

2.1.3CMOS 與 CCD 的比較 ................................................................. 6

2.2 心電圖 ........................................................................................................................................ 7

2.3GPS ................................................................................................................................................ 8

2.3.1 GPS 系統定位 ............................................................................... 9

2.3.2 GPS 資料型態 .............................................................................. 9

2.4GPRS 網路結構................................................................................................................... 11

三、系統架構 ............................................................................................. 15

3.1 系統架構設計..................................................................................................................... 15

3.2 硬體設計 ................................................................................................................................ 16

3.2.1 SPCE3200 開發板簡介 .............................................................. 16

3.2.2 方向盤心跳感測 ........................................................................ 18

3.2.3 加速規模組 ................................................................................ 19

3.2.4GPS 模組 ...................................................................................... 21

3.2.5 GPRS 模組 .................................................................................. 23

3.3 韌體設計 ................................................................................................................................ 28

3.4 軟體設計 ................................................................................................................................ 30

四、實驗結果 ............................................................................................. 31

五、討論 ..................................................................................................... 36

六、結論 ..................................................................................................... 38

參考文獻 ..................................................................................................... 39

附 錄 一、GPRS 電路圖 .......................................................................... 41

III

附 錄 二、GPRS 電路佈局圖 .................................................................. 42

IV

表目錄 頁數

表 2. 1、四種 GPRS 編碼方式傳送速率 .................................................. 14

表 3. 1、SPCE3200 內建模組 ................................................................... 17

表 3. 2、SPCE 3200 晶片特性 ................................................................... 17

表 3. 3、UP 501 接腳說明 ......................................................................... 22

表 3. 4、UP 501 模組特性 ......................................................................... 23

表 3. 5、SIM 300 接腳說明 ....................................................................... 24

表 3. 6、GPRS 模組 SIM300 連線過程 .................................................. 26

表 4. 1、疲勞駕駛實際測試表 .................................................................. 32

V

圖目錄 頁數

圖 2.1、OV7720 攝影頭模組 ...................................................................... 7

圖 2.2、標準心電圖 ..................................................................................... 8

圖 2.3、GPRMC 標準格式 ....................................................................... 10

圖 2.4、GSM/GPRS 網路架構圖 .............................................................. 12

圖 3.1、系統架構圖 ................................................................................... 15

圖 3.2、SPCE3200 開發板硬體圖 ............................................................ 16

圖 3.3、方向盤心跳感測器實體圖 ........................................................... 19

圖 3.4、心跳板 ........................................................................................... 19

圖 3.5、ADXL330 封裝圖 ........................................................................ 19

圖 3.6、ADXL330 內部結構圖 ................................................................ 20

圖 3.7、ADXL330 實體圖 ......................................................................... 20

圖 3.8、加速規安裝模擬車實體圖 ........................................................... 21

圖 3.9、UP 501 模組實體圖 ..................................................................... 22

圖 3.10、GPS 模組接收資訊圖 ................................................................ 22

圖 3.11、SIM300 模組實體圖 .................................................................. 24

圖 3.12、3.3V、3A 電源電路 ................................................................... 26

圖 3.13、GPRS 模組 SIM300 測試圖 ..................................................... 27

圖 3.14、電腦接收端程式畫面圖 ............................................................. 28

圖 3.15、韌體程式設計流程圖 ................................................................. 29

圖 3.16、疲勞駕駛偵測模式圖 ................................................................. 29

圖 3.17、碰撞事故模式圖 ......................................................................... 30

圖 3.18、GOOGLE MAP即時顯示駕駛位置圖 .......................................... 30

圖 4.1、演算法訓練模式圖 ....................................................................... 31

圖 4.2、影像辨識圖 ................................................................................... 31

圖 4.3、疲勞駕駛偵測圖 ........................................................................... 32

圖 4.4、LCD 顯示不正確握住方向盤(心跳數值 0) ................................ 33

圖 4.5、LCD 顯示心跳異常(心跳數值 57) .............................................. 33

圖 4.6、求救模式選項圖 ........................................................................... 34

圖 4.7、求救訊息傳輸圖 ........................................................................... 34

圖 4.8、系統實體成果圖 ........................................................................... 35

1

一、 緒論

現今有越來越多人的生活步調逐漸增快，許多民眾平常不是超時

工作就是熬夜加班，而且大多數的人都是開車通勤，最近常在新聞報

紙上看到民眾開車時發生交通意外事故，根據中華民國交通部統計可

以得知，在民國101年1~7月之間台灣死於交通意外事故有1,158人，在

這些人當中，就有超過100人是因疲勞駕駛而死亡，同時也比去年同期

時段還要多人[1]，因此我們將針對疲勞駕駛的部分進行模擬測試，為

了降低死亡率以及減少交通意外的發生，而設計出偵測疲勞駕駛的裝

置，可以直接與市面上的車用導航系統或是車載系統做結合，增加使

用者的實用性與便利性，供電方式則是直接用汽車上的電瓶，使民眾

可以在汽車駕駛時進行疲勞偵測的功能，當駕駛出現疲勞狀態的時候，

系統會主動提醒駕駛預防意外事故的發生，減少傷害並且保護駕駛安

全；如果駕駛開車時除了發生疲勞駕駛以外的交通意外事故，系統也

會有意外事故的自動回報功能，會主動的詢問駕駛目前是否需要幫助，

如果一段時間過後仍沒有回應，系統會自動回報，保障駕駛的生命安

全。

目前的疲勞駕駛偵測方式產品大部分都是感測使用者的心跳速率

或是以攝影機拍攝駕駛進行影像辨識，但是在感測心跳速率時都需要

2

與使用者直接接觸才有辦法量測，而攝影機拍攝駕駛必須駕駛頭部在

攝影機鏡頭的拍攝範圍才可以進行影像辨識，對使用者來說確實非常

的不方便，雖然這些都只有單一功能的偵測，但是為了提高量測的準

確性以及實用性，因此我們的作品將兩個功能結合在一起變成更完善

實用的疲勞偵測系統，在本系統中我們使用的攝影機擷取頭部影像，

運用影像辨識的方式來判別與偵測駕駛的頭部位置，再配合方向盤心

跳感測，利用心率變化量分析駕駛連續心跳速率的變化程度進行疲勞

駕駛偵測[2,3]，另外在意外事故偵測的部分，是採用三軸加速規、GPRS

無線網路及GPS定位，在加速規偵測到意外事故發生時，透過GPRS將

GPS位置等相關資訊回傳至Server端[4]，協助駕駛發出求救地點訊號，

提高駕駛的人身安全。

採用這套系統的駕駛估計可以預防和降低約30%的意外事故發生，

目前該系統設計成可以與市面上的產品結合，充分發揮這套系統的高

度實用性與便利性，同時也降低除了因長期工作而累積疲勞的駕駛之

外，還包含一些疲勞駕駛以外的交通意外事故的發生，讓每一位駕駛

都可以放心地在路上行駛，因此我們的系統採用攝影機進行頭部位置

的影像辨識，加上方向盤心跳感測分析心跳變化程度兩個部份來進行

疲勞偵測，透過兩種不同的感測器偵測，能夠有效的降低民眾開車時

3

沒有直視前方以及放開雙手…等相關交通意外事故的發生；另外我們

還使用加速規判斷碰撞事故的發生，將GPS位置訊息利用GPRS傳至

Server端，只要透過Google Maps就可以知道意外事故的地點，即時進

行救援行動[5-7]。

4

二、原理概述

2.1 攝影頭模組

目前 CCD 與 CMOS 感測器是被普遍使用的兩種影像感測器，兩

者都是利用感光二極體進行光電轉換，將影像轉換成為數位資料[8]，

而兩者之間最主要差異是數位資料傳送的方式不同。

2.1.1 CCD 的介紹

CCD（Charge Coupled Device，感光耦合元件），是於 1969 年由

美國貝爾實驗室的 Willard Boyle 和 George E. Smith 所發明的[9]。

當時貝爾實驗室正在發展影像電話和半導體氣泡式記憶體，而將

這兩種新技術結合後，製造出一種裝置，他們將其命名為“電荷氣

泡元件”（Charge Bubble Devices）。

主要材質為矽晶半導體，作用類似 CASIO 計算機上的太陽能電

池[10]，將感光元件表面上的光轉換成儲存電荷的能力，再透過通道傳

輸至放大與解碼原件，就能還原 CCD 上的所有感光元件產生的訊號，

CCD 由許多感光單位組成，通常以百萬圖元為單位。當 CCD 表面受

到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在元件上，所有的感光單

位所產生的信號加在一起，就構成了一幅完整的畫面[11]。此一特性，

5

使得 CCD 通用在數位相機與掃瞄器上，作為目前最大之感光元件來

源。

2.1.2 CMOS 的介紹

CMOS（Complementary Metal-Oxide- Semiconductor，互補式金屬

氧化層半導體）是一種積體電路製程，可在矽晶圓上製作出 PMOS 和

NMOS 元件，由於 PMOS 與 NMOS 在特性上為互補性[10]，因此稱為

CMOS。

CMOS 具有只有在電晶體需要切換啟閉時才需耗能的優點，

因此非常省電且發熱少，所謂的「金屬-氧化層-半導體」事實上是

反映早期場效電晶體(Field-Effect Transistor, FET)的閘極是由一層

金屬覆蓋在一層絕緣體材料(如二氧化矽)所形成。今日的金氧半場

效電晶體 (MOSFET)元件多已採用多晶矽 (polysilicon)作為其閘極

的材料，但即便如此，「金氧半」(MOS)仍然被用在現在的元件與

製程名稱當中，在現今 CMOS 製程經常也被用來當作數位影像器

材的感光元件使用，又稱為主動像素感測器（Active Pixel Sensor），

例如高解析度數位攝影機與數位相機，尤其是片幅規格較大的數

位單眼相機更常見到 CMOS 的應用[10,12]。

6

2.1.3CMOS 與 CCD 的比較

由 CMOS 和 CCD 感光元件的工作原理可以看出，CCD 的優勢在

於成像質量好，但是價格非常高昂。在相同解析度下，CMOS 價格比

CCD 便宜，但是 CMOS 產生的圖像質量相比 CCD 來說要低一些。到

目前為止，市面上絕大多數的消費者的數位相機都使用 CCD 作為感應

器；CMOS 感應器則應用於攝像頭上。

CCD感測器中每一行中每一個圖元的電荷資料都會依次傳送到下

一個圖元中[8]，由最底端部分輸出，再經由感測器邊緣的放大器進行

放大輸出；而在CMOS感測器中，每個圖元都會鄰接一個放大器及A/D

轉換電路[9]，用類似記憶體電路的方式將資料輸出。由於資料傳送方

式不同，因此CCD與CMOS感測器在效能與應用上有諸多差異，CCD

感測器在靈敏度、解析度、雜訊控制等方面都優於CMOS感測器[10]，

而CMOS感測器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點。但是隨

著CCD與CMOS感測器技術的進步[12]，兩者的差異有逐漸縮小的態勢，

例如，CCD感測器一直在功耗上作改進，以應用於移動通信市場；

CMOS感測器則在改善解析度與靈敏度方面的不足，以應用于更高端的

影像產品，大有後來者居上之勢。

現在，國內照相手機多採用CMOS攝像頭，其影像感測器產品例如

7

美國OmniVision公司產的OV7640、OV7660、OV7720 系列等[12]，如

圖2.1所示。

圖 2.1、OV7720 攝影頭模組[12]

2.2 心電圖

心電圖(Electrocardiogram, ECG)，是醫生用來診斷心臟疾病的最普

遍方式。心電圖(ECG)是記錄心臟組織電壓變化的一個圖形，心臟的肌

肉是人體肌肉中，唯一具有自發性跳動及節律性收縮的肌肉[13]。心臟

傳導系統發出的電波，讓整個肌肉纖維興奮而產生收縮。電波的產生

及傳導，皆會產生微弱的電流分佈全身，若將心電圖記錄器的電極連

接到身上不同的部位[14]，就可描出心電圖。

心臟本身的電位變化會經過心臟周圍的導電組織與體液反映到身

體表面，運用微電極技術紀錄心臟微小電脈衝的變化所產生的心肌細

胞內外電位差[13]，由儀器放大電活動訊號描繪下的圖形，藉以瞭解心

臟是否正常地運作。而心臟的電性活動便是由竇房結發出電脈衝以漸

8

進波的方式傳遞至左、右心房，造成左右心房的收縮[13]，電脈衝傳達

房室結後約停滯約 0.1 秒，這 0.1 秒是為了讓血液充分流至心室，接著

電脈衝便藉由傳遞纖維將電脈衝傳遞至左右心室造成左右心室收縮，

在一連串的電活動之後心臟暫時靜止，心室等待再極化以恢復帶負電

狀態完成一次心搏。心室去極化與再極化現象分別為圖 2.2 中的 Q、R、

S、T 部分，而心房卻僅有去極化的 P 波，沒有再極化的波形，這是因

為心房再極化現象波形小且多半掩沒在 QRS的複合波中因此不易察覺

[15]，如下圖 2.2 所示。

圖 2.2、標準心電圖[14]

2.3GPS

GPS(Global Positioning System，全球定位系统) 是由美國國防部研

製和維護[16]，並將此技術移至民間使用，主要應用於導航定位、精密

測量及標準時間等相關作業上，可提供位置和時間信息在所有天氣條

件下，能夠不間斷地提供精確定位、速度及時間予所有使用者的操作，

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BE%8E%E5%9B%BD%E5%9B%BD%E9%98%B2%E9%83%A8

9

並且不受地點、時間及天候的限制，因此 GPS 的應用已廣泛存在於目

前市場。

2.3.1 GPS 系統定位

目前的 GPS主要是三個不同結構所組成，由(1)SS(Space segment，

太空部分 )在地球軌道中運行的 24 顆至 32 顆衛星組成 [17]。

(2)CS(Control segment，地面控制部分)包含一個主監控中心，五個地面

監控站及接收天線站等。地面控制部分包含一個的主要功能是監視衛

星狀態，提供衛星高度資料，並定時做資料的上連及下載。(3) US(User

segment，用戶端部分) 美國和盟國的軍事用戶端的安全 GPS 的精確定

位服務，和數以千百萬計的民間用戶端。

2.3.2 GPS 資料型態

目前所有的GPS接收器輸出資料類型都遵循NMEA(National

Marine Electronics Association，美國國家海洋電子協會)所指定的標準

規格[18]，此標準制訂所有導航電子儀器間的通訊標準，其中包含傳輸

資料的格式以及傳輸資料的通訊協議。NMEA協議有0180、0182和0183

三種，0183現在正廣泛的使用中，NMEA規定的通訊速度是每秒4800

位元。現在有些接收器也可以提供更高的速度。

NMEA – 0183協定的格式是以傳輸一段句子的方式傳送資料，每

10

個句子以『$』字元作為開頭，第二、三個字元為傳輸設備的識別碼，

第四、五、六字元為傳輸句子的名稱，不同的句子名稱，其後面皆帶

著不同的訊息資料，訊息資料以逗號『,』隔開，並以＜CR＞及＜LF

＞作為整個句子的結束。

本論文採用GPS接收器所提供的NMEA – 0183協定，其句子的格式

為GPRMC\的句子，以下將介紹GPRMC句子所代表的資料意義。

GPRMC的標準例子如下圖2.3所示：

圖 2.3、GPRMC 標準格式[19]

1. 開頭識別字元部分：包含『$』為起始識別字元，可用來辨別句子的

開頭；『GP』為設備識別碼；『RMC』為句子名稱。

2. 接收時間部分:為接收機所在位置的全球性之標準格林威治時間，使

用者在台灣要再加上八個小時。

3. 狀態部分:代表著此筆點位資料的可靠度；它包含A和V兩種狀態，

11

其中A表示GPS接收機是在正常狀態下所接收的資料，V表示接收機

是在暖機或是在狀態不穩下所接收的資料；此可提供使用者，對此

筆資料可靠度的辨別。

4. 經緯度方面:可提供使用者作一些地圖座標轉換的資料來源。

5. 方向、速度以及接收日期:提供使用者方向和速度等資料。

6. 結尾部分:它是由carriage return、 line feed 作為結尾字元，

此為ASCII編碼，若為十六進位，則分別代表著 0DH、0AH；一般

應用上可利用此部分辨別句子的結尾。

2.4GPRS 網路結構

GPRS(General Packet Radio Service，通用封包無線服務技術)是

GSM是一種面向分組的 移動數據服務[20]，它經常被描述成「2.5G」

介於第二代(2G)和第三代(3G)的移動通信系統之間。這些網路都正在轉

而使用GSM標準，這樣GSM就成了GPRS唯一能夠使用的網路。而GPRS

使用分封交換技術，減少電路交換技術在數據傳輸時造成的電路閒置

時間浪費，且對間歇性、大傳輸量的數據通信而言[21]，GPRS可彈性

配置GPRS用戶及GSM語音用戶對無線電資源的使用比例，對話務尖峰

時刻更適合網路資源調配，減少空中頻道過荷，提昇網路使用效率。

http://en.wikipedia.org/wiki/Packet_orientedhttp://en.wikipedia.org/wiki/Mobile_Data_Servicehttp://en.wikipedia.org/wiki/Cellular_communication

12

GPRS 網路架構如圖 2.4 所示，在現有的 GSM 網路中，需增加 GPRS

服務支援節點(Serving GPRS Support Node, SGSN) 、 GPRS 支援節點

通信閘道(Gateway GPRS Support Node, GGSN)設備及基控站(Base

Station Controller, BSC)需增加封包控制單元(Packet Control Unit, PCU)

硬體及其他交換機、基控站及基地台等軟體功能升版[21]，以配合提供

GPRS 的功能提供。透過這些 GPRS 支援節點協助，現有的 GSM 網路

便可提供合適的封包路由及傳送功能。

圖 2.4、GSM/GPRS 網路架構圖[21]

SGSN 為提供 GPRS 服務給行動台的設備，主要負責其服務區內用

戶數據封包的傳送與接收；提供認證、加密、移動管理、與 GGSN 的

路由和傳遞、支援計費管理及與其他網路元件(MSC、HLR、BSC 等)

的連結建立[20]。GGSN 則負責 GPRS 與外部其他數據網路封包的傳送

與接收，提供與其他數據網路的規約轉換及傳送路由。基地控站的封

13

包控制單元則負責處理無線鏈路控制層(Radio Link Control, RLC)和介

質存取控制層(Medium Access Control, MAC)的機能[21]，管理行動台

和 SGSN 數據封包的傳送，包括無線電通道資源的分配及空中介面錯

誤封包的重新傳送，而每一提供 GPRS 服務的基地控站均需增加封包

控制單元。其他如計費閘道的功能可建構於 SGSN、GGSN 中或獨立建

於另一網路元件，而本籍記錄器(Home Location Register, HLR)、訪客

記錄器(Visitor Location Register, VLR)等元件則須升級軟體功能以提供

整體 GSM/GPRS 管理機能。

GSM 系統為提供 GPRS 服務，定義了專為傳送封包數據的邏輯通

道，封包數據通道(Packet Data Channel, PDCH)[20]。GPRS 空中介面協

定的RLC/MAC層即是使數個用戶可共用數個分封數據通道傳送資料。

GPRS 採用選擇性重傳(Selective ARQ)方式補救錯誤傳送的資料。提供

GPRS 服務的細胞可從原本 GSM細胞中使用數個實體通道作為共用的

分封數據通道，其他的通道則作 GSM 的話務通道。細胞中的話務通道

和分封數據通道可動態配置調整。對數據用戶的通道配置，系統會先

配置一封到數據通道[21]，以傳送控制訊息及用戶數據資料。此外，系

統並根據用戶的需求，動態性地分配零或數個輔助的分封數據通道來

14

傳送用戶的數據資料及專屬控制訊息。每用戶在上鏈存取方式採用

Slotted-Aloha Reservation 規約以提升存取通道使用效率。

由於 GPRS 服務架構於現有的 GSM 網路上，其邏輯通道設計也類

似於 GSM 系統的邏輯通道。在通道編碼部分，為了達到不同的傳輸速

率，GPRS 定義了 CS-1、CS-2、CS-3 及 CS-4 等四種編碼方式，其中

CS-1、CS-2 及 CS-3 均具有錯誤更正能力，可在較差無線電環境使用；

其中以 CS-1 的錯誤更正能力最強，CS-2 次之；至於 CS-4 編碼方式不

作通道編碼，無錯誤更正能力，只適用於信號同頻干擾比較低的環境

使用。四種編碼的數據傳輸速率如表 2.1 所示。

表 2.1、四種 GPRS 編碼方式傳送速率[21]

Coding Scheme Code Rate Max. Throughput

CS-1 1/2 9.05 Kbps

CS-2 2/3 13.4 Kbps

CS-3 3/4 15.6 Kbps

CS-4 1 21.4 Kbps

15

三、系統架構

3.1 系統架構設計

本系統主要架構分成兩個部分，第一部分是疲勞駕駛偵測系統，

使用到CMOS SENSOR、方向盤心跳感測、LCD螢幕和喇叭，此設計

是為了提升駕駛行車安全的保護；第二部分是碰撞事故發生的緊急回

報系統，使用了加速規作為意外事故偵測的感測器，再配合GPS定位、

GPRS訊息傳輸和Google Maps確定駕駛的位置，架構圖如圖3.1所示。

圖 3.1、系統架構圖

16

3.2 硬體設計

3.2.1 SPCE3200開發板簡介

此專題使用SPCE3200開發板作為架構的主要處理核心晶片，

如圖3.2所示，此開發板是由凌陽科技所開發，SPCE3200擁有豐富

的硬體資源及多媒體特性使其獨具特色，採用S+core7結構，內核的32

位元嵌入式開發系統，內嵌12位元ADC、16位元DAC；具有UART、

SPI、I2C、SIO、USB等標準硬體控制器介面；具有TFT、STN型LCD 控

制器介面與CMOS介面單元等資源。

圖 3.2、SPCE3200 開發板硬體圖

SPCE3200開發板是凌陽科技推出的一款多功能32位元系統，此系

統以操作方便、易學易用、多項功能為主要特色，如表3.1、3.2所示，

17

SPCE3200作為嵌入式系統，具有多媒體硬體模組，為其多媒體功能提

供了很好的支援平台。

表 3.1、SPCE3200 內建模組[22]

模組名稱 規格說明

電源模組 DC9V開關電源輸入，DC1.8V/3.3V/5V 多電壓輸出

核心模組 SPCE3200核心處理器、128Mbits SDRAM 記憶體、

64MbitsNorFlash記憶體、128MbitsNandFlash記憶體

多媒體模組

雙通道語音輸出、標準TV信號輸出（MINI TV介面

包含:Video_OUT、Audio_L和Audio_R）、TFT LCD

（3.5寸，320*240，65536色）、CMOS攝像頭感測

器介面、IIS音頻介面

人機交互模組 遊戲手柄介面、觸摸螢幕介面、4個獨立按鍵、4個

獨立LED

通信模組 SPI介面、SIO介面、IIC介面、UART介面、USB1.1 介

面（Host/Device）、乙太網介面、GPRS介面

大容量存儲 SD卡介面

其他模組 SJTAG介面、GPS介面

表 3.1、SPCE3200 晶片特性[22]

特性 說明

工作電壓 I/O 埠的VDD 為3.0V ~ 3.6V，CPU 內核的

VDD 為1.62V ~ 1.98V

CPU工作頻率 27 ~ 162 MHz

SDDRAM 最大容量可達16M 位元組

SDRAM資料匯流排 具有 32 位/16 位元

NTSC/PAL視頻輸出 支援隔行掃描/逐行掃描

NTSC制/PAL制 系統提供27 MHz 振盪器

圖像解析度 VGA模式為(640 x 480像素)；QVGA模式為

(320 x 240像素)圖元可以改成台灣用語嗎?

RGB565格式 支援65536色

18

可編程選擇顏色模式 4/16/64/256/32768/65536

4通道APB DMA資料

傳輸方式 APB設備到DRAM，或DRAM到APB 設備

硬體的DRAM DMA

資料傳輸方式 由硬體執行的DRAM‐to‐DRAM的資料傳輸

雙通道16位高速DAC 確保身歷聲音質輸出

內置3個可編程鎖相環

(PLL)電路 為系統提供各路時鐘

共6個16位CCP定時/計

數器 具可編程自動重載功能

9通道12位ADC 其中一路為MIC專用ADC

UART 功能 具有通用非同步接收和發送

提供串列週邊設備介

面(SPI) 具主/從模式

提供LCD介面 具TFT方式/CSTN方式

Sunplus CMOS感測器

設備 具備Sunplus CMOS影像感測器

CMOS影像感測器

/TVE控制介面 支援CCIR‐601/656

3.2.2 方向盤心跳感測

正常來說心電圖的頻率為0.1~100Hz，振幅最大約為0.001V，但有

可能發生漏電流的危險，所以心跳感測是使用微薄的銅片作為表面電

擊並將其安裝在方向盤上進行量測，如圖3.3所示，在方向盤握把上加

上銅片並分為左右兩邊，而且左右兩邊不可相連，利用導電的方式，

使整個方向盤都可以感測到心跳，透過左右手緊握方向盤的方法來達

到心跳感測，透過心率變異分析心跳速率連續變化程度的方法，設計

方式主要是分析心電圖或脈搏量測所得到的心跳與心跳間隔的時間序

19

列。

圖 3.3、方向盤心跳感測器實體圖 圖 3.4、心跳板

3.2.3 加速規模組

我們採用ADXL330這顆加速規作為感測IC，如圖3.5所示，此模組

具有3軸感應，4mm x 4mm x1.45mm LFCSP封裝，支持低功耗，在供

電源電壓2.0V時電源電流為200μA的典型值[14]，其電源為2V~3.6V，

具有測量動態範圍是±3g，耐受衝擊10,000 g[23]，優異的溫度穩定性。

圖 3.5、ADXL330 封裝圖

20

ADXL330 又稱加速度計，它是一顆可以提供完整的 3 軸加速度量

測，它測量的是自身的運動，3 軸的輸出信號是與加速度成比例的模擬

電壓。加速度計可以測量靜態加速度重力傾斜檢測應用，以及運動、

衝擊或振動產生的動態加速度[22]。

圖 3.6、ADXL330 內部結構圖

圖 3.7、ADXL330 實體圖

先把加速規安置在模擬車上，如圖3.8所示，用模擬車進行意外事

故情境模擬，並利用感測器感測加速度值，將得到的三軸信號放大，

21

然後分別將信號解碼，於輸出端再分別將三路的信號再次放大、濾波

後輸出和加速度成正比的電壓。

圖 3.8、加速規安裝於模擬車實體圖

3.2.4GPS模組

本系統使用全球衛星定位接收器，如圖3.9所示，由Fastrax公司所

製模組UP501， UP501是一個功能很強的模組，內建GPS天線，支持

高性能導航，電源為3V~4.2V，採用UART Interface，使用NMEA溝通

協議，也支持外部控制的專用控制命令，如圖3.10所示，透過微控制器

透過UART溝通，在程式撰寫解析$GPGGA的資料串，擷取出經度和緯

度訊號，其表3.3和表3.4有詳細的腳位和模組特性等說明。

22

圖 3.9、UP501 模組實體圖[24]

圖 3.10、GPS 模組接收資訊圖

表 3.2、UP501 接腳說明[24]

腳位 名稱 輸入/出 說明

1 RXD 輸入 非同步 UART 端口0輸入，

內部有高位上拉式電阻75KΩ

2 TXD 輸出 非同步 UART 端口0輸出

3 GND - 接地

4 VDD 輸入 主要電源

5 VDD_B 輸入 備用電源

23

6 PPS 輸出 每秒脈衝輸出

表 3.3、UP501 模組特性[24]

特性說明

擁有 66 個頻道

電源電壓 3.0 ~ 4.2 VDC

低功耗：75mW@3.0V

配置的修復率，高達 10Hz 的

-148dBm（冷啟動）

-165 dBm（導航）

微小的形式因素 - 22 mm x 22 mm，寬 8mm

嵌入式貼片天線 18.4 x 18.4 x 4.2 mm

NMEA 協議（默認鮑率：9600bps）

3.2.5 GPRS模組

如圖3.11所示，本作品使用SIMCom公司型號為SIM300模組來做為

無線傳輸訊號功能，如表3.5所示，這顆GPRS模組所需供應電壓為

3.4~4.5V，因為GPRS發送訊號需要較大的電流2A電流，平時待機消耗

約0.06A，如圖3.12所示，所以進行供應電源設計時5V輸入的電壓經過

2個二極體，原本供應的電源在3.8~4.5V留意電流需求，使得穩壓IC輸

出4.1V、3A的電源電路。

24

圖 3.11、SIM300 模組實體圖

表 3.4、SIM300 接腳說明

腳位名稱 輸入/出 說明

VBAT -

模組連接器有8個腳位以連接供電電

壓。SIM 300的工作電壓3.4~4.5V，單電

壓供電。工電壓必須能在典型值上升到

2A的傳輸脈衝中提供足夠的電流。

VDD_EXT 輸出

給外部電路供電3V。通過測試此腳位，

可以判斷系統的運行和關閉，為低電位

時，系統關閉，反之，系統運行。

GND - 接地

KBC0~KBC4 輸出

一般用途輸出腳位，可AT指令配置其輸

出電壓的高低。所有輸出腳位由AT指令

配置時初始化默認低電位。

KBR0~KBR4 輸入

SPI_DATA 輸入/出

SPI_CLK 輸出

SPI_CS 輸出

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SPI_D/C 輸出

SPI_RST 輸出

GPIO8 輸入/出 一般輸入/出

DTR 輸入 數據終端就緒

RXD 輸入 接收數據

TXD 輸出 發收數據

RTS 輸入 請求發送

CTS 輸出 清除發送

RI 輸出 指示燈偵測

DCD 輸出 數據載體偵測

SIM VDD 輸出 SIM卡供電電源

SIM I/O 輸入/出 SIM卡數據輸入/出

SIM_CLK 輸出 SIM卡時脈

SIM PRESENCE 輸入 SIM卡檢測

SIM_RST 輸出 SIM卡復位

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圖 3.12、3.3V、3A 電源電路

GPRS模組支援多項頻率有850/900/1800/1900MHz的功能，內建

TCP/IP協定。如表3.6所示，連結溝通方式為UART，支援通用的AT

Command，如圖3.13所示，由微處理器MCU發送出AT Command指令，

再判斷SIM300模組所回傳訊息，達到無線傳輸訊號功能，從圖3.14可

以看到遠端IP的連線位置，以及本機IP所接收到的訊息資料。

表 3.5、GPRS 模組 SIM300 連線過程

步驟 AT Command 指令 說明

1 Call Ready SIM300 回傳訊息，代表可與

SIM300 進行 AT 指令溝通

2 AT+CREG? 是否有連上基地台

+CREG: 0,1 回傳訊息，0,1 代表連線成功

3 AT+CSTT=”f3prepaid” 設定電信公司APN

OK 回傳訊息

4 AT+CIICR 開始連接電信公司APN

27

OK 回傳訊息,需等待一會

5 AT+CIFSR 取得模組的 IP Address

110.25.45.10 回傳訊息

6

AT+CIPSTART=”tcp””120.114.

82.102”,”12345” 連接遠端伺服機 IP 和通訊埠

OK

CONNECT OK 回傳訊息，代表已連線成功

7 AT+CIPSEND 傳送資料指令

> 輸入欲傳資料

8 CTRL 鍵+Z 鍵 當輸入完後，按 CTRL+Z 送出

資料

SEND OK 回傳訊息

9 AT+CIPCLOSE 關閉遠端連線

CLOSE OK 回傳訊息

圖 3.13、GPRS 模組 SIM300 測試圖

28

圖 3.14、電腦接收端程式畫面圖

3.3 韌體設計

從圖3.1系統架構圖可以看到，使用SPCE3200的微控制器，32 位

元開發環境S+core IDE，此工具可在Windows環境下操作，具有簡單易

懂的操作介面，提供編輯器以撰寫程式，且支援標準C\C++語言，凌

陽32位元嵌入式開發系統加入組合語言、軟體模擬和硬體模擬等功能

於一體，使得SPCE3200的開發更加容易方便。

如圖3.15所示，有詳細的韌體程式設計流程圖，一開始啟動系統，

會先等待進行GPRS網路連線，成功後可以進行點選進入訓練模式，可

以進行疲勞駕駛和碰撞事故兩種偵測，由圖3.16所示，疲勞駕駛偵測是

使用凌陽科技開發設計的CMOS進行影像辨識，搭配安裝在方向盤上的

29

心跳感測模組，進行同步的偵測。如圖3.17所示，當進入碰撞事故模式，

會讓駕駛選擇需要求救的方式，有撥打預先設定的電話，撥打119叫救

護車，傳送簡訊到預先設定的電話提供駕駛位置，如果只是發生小擦

撞，並沒有需要這些求救方式，也能夠自行取消其模式。

圖 3.15、韌體程式設計流程圖

圖 3.16、疲勞駕駛偵測模式圖

30

圖 3.17、碰撞事故模式圖

3.4 軟體設計

本作品軟體設計這部分，電腦接收端軟體使用美商國家儀器

〈National Instruments, NI〉所研發的LabVIEW圖形控制軟體，如圖3.18

所示，可以透過GPRS與電腦進行TCP/IP的網路連結，軟體進行紀錄日

期、時間、地點與資訊的儲存，也可以即時監看。

圖 3.18、Google Map 即時顯示駕駛位置圖

31

四、實驗結果

本系統由圖 3.14 流程圖所示，進行疲勞駕駛偵測測試，因每個人

的臉部特徵都不同，如圖 4.1、圖 4.2 所示，所以測試之前，一開始系

統會先要求進入影像辨識的演算法訓練模式，如圖 4.3 所示，當偵測到

發生疲勞駕駛時，系統會即時顯示在螢幕上來提醒駕駛。

圖 4.1、演算法訓練模式圖

圖 4.2、影像辨識圖

32

圖 4.3、疲勞駕駛偵測圖

我們找 4 個人來分別進行測試，一開始先將系統偵測模式流程告

訴測試者，並將實際成功偵測次數，記錄下來，如表 4.1 所示，並規劃

進行測試者測試的次數。

表 4.1、疲勞駕駛實際測試表

測試人 測試次數 成功偵測次數 誤判次數

A 先生 10 次 8 2

20 次 15 5

B 先生 10 次 7 3

20 次 16 4

C 小姐 10 次 8 2

20 次 18 2

D 先生 10 次 9 1

20 次 16 4

33

而另外一種疲勞偵測心跳感測，當駕駛發生疲勞徵狀感測不到心

跳，就有可能是雙手沒有握住方向盤，系統會發出警告音，並在螢幕

上顯示駕駛目前狀況，如圖 4.4 所示。但是也有可能駕駛在疲勞狀態下

發生雙手緊握方向盤的狀況，然而人在睡眠時心跳會下降，如圖 4.5

所示。

圖 4.4、LCD 顯示不正確握住方向盤(心跳數值 0)

圖 4.5、LCD 顯示心跳異常(心跳數值 57)

34

當偵測到碰撞事故時，如圖4.6所示，會在螢幕上顯示選項，提供

駕駛選擇救援的方式，如果駕駛失去意識，如圖4.7所示，系統會在駕

駛沒有點選螢幕任何救援方式，過15秒後會自動進行求救訊息模式。

圖4.8是系統完成的實體成果圖。

圖 4.6、求救模式選項圖

圖 4.7、求救訊息傳輸圖

35

圖 4.8、系統實體成果圖

36

五、討論

在製作此系統的過程中，我們在硬體架構上發現問題，第一個問

題是在執行偵測疲勞駕駛模式時的影像辨識，會因為光線亮度高低的

不同，使得攝影機在擷取影像後，會發生辨識錯誤的問題，因此，在

未來會加上照度數值去進行測試，在不同光線強度下，進行不同的影

像辨識補償以提高辨識穩定度，這部分需要再做更深入的研究下才有

辦法進行；心跳感測雖然可以透過沒有雙手握住方向盤來判斷疲勞駕

駛，但是當雙手握住時，因為每位駕駛在睡眠的心跳數值都不是固定

的範圍值，所以也有可能會出現誤判偵測，這會使得系統在執行此模

式時，需要另外再重新啟動程式，而造成偵測上的麻煩，所以心跳偵

測需要針對駕駛做臨床實驗，實驗駕駛在睡眠中的心跳值的範圍，再

把數值範圍作成資料庫，而且還需要做多次的測試，讓誤判機率減少。

第二個問題是碰撞事故偵測模式，加速規裝置在模擬車上進行模

擬，會跟實際在路上行車時的環境有很大的落差，這在執行上有些困

難，GPRS 在啟動系統中有時會發生無法與基地台連線的問題，有可能

是因為目前位置訊號不好，所以必須要再重開一次才可以連線成功，

這部分需要使用微處理器做計時器讓 GPRS 自動重新開啟電源，會增

37

加使用上非常的麻煩，這個部分還需要做許多的測試才能改善，讓系

統更加完善。

38

六、結論

最近幾年，其實已有很多公司都有開發出類似的系統，疲勞偵測

也趨近完善，但是都只有單一感測的方式，而我們所設計的這套系統，

與其他廠商公司不同且獨特的地方，就在於是利用兩種感測器：影像

感測和心跳感測，結合在一起進行感測與判斷，還可以互相搭配運用，

增加駕駛疲勞偵測的準確性，讓駕駛在行車時，能夠把傷害性降到最

低；如果真的發生意外事故，碰撞偵測也會馬上依照駕駛選擇的求救

方式來求救，就算駕駛昏迷暈眩也會自動把事故所在的經度和緯度座

標傳送到 Server 端進行即時通報，這樣不僅可以馬上向外界求救，更

可以讓傷害不繼續的擴大下去並減少損失；雖然此系統在設計和考量

上並不是很周全，整體測試也不是很完整，但是可以把此系統做出一

個雛形，未來還可以有更深入的研究，讓這套系統更加的完整，也希

望有朝一日可以廣泛運用到生活當中。

39

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41

附 錄 一、GPRS 電路圖

42

附 錄 二、GPRS 電路佈局圖