車內(nèi)酒精濃度檢測(cè)與安全控制系統(tǒng)

曾麗霞

（江西理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江西 贛州341000）

0 引言

酒后駕駛的危害眾所周知，防止酒駕的各種技術(shù)手段也引起人們的重視。綜合考慮國內(nèi)外檢測(cè)車內(nèi)酒精濃度的主要方法，選定采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)、GPRS通信技術(shù)、HTTP通信技術(shù)、安全云控制技術(shù)等研究出一種防酒駕系統(tǒng)，使其能夠通過多傳感器數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)酒精濃度的實(shí)時(shí)檢測(cè)、酒駕狀態(tài)的判斷、汽車啟停的控制及價(jià)格低廉近民的車載酒精檢測(cè)及安全控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛員是否醉酒駕駛進(jìn)行判斷，及時(shí)阻止醉酒駕駛等違法行為并實(shí)時(shí)上報(bào)至云端系統(tǒng)的功能。

1 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合考慮到國內(nèi)外車內(nèi)酒精濃度的主要檢測(cè)方法，本文設(shè)計(jì)原理是將4個(gè)傳感器分別安裝在車內(nèi)4個(gè)不同位置。一個(gè)在駕駛員旁變作為主傳感器，其他幾個(gè)傳感器分別放在乘客的座位旁邊，幫助駕駛員旁的主傳感器實(shí)現(xiàn)酒駕判斷，提供輔助數(shù)據(jù)，然后采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊控制處理，利用建立好的規(guī)則庫，準(zhǔn)確分析車內(nèi)醉酒情況，從而做出是否鎖定車輛等決策。多傳感器車內(nèi)酒精檢測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)車內(nèi)酒精濃度轉(zhuǎn)換成各個(gè)模塊供電電壓，經(jīng)過調(diào)理轉(zhuǎn)換輸入到控制器進(jìn)行分析處理。同時(shí)有聲光報(bào)警電路起提示作用，需要自動(dòng)控制汽車在酒精濃度超標(biāo)情況下禁止發(fā)動(dòng)。設(shè)計(jì)選用STM32作為主控芯片，通過它協(xié)調(diào)MQ-3酒精模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；配合SIM900A模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將當(dāng)前酒駕信息上傳至云端服務(wù)器。車內(nèi)有聲光報(bào)警電路工作，起到警示作用。點(diǎn)火回路控制電路由繼電器組成，在檢測(cè)到酒駕的時(shí)候鎖定汽車發(fā)動(dòng)回路及時(shí)阻止汽車發(fā)動(dòng)。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)概述

根據(jù)系統(tǒng)功能需求硬件電路被分成了6個(gè)部分，分別是電源電路、控制器電路、酒精傳感器模塊電路、GPRS模塊硬件電路、聲光報(bào)警電路和點(diǎn)火器回路。分別對(duì)各個(gè)模塊電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試，最后組合成總的電路系統(tǒng)進(jìn)行組合測(cè)試。電源電路部分設(shè)計(jì)：家用小轎車供電輸出是12 V，采用7805三端穩(wěn)壓IC穩(wěn)壓到5 V，然后ASM1117穩(wěn)壓出3.3 V供給單片機(jī)使用。酒精濃度檢測(cè)部分：MQ-3是一種對(duì)乙醇蒸汽有著良好選擇性和很高靈敏度的氣體傳感器。它的工作電壓為5 V，輸出AO口電壓越高代表酒精濃度越高。GPRS模塊硬件電路：由于本系統(tǒng)的發(fā)送數(shù)據(jù)量不大，但需要較快的響應(yīng)速度，需將信息及時(shí)地發(fā)送到云控制中心。因此選擇GPRS網(wǎng)絡(luò)將車內(nèi)酒精濃度數(shù)據(jù)上傳至云控制系統(tǒng)服務(wù)器。通過GPRS網(wǎng)絡(luò)，接收服務(wù)器下發(fā)的某一指令，相對(duì)于GSM系統(tǒng)，具有響應(yīng)快、成本低的特點(diǎn)。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2.2 控制器選型及電路設(shè)計(jì)

系列芯片具有低功耗、高性能、低成本、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)。因此選用STM32F103系列芯片作為多傳感器車內(nèi)酒精檢測(cè)系統(tǒng)的控制器，它足以滿足本系統(tǒng)四路傳感器數(shù)據(jù)采集的需求[6]。它常用于電力電子系統(tǒng)、應(yīng)用控制系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。圖2是軟件繪制的MCU控制芯片外圍電路圖。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

圖2 MCU及其外圍電路圖

2.3 汽車啟停電路的設(shè)計(jì)

汽車啟?；芈返目刂圃硎钱?dāng)汽車鑰匙將啟動(dòng)按鈕按下時(shí)，電動(dòng)機(jī)通電運(yùn)行，汽車開始正常工作。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，要想通過繼電器控制汽車的啟停，只需要在發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車的啟動(dòng)按鈕之間設(shè)計(jì)一個(gè)繼電器控制電路。若繼電器不工作，則汽車啟停回路照常運(yùn)行，只受汽車鑰匙的控制；若繼電器正常工作的話，汽車啟動(dòng)回路不能正常運(yùn)行，汽車不能啟動(dòng)。

2.4 聲光報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

聲光報(bào)警電路主要由兩部分組成，一是LED燈電路，二是蜂鳴器回路。當(dāng)系統(tǒng)通過酒精傳感器收集到的數(shù)據(jù)檢測(cè)出駕駛員呼出的酒精濃度超出了設(shè)定值，即判定駕駛員為酒駕狀態(tài)，聲光報(bào)警電路開始工作，LED閃爍，蜂鳴器工作報(bào)警。因此，選用LED貼片二極管和有源蜂鳴器共同工作形成聲光報(bào)警電路。聲光報(bào)警電路采用4個(gè)LED燈，用共陰極方式進(jìn)行連接，串聯(lián)220 Ω的電阻。選用9014三極管來控制LED燈的亮滅及蜂鳴器的工作狀態(tài)。

2.5 GPRS通信模塊電路設(shè)計(jì)

GPRS是“通用分組無線服務(wù)技術(shù)”的簡稱。GPRS增加了可以提供數(shù)據(jù)快速分組的網(wǎng)絡(luò)。用戶可以使用除語音業(yè)務(wù)外的多種通信方式，使移動(dòng)通信得到了質(zhì)的提升。本系統(tǒng)采用GPRS技術(shù)，使得車內(nèi)檢測(cè)端的信息能夠在極短的時(shí)間內(nèi)傳送到互聯(lián)網(wǎng)，而且不必?fù)芴?hào)申請(qǐng)網(wǎng)絡(luò)資源。在協(xié)議方面，GPRS技術(shù)支持多種方式，我們選用TCP協(xié)議，可以在確保準(zhǔn)確并順序接收數(shù)據(jù)的前提下使用較低的成本實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需功能。綜合系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸需要以及成本問題，最終決定使用SIM900A通信模塊作為本系統(tǒng)的移動(dòng)通信模塊，來實(shí)現(xiàn)與云平臺(tái)的數(shù)據(jù)接收與發(fā)送。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)總體上由受控端、服務(wù)器云端和客戶端三部分組成。受控端又叫檢測(cè)端。主要由單片機(jī)控制，其中起到關(guān)鍵作用的模塊是GPRS模塊，結(jié)合單片機(jī)可用于車輛的定位和上傳酒精濃度信息。服務(wù)器云端主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸，控制端與受控端的數(shù)據(jù)交流主要由服務(wù)器云端完成。服務(wù)器云端的部署所使用的語言是PHP語言，在本地將PHP代碼編寫并調(diào)試成功后，再將代碼部署在百度BAE應(yīng)用引擎里?？蛻舳擞挚梢苑Q之為控制端，是用戶通過手機(jī)APP接收到酒精濃度信息后來控制汽車的啟動(dòng)。手機(jī)APP的編寫使用的是JAVA語言和HTML，代碼編譯成功后生成的APK安裝包就可以直接在手機(jī)上安裝使用了。

3.2 受控端軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

受控端由智能硬件組成，它實(shí)時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)并同步發(fā)送到云端服務(wù)器中，主要涉及到與SIM900A模塊間的通信、與PC間的通信、片內(nèi)AD采集、模糊控制、數(shù)據(jù)融合等。同時(shí)，受控端還需要接收上端下發(fā)的控制指令并實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)操作。例如，當(dāng)駕駛員飲酒觸發(fā)鎖定發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)制時(shí)，硬件會(huì)通過GPRS模塊上傳當(dāng)前酒駕信息并鎖定發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火回路禁止汽車啟動(dòng)。手機(jī)客戶端接收到相關(guān)消息后可以同步發(fā)送控制汽車發(fā)動(dòng)回路通斷和是否聲光報(bào)警的指令等。

3.3 服務(wù)器云端軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

選用百度云服務(wù)器。云服務(wù)器是云計(jì)算中的一種，是云計(jì)算服務(wù)中的重要組成部分，通過對(duì)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用三大要素（計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行整合，給用戶提供公用的互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)。

3.4 客戶端軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

客戶端也稱為控制端，在控制端可以實(shí)時(shí)跟蹤汽車當(dāng)前位置并且獲取車輛運(yùn)行情況及駕駛員是否酒駕等信息。當(dāng)汽車駕駛員處于酒后駕駛狀態(tài)時(shí)，控制端能夠及時(shí)地接收到相關(guān)信息，提醒用戶關(guān)注。考慮到客戶端的功能要求，同時(shí)注重它的實(shí)用性和便攜性，設(shè)計(jì)直接使用人們的手機(jī)作為控制終端。用戶只需要安裝預(yù)置的APP，登錄自己的賬號(hào)即可與車輛進(jìn)行綁定。綁定后便可以隨時(shí)關(guān)注車輛信息，推送服務(wù)使用的是友盟+的UPush服務(wù)，它的長連護(hù)保和智能心跳技術(shù)使得最終消耗流量極少。

3.5 數(shù)據(jù)融合

數(shù)據(jù)融合技術(shù)具有冗余性、互補(bǔ)性、合作性、信息分層的結(jié)構(gòu)特性，這些特性使多數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠避免由單一傳感器采集的信息不全面的而造成的判斷結(jié)果具有片面性的缺點(diǎn)。它能夠綜合單一傳感器采集的多波段信息或不同種類的傳感器所采集到的信息，使最后結(jié)果能夠避免多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾問題，多傳感器中的信息之間相互補(bǔ)充，保證傳感器信息獲取的可靠性，提高數(shù)據(jù)的正確率。

該課題是基于模糊控制的車內(nèi)酒精檢測(cè)系統(tǒng)，為避免單一傳感器造成的將乘客醉酒誤判為司機(jī)醉酒而鎖定車輛的局面，設(shè)計(jì)采用的是4個(gè)相同類型的酒精傳感器，利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)綜合判斷車內(nèi)醉酒情況，能夠最大程度保證4個(gè)傳感器檢測(cè)結(jié)果經(jīng)過模糊控制器處理之后的準(zhǔn)確性。

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 硬件電路測(cè)試

電源部分是電路關(guān)鍵，如果電源電壓不穩(wěn)定將導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，過壓會(huì)導(dǎo)致芯片損壞，因此最先測(cè)試的是電源部分。焊接好電路檢查無明顯短路后連接電源，測(cè)量輸出電壓是否是預(yù)定的5 V，并持續(xù)觀測(cè)電路上的芯片和飛線是否有發(fā)燙現(xiàn)象等。

控制器部分的硬件電路測(cè)試主要是連接供電系統(tǒng)，測(cè)試PC串口與單片機(jī)是否正常通信，測(cè)試J-Link連接器與STM32連接是否正常，可以通過下載測(cè)試程序看是否寫入成功來判斷。

酒精傳感器部分主要是對(duì)酒精傳感器電路進(jìn)行測(cè)試。使用藥店購買的醫(yī)用酒精作為氣味源，給模塊上電后檢測(cè)AO口輸出電壓是否與酒精濃度成正比關(guān)系。需要注意的是酒精模塊需先通電預(yù)熱10 s左右，否則測(cè)出的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)。通電10 s過后可以使用電壓表直接測(cè)試GND與AO口間的電壓，用蘸了酒精的棉簽?zāi)M酒駕后的酒精濃度，觀察測(cè)得的電壓是否上升即可判斷傳感器的好壞，由于傳感器制造過程中的誤差，導(dǎo)致同一環(huán)境不同傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)有少許誤差，最終將在程序中消除該誤差。

4.2 軟件功能測(cè)試

PC串口經(jīng)過CP2102芯片的USB轉(zhuǎn)TTL模塊接入到GPRS模塊，其中模塊TXD端接到SIM900A的TTL電平接口的RXD接口上，模塊TTL端的RXD端接到SIM900A的TTL電平接口的TXD上。隨后通過發(fā)送AT指令可以使其校正波特率等信息。

其中值得注意的是，SIM900A模塊對(duì)供電要求較高，過壓或欠壓都會(huì)使模塊不正常工作，根據(jù)相關(guān)手冊(cè)建議使用2 A以上電源。

SIM900A模塊上有網(wǎng)絡(luò)顯示指示燈，通過其和電源指示燈的亮滅情況可以判斷工作狀態(tài)。

打開SIM900A的電源開關(guān)后，當(dāng)電源指示燈長亮，網(wǎng)絡(luò)指示燈閃亮，說明SIM900A已經(jīng)注冊(cè)到網(wǎng)絡(luò)，可以進(jìn)行GPRS通信，模塊就正常工作了。此時(shí)可以向模塊中的電話卡打一個(gè)電話，如果能打通且電話不被立刻掛斷，SIM900A 就可以正常執(zhí)行其他功能了；如果能打通，但電話立刻被掛掉，請(qǐng)檢測(cè)供電電源，常見原因?yàn)椋汗╇婋娫措妷夯螂娏鬟_(dá)不到要求；如果電話打不通，常見原因?yàn)椋耗K沒有檢測(cè)到手機(jī)卡或模塊沒有注冊(cè)到網(wǎng)絡(luò)。

5 結(jié)語

目前我國酒駕問題依然十分嚴(yán)峻，該系統(tǒng)具有很大的市場(chǎng)前景，下一步將朝著降低成本和提高使用效率方向改進(jìn)。