基于物聯網的車載酒精檢測裝置的研制

吳卓穎?冼浩賢?莊捷?陳衍文?蘇蕓潔

摘要：本文介紹了一種基于物聯網技術的車載酒精檢測裝置的硬件和軟件設計。該裝置以51單片機為控制核心，通過MQ3傳感器和壓力傳感器感知檢測者并識別檢測者呼出氣體中的酒精濃度，判定是否超出所設定的標準閾值，若判定為飲酒，則取消車輛啟動，并通知檢測者是否撥通緊急聯系人，有效減少酒駕事故的發生。

關鍵詞：酒精檢測;單片機;傳感器技術

前言：

隨著汽車工業的迅速發展和物聯網技術、人民生活水平的逐步提高，道路交通出現了蓬勃發展的態勢，在此驅動下中國機動車保有量已達2.4億輛。雖然道路交通發展迅猛，但道路交通安全仍面臨著非常嚴峻的形勢。截至2018年末，全國發生交通事故244937起，死亡人數為63194人;造成直接財產損失為138455.9萬元[1]，其中因酒后駕駛導致的交通事故占絕大多數。據統計，2019年一月到十月底，全國共查處酒駕違法行為170萬起，醉駕違法犯罪行為30余萬起。而造成死亡的事故中50%以上都與酒后駕車有關，顯然可見酒后駕車已然成為交通事故的第一大“殺手”。

目前國內酒駕檢查大部分依靠交警攜帶傳統的酒精檢測設備上路設卡檢查，通常這樣的突擊檢查都是在駕駛者酒駕已經發生的情況下才阻止的，這些被動式的執法效果并不令人滿意，社會上仍有大量酒后駕駛行為存在，且這些行為多數未被警方發現并及時糾正。因此，在源頭控制酒后駕駛方面上仍具有一定的管理難度。如何在物聯網的時代背景下有效地解決酒后駕駛這一問題就顯得十分重要了。近五年來，美國汽車制造商汽車安全聯盟（通用 大眾、豐田、寶馬、奔馳等企業參與的ACTS）啟動的DADSS（Driver Alcohol Detection System for Safety） 駕駛者酒精監測安全系統計劃，已經提出并試制了許多測試原型技術，其中主要以手指按壓檢測技術和與汽車整車高度融合的非接觸氣息探測技術為主。手指按壓檢測技術類似于指紋采集器，通過手指按壓車內的汽車發動開關鍵（集成了酒精檢測儀）或電子鑰匙，實現同步檢測操作，確保駕駛者醉酒時無法啟動汽車。而與汽車整車高度融合的非接觸氣息探測技術則是通過布置在駕駛者周邊區域設施（如方向盤、儀表盤、座椅頭枕和換擋桿）的多個探測器，能夠在駕駛者自然狀態下，持續實時獲取駕駛者呼出的氣體或分泌出的體液，判斷駕駛者是否飲酒[2]。與以上提及的與汽車整車高度融合的非接觸氣息探測技術相比，非接觸氣息探測技術雖具備持續監測功能，但其技術需要在駕駛者周邊區域設施布置多個探測器，花費成本遠大于本產品，本裝置更具備高性價比，且可達到一定程度地降低交通事故發生率，提高人身安全，有非常廣闊的市場前景。

一、酒精檢測系統結構及硬件設計

酒精檢測系統硬件系統結構設計如圖1所示，該系統由呼氣導管、裝有氣敏材料的傳感器件組成的進氣模塊，以51單片機作為微控制器的核心芯片和采集氣體信號檢測電路模塊，以壓力傳感器等組成的感知識別模塊，繼電器控制點火模塊，以及緊急聯系人模塊這五大模塊組成。

（一）STC89C52RC微控制器

STC89C52RC微控制器是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器產品。STC89C52RC微控制器是增強型8051單片機，其體積小巧，攜帶方便，在指令代碼完全兼容傳統8051單片機的基礎上，做了很多的改進使得芯片具有傳統51單片機不具備的功能，例如它具有8K字節系統可編程Flash存儲器的特點，優化了嵌入式控制系統應用。為了防止程序發生死循環，其設置了一個定時器電路，它的主要功能是在發生軟件故障時，如果軟件未將器件清零，通過給出一個復位信號，將單片機復位，保證了STC89C52RC微控制器的獨立安全性。

（二）傳感器及其采集氣體信號檢測電路圖

壓力傳感器和MQ3酒精傳感器以其精確度高、且能夠在相對較差的環境下使用的特點，是本裝置采用這兩款傳感器的主要原因，如圖2所示，為該采集信號檢測電路圖。壓力傳感器是在感受到壓力信號后，將其轉化為電信號輸出至微控制器，系統啟動初始化。MQ3酒精傳感器對酒精的靈敏度高，對水蒸氣、汽油等其他氣體的抗干擾性強，而且使用壽命長，有效地降低研發和使用成本[3]。

二、軟件設計

如圖3所示，開啟電源裝置后，設置在駕駛座底部的壓力傳感器收到駕駛者施加的壓力信號，轉換成電信號輸出至STC89C52RC微控制器，微控制器收到信號后，提醒駕駛者進行呼氣，MQ3酒精傳感器開始檢測氣體中的酒精濃度，并轉換成電信號輸出至STC89C52RC微控制器，按照設定的酒精濃度標準，若檢測的酒精濃度小于標準值，微控制器通過繼電器驅動點火，車輛啟動。若檢測出的酒精濃度大于或等于標準值，微控制器控制繼電器取消點火。

（一）可視化平臺開發

建立開發可視化平臺，可簡潔高效地顯現酒精檢測的結果，增強人機交互效果。在本裝置中，可視化對象是酒精檢測結果，酒精信號在MQ3傳感器的作用下，轉變成電信號后，通過微控制器的輸出控制，將電信號輸出至顯示器，顯示器根據已設定編程顯示酒精檢測結果，達到可視性效果。

（二）緊急聯系人模塊

在進行酒精檢測后，結果顯示為飲酒或醉酒的情況下，啟用緊急聯系人模塊，按照事先設定好的緊急聯系人聯系號碼，撥通其聯系電話號碼，使酒精檢測人在飲酒或醉酒狀態下能及時得到緊急聯系人的幫助，加強人機交互效果。

三、面向機動車駕駛人或營運車企業

目前本裝置處于初步研制完成階段，如果后續有穩定的資金用以繼續進行研究與優化裝置，將能夠實現其商業化，從而正式投入使用。由于營運車輛的載客性質，對營運車企業所屬的機動車駕駛人進行源頭預防管理尤為重要，這可成為后續裝置推廣使用的試用點，優化裝置功能設計，解決現實中遇到的實際問題。

四、裝置實用性及社會效益分析

（一）裝置實用性

本裝置在結構設計和功能設計上遵循實用性與簡易性原則，力求操作簡單和達到人機交互的效果。在結構設計上，裝置采用嵌入式設計，體積小，可直接投入到車載系統中進行應用;在功能設計上，采用模塊化設計，針對在不同個體的需求方面進行功能結合。從實用性和簡易性原則為出發點，將有效地增強該裝置的可操作性。

（二）社會效益

主動式酒精檢測裝置可以從源頭上預防機動車駕駛人的飲酒駕車問題，若對該裝置進行普及應用，一可以有效遏止機動車駕駛人酒駕或醉駕的違法行為，進一步降低交通事故的發生率和人員傷亡;二是在智慧新交管建設背景下，以主動式酒精檢測裝置減少被動隨機式設卡酒駕檢查，給當前交管部門執法管理工作提供新思路，尤其是對重點車輛的源頭管理，以主動式車載酒精檢測裝置強化動態監控，規范重點車輛的安裝減輕了交管部門的工作負擔和相關人力物力監管需求，符合了對科技強警、向科技要警力的新時代要求，同時酒駕與交通事故的減少也降低了對社會和人民群眾的人身財產損失。

結語：

我們設計的基于物聯網的車載酒精檢測裝置以51單片機為控制核心。經過反復測試MQ3傳感器、壓力傳感器，該檢測裝置會對駕駛者檢測是否存在飲酒狀態，同時當檢測出駕駛者有飲酒狀態時汽車會取消啟動，并通知檢測者是否撥通緊急聯系人，并向緊急聯系人發送信息提醒。該設備可有效從源頭上阻止酒后駕駛行為的出現，并且利于在車輛上安裝，是對駕駛人員酒后駕駛檢測的便捷工具，同時也是為了預防因酒駕而引起的交通事故，給道路交通環境加上一道安全鎖。

但是，我們也需要充分認識到該裝置存在的不足以及改進之處：

（1） 裝置配置在機動車上的安全性還需要進一步進行優化和調整，裝置目前的預熱時間仍較長，裝置的快速操作性仍有一定的提升空間，這可通過產品微控制器的升級迭代提高快速操作性能。

（2） 信息反饋模塊還需進一步探索和研究，從機動車駕駛人的反饋信息進一步找出裝置存在的一些設計缺陷和功能問題，加強裝置的可用性。

（3） 出于資金的限制，人臉識別模塊未能夠如期研究應用，但在防作弊功能上，可以從壓力傳感器為主的感知模塊為出發點，放置于機動車主副駕駛座乘坐人大腿兩側附近，以解決在整個駕駛過程中駕駛人的防替換問題，且我們會在以后的研究中加以改進與優化壓力傳感器受力容錯率的問題。

參考文獻：

[1]王輝. 2018年全國道路交通事故死亡率略有下降[N]. 中國質量報，2019-02-20（005）.

[2]董葵，陸宇.酒后駕駛檢測技術及設備應用現狀和發展[J].中國公共安全（學術版），2014（03）：65-69.

[3]賈建. 氣體傳感器智能測試系統和便攜式酒精檢測儀的研究[D].中國科學院研究生院（電子學研究所），2003.

作者簡介：

吳卓穎，男，廣東警官學院治安系 交通管理工程專業，第一作者和通信作者。冼浩賢共同第一作者，2017級本科生

本論文受“攀登計劃”廣東大學生科技創新項目（pdjh2020b0414）資助