基于物聯網的嵌入式酒駕智能辨識系統設計

蘆芝萍

摘 要： 針對目前因酒駕造成的交通事故頻發問題，提出了一種基于物聯網的車載酒駕自動檢測系統。該系統利用物聯網技術，以STC12C5A16AD單片機為核心，通過4路MQ-3傳感器來檢測車內駕駛員是否酒駕。當系統檢測到酒精濃度超標時，系統發出聲光報警并禁止汽車發動，同時通過GPRS模塊進行車輛定位，并將信息發送給家人和當地交通部門。實驗結果表明，該系統檢測靈敏度和準確率高，能有效預防酒后駕車，具有很好的實用價值。

關鍵詞： 物聯網； 酒駕； MQ-3； GPRS； MC55i

中圖分類號：TP399 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）06-08-04

0 引言

酒駕、超速和疲勞駕駛是交通事故高發的三個主要原因，其中酒后駕車所引發的交通事故已占到交通事故總數相當大的比例。無視交通管理法規酒后及醉酒駕車造成嚴重后果的違法犯罪事件越來越多[1]。目前我國酒駕檢測主要是由交通警察在路口設置警點，使用呼氣式檢測儀器對過往可疑車輛進行攔車檢查[2]。但要進行路檢只能針對部分車輛抽樣檢測，以確定駕駛員是否酒駕，無法實時監控駕駛員酒后駕車情況[3]。此外，進行路檢需要大量的人力和物力；一些酒后駕車者拒不配合檢測。這些情況也會給交警執法帶來困難。

為了更好地遏制酒駕，減少交通事故的發生。本文設計了一種基于物聯網的車載酒駕自動識別系統。該系統充分利用目前流行的物聯網技術，以STC12C5A16AD單片機為核心，通過MQ-3傳感器來檢測是否酒駕。把傳感器嵌入駕駛室內，通過對駕駛座位的前方、上方和左右4個檢測點的酒精濃度檢測，判斷駕駛員是否酒駕[4-5]。當檢測到駕駛員酒駕后，系統發出聲光報警并禁止汽車發動，同時通過GPRS模塊將酒駕車輛信息實時地發送給家人和當地交通部門[6]。這樣可以有效地預防酒駕，便于交通部門集中監控，不再需要交警進行大規模的蹲點攔車檢測，節省了人力和物力[7]。這樣能夠大大的降低交通事故的發生率，減少人員與財產損失。

1 物聯網技術

物聯網的定義是，通過射頻識別（RFID）、傳感器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按照約定的協議，把任何物體與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。

2 系統整體架構與工作原理

2.1 系統整體架構設計

系統由以下模塊組成：STC12C5A16AD單片機控制系統、呼氣式酒精傳感器MQ-3、LCD顯示模塊、聲光報警模塊、繼電器控制模塊和GPRS模塊。本系統的工作原理：通過酒精傳感器檢測駕駛員呼出氣體酒精濃度，然后，傳感器的輸出電壓信號經過A/D轉換后輸入到單片機中，經過單片機的邏輯判斷處理，根據駕駛員體內酒精濃度和標定值比較來控制繼電器的動作，進而控制汽車啟動電機的工作。整個系統可以通過自動檢測駕駛員體內的酒精濃度來防止駕駛員酒后駕駛。系統借助物聯網技術，把每輛汽車作為一個節點，從眾多的節點傳感器采集數據，然后通過無線傳輸技術把信息發送給家人和當地交通部門總節點。系統整體架構如圖1所示，每輛汽車的通信對象有兩個：一個是家人，另一個是交通部門服務器。每輛汽車安裝一個車載酒駕自動檢測系統。酒駕自動檢測系統的結構如圖2所示。

2.2 工作原理

當駕駛員進入車內時，發動處于鎖死狀態，嵌入在車內的酒駕自動檢測系統開始工作。4路MQ-3傳感器把檢測到的模擬信號通過A/D轉換為數字信號，通過對此數字信號與預先設置的數值進行比較來判斷是否酒駕，并通過LCD液晶顯示屏顯示閥值與檢測值。當檢測濃度未超標，車輛可正常行駛。一旦某一路傳感器檢測到的酒精濃度超出安全范圍，系統的LED警示燈閃爍，并把相關信息發送給預先設定好的家人的手機上，同時通過GPRS模塊發送信息給當地交通部門，并通過蜂鳴器發出警報聲。

3 系統設計

3.1 單片機系統設計

系統的主控模塊采用的是宏晶科技生產的STC12C2052AD單片機，STC12C5A16AD單片機本身自帶8位高速ADC，所以大大簡化電路設計。單片機系統原理如圖3所示，圖3中按鍵K2和K3是進行閾值設置，其中K2為“增加”，K3為“減小”按鍵。L2和L3為報警指示燈，分別可以進行酒后和醉酒兩級報警。醉酒閾值存儲在EEPROM芯片AT24C01中，并可以通過 “增加”、“減少”按鍵調節并保存。AT24C01是IIC接口的EEPROM芯片，可以用于掉電后數據的存儲。圖3中A0、A1和A2為芯片的地址引腳，一般接地即可。SCL和SDA為AT24C04和單片機IIC通信的時鐘線和數據線。外置存儲器電路如圖4所示。

3.2 繼電器控制電路

繼電器采用西門子3TH中間繼電器，該繼電器采用E形鐵心，雙斷點橋式觸頭系統的直動式運動結構，動作可靠；觸頭為橋式雙斷點結構，觸頭材料由電性能優越的銀合金制成，具有使用壽命長和良好的接觸可靠性。滅弧室均呈封閉型，并由阻燃性材料阻擋電弧向外噴濺，保證人身與鄰近電器的安全；繼電器損耗小、噪音小，具有很高的機械強度，該繼電器并符合IEC947，VDE0660，GB14048等標準。因此，該繼電器用在本系統中能夠控制電機的啟動。繼電器控制電路主要功能是：當MQ-3傳感器檢測到酒精濃度超標時，利用控制繼電器控制車輛禁駕。繼電器控制接口與汽車點火與電噴電路相連接，通過單片機編程可控制汽車啟動。汽車電噴控制電路如圖5所示[7]。

3.3 顯示電路

顯示部分采用SMC1602液晶屏進行顯示，該液晶顯示器具有低功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄、輕巧和低價位等優點，在袖珍式儀表和低功耗應用系統中得到越來越廣泛的應用[8]。芯片工作電壓為4.5-5.5V，工作電流為2.0mA，在本設計中采用5.0V供電。液晶屏與單片機的接口電路如圖6所示，其中J2的3腳為背光引腳，R9和R10電阻用于調節背光亮度。J2的4、5和6腳分別接液晶的RS、E/W和E控制引腳，J2的7-14引腳為數據引腳。

3.4 MQ-3傳感器電路

本設計中采用MQ-3酒精傳感器。檢測對象的血液酒精濃度由人體血液酒精含量與呼出氣體中的酒精濃度之間的比值關系計算得出。我國對酒后駕駛的判定界限為100-300mg/L，當系統檢測到酒精濃度小于200mg/L時，發動機可以正常啟動；而當系統檢測到濃度超過200mg/L時，發動機電源切斷，發動機不能正常啟動。酒精傳感器的工作原理是根據人飲酒后血液里的酒精濃度值與呼出氣體的酒精濃度值有一個固定的比例關系，公式如下：

3.5 GPRS模塊電路設計

無線通信模塊選用的是MC55i模塊，單片機通過串口發送AT命令給MC55i模塊，對其進行控制。當傳感器檢測到的酒精濃度超出安全范圍，MC55i無線模塊隨之啟動。通過移動基站的Cell-Id定位法，獲取車輛當前位置的信息，再利用GPRS模塊把相關信息通過短信發送給家人，并通過GPRS上傳到交管部門，便于采取相應的處理措施。AT+CREG指令控制MC55i模塊進行基站定位，獲取車輛的當前的位置信息。短消息編碼采用Unicode中文編碼。在發送短信時，對常用漢字進行裁剪，將常用漢字的字庫存入單片機FLASH中，漢字字符通過查表，將碼制置換為Unicode編碼，隨后設置短信協議為PDU模式，發送中文漢字。

3.6 供電電路

本設計采用USB接口供電，電源電壓5V。同時，USB接口通過內含PL2303芯片的轉換電路對單片機進行程序編寫，以及與GPRS模塊通信。其電路原理如圖8所示。

3.7 軟件設計

[超過閾值嗎？][數據初始化][定時器初始化][A/D轉換初始化][顯示初始化][進入后臺while循環][觸發A/D轉換][換算酒精濃度][酒精濃度顯示][酒精濃度顯示] [有鍵按下嗎？][報警][按鍵處理] [是] [是] [否][否]

系統采用C語言進行編程，軟件設計的主流程如圖9所示。系統上電后，系統首先進行初始化，系統初始化包含數據初始化、定時器初始化、A/D轉換初始化和顯示初始化；然后傳感器會把檢測到的酒精濃度與設定到外置存儲器中的閾值進行比較，從而判斷酒精濃度是否超標。當檢測到濃度超過設定值200mg/L時，系統通過繼電器切斷發動機電源，發動機不能正常啟動，同時把相關位置信息與酒駕信息發送給預先設定好的家人與當地交通部門。下面是部分初始化程序：

4 結束語

本文所設計的基于物聯網的酒駕自動檢測系統采用STC12C5A16AD單片機作為主控系統。系統能夠自動對駕駛員酒精濃度檢測，根據檢測結果來控制發動機是否啟動，如果酒精含量超標則系統發出聲光報警，并通過GPRS模塊向交通管理部門報警以及家人發送短消息。該系統有體積小，功耗低，便于安裝等特點。測試結果表明，該系統實時性好，精度高，運行穩定，具有可靠、適應力強的特點，達到了良好的控制效果，具有較好的使用價值。

參考文獻：

[1] 段現星，王曉侃.基于單片機控制的車載酒精濃度檢測儀設計[J].測控技術，2013.32（8）.

[2] 李曉靜，劉書倫.基于物聯網的嵌入式酒駕智能辨識系統[J].制造業自動化，2012.34（21）.

[3] 徐京蓮，韓峻峰，潘盛輝等.基于多傳感器融合的車載酒精檢測系統設計[J].儀表技術與傳感器，2010.7.

[4] 郭東峰，李彥.基于物聯網的嵌入式酒駕自動檢測系統設計[J].計算機測量與控制，2013.21（3）.

[5] 卓鄭安，朱文立，黃敏.基于GPRS的智能酒精濃度檢測儀設計與應用[J].實驗技術與管理，2013.30（5）.

[6] 陳麗，朱瑞祥，云超.基于單片機的防酒后駕駛控制系統設計[J].傳感器與微系統，2009.28（2）.

[7] 朱明，王亞坤，宋莉莉等.基于MC55i的車載酒精檢測系統[J].儀表技術與傳感器，2012.6.

[8] 周鴻武.基于單片機的酒精濃度檢測儀設計[J].制造業自動化，2012.34（1）.