基于物联网的嵌入式酒驾智能辨识系统开发研究

　中图分类号：TP399 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2014）06-08-04
　　0 引言
　　酒驾、超速和疲劳驾驶是交通事故高发的三个主要原因，其中酒后驾车所引发的交通事故已占到交通事故总数相当大的比例。无视交通管理法规酒后及醉酒驾车造成严重后果的违法犯罪事件越来越多[1]。目前我国酒驾检测主要是由交通警察在路口设置警点，使用呼气式检测仪器对过往可疑车辆进行拦车检查[2]。但要进行路检只能针对部分车辆抽样检测，以确定驾驶员是否酒驾，无法实时监控驾驶员酒后驾车情况[3]。此外，进行路检需要大量的人力和物力；一些酒后驾车者拒不配合检测。这些情况也会给交警执法带来困难。
　　为了更好地遏制酒驾，减少交通事故的发生。本文设计了一种基于物联网的车载酒驾自动识别系统。该系统充分利用目前流行的物联网技术，以STC12C5A16AD单片机为核心，通过MQ-3传感器来检测是否酒驾。把传感器嵌入驾驶室内，通过对驾驶座位的前方、上方和左右4个检测点的酒精浓度检测，判断驾驶员是否酒驾[4-5]。当检测到驾驶员酒驾后，系统发出声光报警并禁止汽车发动，同时通过GPRS模块将酒驾车辆信息实时地发送给家人和当地交通部门[6]。这样可以有效地预防酒驾，便于交通部门集中监控，不再需要交警进行大规模的蹲点拦车检测，节省了人力和物力[7]。这样能够大大的降低交通事故的发生率，减少人员与财产损失。
　　1 物联网技术
　　物联网的定义是，通过射频识别（RFID）、传感器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按照约定的协议，把任何物体与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
　　2 系统整体架构与工作原理
　　2.1 系统整体架构设计
　　系统由以下模块组成：STC12C5A16AD单片机控制系统、呼气式酒精传感器MQ-3、LCD显示模块、声光报警模块、继电器控制模块和GPRS模块。本系统的工作原理：通过酒精传感器检测驾驶员呼出气体酒精浓度，然后，传感器的输出电压信号经过A/D转换后输入到单片机中，经过单片机的逻辑判断处理，根据驾驶员体内酒精浓度和标定值比较来控制继电器的动作，进而控制汽车启动电机的工作。整个系统可以通过自动检测驾驶员体内的酒精浓度来防止驾驶员酒后驾驶。系统借助物联网技术，把每辆汽车作为一个节点，从众多的节点传感器采集数据，然后通过无线传输技术把信息发送给家人和当地交通部门总节点。系统整体架构如图1所示，每辆汽车的通信对象有两个：一个是家人，另一个是交通部门服务器。每辆汽车安装一个车载酒驾自动检测系统。酒驾自动检测系统的结构如图2所示。
　　2.2 工作原理
　　当驾驶员进入车内时，发动处于锁死状态，嵌入在车内的酒驾自动检测系统开始工作。4路MQ-3传感器把检测到的模拟信号通过A/D转换为数字信号，通过对此数字信号与预先设置的数值进行比较来判断是否酒驾，并通过LCD液晶显示屏显示阀值与检测值。当检测浓度未超标，车辆可正常行驶。一旦某一路传感器检测到的酒精浓度超出安全范围，系统的LED警示灯闪烁，并把相关信息发送给预先设定好的家人的手机上，同时通过GPRS模块发送信息给当地交通部门，并通过蜂鸣器发出警报声。
　　3 系统设计
　　3.1 单片机系统设计
　　系统的主控模块采用的是宏晶科技生产的STC12C2052AD单片机，STC12C5A16AD单片机本身自带8位高速ADC，所以大大简化电路设计。单片机系统原理如图3所示，图3中按键K2和K3是进行阈值设置，其中K2为“增加”，K3为“减小”按键。L2和L3为报警指示灯，分别可以进行酒后和醉酒两级报警。醉酒阈值存储在EEPROM芯片AT24C01中，并可以通过 “增加”、“减少”按键调节并保存。AT24C01是IIC接口的EEPROM芯片，可以用于掉电后数据的存储。图3中A0、A1和A2为芯片的地址引脚，一般接地即可。SCL和SDA为AT24C04和单片机IIC通信的时钟线和数据线。外置存储器电路如图4所示。
　　3.2 继电器控制电路
　　继电器采用西门子3TH中间继电器，该继电器采用E形铁心，双断点桥式触头系统的直动式运动结构，动作可靠；触头为桥式双断点结构，触头材料由电性能优越的银合金制成，具有使用寿命长和良好的接触可靠性。灭弧室均呈封闭型，并由阻燃性材料阻挡电弧向外喷溅，保证人身与邻近电器的安全；继电器损耗小、噪音小，具有很高的机械强度，该继电器并符合IEC947，VDE0660，GB14048等标准。因此，该继电器用在本系统中能够控制电机的启动。继电器控制电路主要功能是：当MQ-3传感器检测到酒精浓度超标时，利用控制继电器控制车辆禁驾。继电器控制接口与汽车点火与电喷电路相连接，通过单片机编程可控制汽车启动。汽车电喷控制电路如图5所示[7]。
　　3.3 显示电路
　　显示部分采用SMC1602液晶屏进行显示，该液晶显示器具有低功耗、体积小、显示内容丰富、超薄、轻巧和低价位等优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用[8]。芯片工作电压为4.5-5.5V，工作电流为2.0mA，在本设计中采用5.0V供电。液晶屏与单片机的接口电路如图6所示，其中J2的3脚为背光引脚，R9和R10电阻用于调节背光亮度。J2的4、5和6脚分别接液晶的RS、E/W和E控制引脚，J2的7-14引脚为数据引脚。
　3.4 MQ-3传感器电路
　　本设计中采用MQ-3酒精传感器。检测对象的血液酒精浓度由人体血液酒精含量与呼出气体中的酒精浓度之间的比值关系计算得出。我国对酒后驾驶的判定界限为100-300mg/L，当系统检测到酒精浓度小于200mg/L时，发动机可以正常启动；而当系统检测到浓度超过200mg/L时，发动机电源切断，发动机不能正常启动。酒精传感器的工作原理是根据人饮酒后血液里的酒精浓度值与呼出气体的酒精浓度值有一个固定的比例关系，公式如下：
　　3.5 GPRS模块电路设计
　　无线通信模块选用的是MC55i模块，单片机通过串口发送AT命令给MC55i模块，对其进行控制。当传感器检测到的酒精浓度超出安全范围，MC55i无线模块随之启动。通过移动基站的Cell-Id定位法，获取车辆当前位置的信息，再利用GPRS模块把相关信息通过短信发送给家人，并通过GPRS上传到交管部门，便于采取相应的处理措施。AT+CREG指令控制MC55i模块进行基站定位，获取车辆的当 前的位置信息。短消息编码采用Unicode中文编码。在发送短信时，对常用汉字进行裁剪，将常用汉字的字库存入单片机FLASH中，汉字字符通过查表，将码制置换为Unicode编码，随后设置短信协议为PDU模式，发送中文汉字。
　　3.6 供电电路
　　本设计采用USB接口供电，电源电压5V。同时，USB接口通过内含PL2303芯片的转换电路对单片机进行程序编写，以及与GPRS模块通信。其电路原理如图8所示。
　　3.7 软件设计
　　
　　系统采用C语言进行编程，软件设计的主流程如图9所示。系统上电后，系统首先进行初始化，系统初始化包含数据初始化、定时器初始化、A/D转换初始化和显示初始化；然后传感器会把检测到的酒精浓度与设定到外置存储器中的阈值进行比较，从而判断酒精浓度是否超标。当检测到浓度超过设定值200mg/L时，系统通过继电器切断发动机电源，发动机不能正常启动，同时把相关位置信息与酒驾信息发送给预先设定好的家人与当地交通部门。下面是部分初始化程序：
　　4 结束语
　　本文所设计的基于物联网的酒驾自动检测系统采用STC12C5A16AD单片机作为主控系统。系统能够自动对驾驶员酒精浓度检测，根据检测结果来控制发动机是否启动，如果酒精含量超标则系统发出声光报警，并通过GPRS模块向交通管理部门报警以及家人发送短消息。该系统有体积小，功耗低，便于安装等特点。测试结果表明，该系统实时性好，精度高，运行稳定，具有可靠、适应力强的特点，达到了良好的控制效果，具有较好的使用价值。
　　参考文献：
　　[1] 段现星，王晓侃.基于单片机控制的车载酒精浓度检测仪设计[J].测控技术，2013.32（8）.
　　[2] 李晓静，刘书伦.基于物联网的嵌入式酒驾智能辨识系统[J].制造业自动化，2012.34（21）.
　　[3] 徐京莲，韩峻峰，潘盛辉等.基于多传感器融合的车载酒精检测系统设计[J].仪表技术与传感器，2010.7.
　　[4] 郭东峰，李彦.基于物联网的嵌入式酒驾自动检测系统设计[J].计算机测量与控制，2013.21（3）.
　　[5] 卓郑安，朱文立，黄敏.基于GPRS的智能酒精浓度检测仪设计与应用[J].实验技术与管理，2013.30（5）.