分布式GSM酒駕監(jiān)控裝置的設(shè)計

周棚 瞿珊 韋曉迪 蔣冰封

【摘要】針對當前酒駕嚴重難管理的現(xiàn)象，設(shè)計了一種分布式GSM酒駕監(jiān)控裝置。該裝置使用STC89C52RC單片機作為終端，使用MQ-3酒精濃度傳感器對車艙內(nèi)氣體狀況進行分布式檢測；采用STM32單片機作為主控端，對終端發(fā)來的數(shù)據(jù)采用合適的數(shù)學模型進行耦合計算，從而判斷酒精來源和濃度。

【關(guān)鍵詞】酒精檢測；單片機；GSM通信

酒駕將導致嚴重的交通事故，在交警出勤能力有限的情況下，無法對駕駛員狀態(tài)進行完全的監(jiān)控，而本設(shè)備借助覆蓋絕大部分地區(qū)的GSM網(wǎng)絡(luò)，可輔助交警實時監(jiān)控全部駕駛員的狀態(tài)。相對于當前主流的酒駕檢測手段，本套裝置能實時全天候監(jiān)控，大大降低了交警的出勤強度。本裝置采用分布式終端設(shè)計，可檢測車艙內(nèi)多點的氣體狀況，根據(jù)傳感器位置和酒精濃度數(shù)據(jù)，建立艙內(nèi)氣體狀況分布的數(shù)學模型，能夠準確地判斷酒精源和酒精濃度。

1.系統(tǒng)框架設(shè)計

本裝置分為終端和主控端兩個部分。終端由STC89C52RC單片機、MQ-3酒精傳感器、PCF8591AD轉(zhuǎn)換器及NRF24L01無線通信模塊組成，主控端由STM32F103ZET6單片機、NRF24L01無線通信模塊、2.8英寸彩色LCD顯示屏、蜂鳴器、TC-35GSM通信模塊等組成。每個主控端與4個終端組合工作，主控端與終端通過NRF24L01進行通信。MQ-3酒精傳感器能有效檢空氣中酒精含量，輸出為模擬量，通過PCF8591AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，STC89C52RC單片機收到數(shù)值信號后轉(zhuǎn)換為酒精濃度值后通過NRF24L01發(fā)送給主控端。主控端收到信號后根據(jù)傳感器的分布及酒精濃度值進行耦合計算，得到酒精源及酒精濃度數(shù)據(jù)，顯示在屏幕上，并以此判斷駕駛員是否酒駕。當酒精濃度超過閥值時，裝置發(fā)出提示信息警告駕駛員，并將相關(guān)信息通過TC-35GSM模塊以短信形式發(fā)送至相關(guān)部門。

圖1 硬件系統(tǒng)

2.硬件系統(tǒng)簡介

2.1 MQ-3酒精傳感器

QM-3氣敏元件，是以復合金屬氧化物為主體材料的N型半導體氣敏元件，當元件接觸乙醇蒸汽時，其電導率隨氣體濃度增加而迅速升高。其對汽油蒸汽有抗干擾能力、靈敏度高、響應(yīng)速度好、壽命長、工作穩(wěn)定可靠等特點。重要技術(shù)技術(shù)指標有：

加熱電壓：DC 5±0.2V

負載電阻：4KΩ（或可調(diào)）

靈敏度：5（在100ppm25 CH蒸汽中）

分辨率：3（在100ppm汽油蒸汽中）

恢復時間：30S

元件功耗：0.7W

監(jiān)測范圍：50-5000ppm

2.2 STM32F103ZET6單片機

ST公司的STM32F103ZET6芯片基于ARM Cottex-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率最高可達72 MHz，內(nèi)置高速存儲器（64 KB的閃存和20 KB的SRAM），豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。STM32系列提供了全新的32位產(chǎn)品選項，結(jié)合了高性能、實時、低功耗、低電壓等特性，同時保持了高集成度和易于開發(fā)的優(yōu)勢，將32位MCU世界的性能和功效引向一個新的級別。

2.3 TC-35GSM模塊

TC35是西門子公司生產(chǎn)的一款雙頻900/1800MHZ高度集成的GSM模塊。它使用AT命令編程，易于集成，可以在較短的時間內(nèi)花費較少的成本開發(fā)出新穎的產(chǎn)品；通信方式為全雙工串行通信，無論是與電腦通信進行開發(fā)還是與微處理器進行通信開發(fā)都非常容易，編程簡單。

圖2 系統(tǒng)工作框圖

3.軟件系統(tǒng)設(shè)計

本裝置軟件系統(tǒng)主要由51單片機的AD配置、51單片機的NRF24L01配置、STM32單片機的NRF24L01配置、STM32單片機的液晶驅(qū)動、STM32單片機的串口通信5個部分組成。STC89C52RC單片機定時器1設(shè)定為工作模式1，12M晶振每0.1秒進行一次采樣，十次采樣數(shù)值的平均值作為一個有效值發(fā)送給主控端。PCF8591是具有I2C總線接口的8位A/D及D/A轉(zhuǎn)換器，采用標準I2C通信協(xié)議進行讀寫操作。NRF24L01采用四線SPI通信協(xié)議進行工作模式配置及數(shù)據(jù)收發(fā)操作，通過工作模式的配置，可以使它不工作時進入掉電模式，需要進行數(shù)據(jù)收發(fā)時進入發(fā)送模式或接受模式，以節(jié)省電能。

主控端收到數(shù)據(jù)后進行耦合計算，并將計算結(jié)果送至顯示屏顯示，當酒精源為駕駛員位置切濃度超過閥值時，通過TC-35發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)到相關(guān)部門。STM32系列單片機采用了SFMC 存儲器擴展技術(shù)，SFMC在外部存儲器擴展方面具有獨特的優(yōu)勢，可根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用需要，方便地進行不同類型大容量靜態(tài)存儲器的擴展。因此，采用16位SFMC對2.8寸液晶進行讀寫操作，非常容易實現(xiàn)液晶的驅(qū)動和現(xiàn)實內(nèi)容的刷新。TC-35GSM模塊采用標準AT指令集進行控制，其通信方式為標準串行通信。在本裝置中TC-35采用PDU格式進行短信收發(fā)，在寫入接收號碼時要進行編碼操作，號碼的每個字節(jié)的高低位互換，末尾號碼是半字節(jié)的話，另外半字節(jié)用F替代；所發(fā)短信的中文內(nèi)容編碼為UNICODE碼，程序中固化的短信內(nèi)容均要轉(zhuǎn)換為UNICODE碼之后再由串口發(fā)送給TC-35模塊。

4.總結(jié)

在本裝置的設(shè)計中，采用分布式終端監(jiān)控采樣結(jié)合數(shù)學建模進行數(shù)據(jù)分析，較之單一式檢測設(shè)備，更能有效判斷車艙內(nèi)的酒精來源及濃度，判斷的準確性有明顯的提高。此外，對GSM模塊的進一步利用上，結(jié)合車載GPS裝置，可以增加如一鍵呼叫家人、一鍵呼叫代駕服務(wù)等特色擴展功能，有力地保障了人們駕車出行的安全。

參考文獻

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本文為湖北民族學院2013年大學生創(chuàng)新訓練項目校級項目論文（項目編號：2013Z004）“GSM汽車酒駕監(jiān)控報警裝置”。