一種基于FPGA 多通道酒駕檢測系統(tǒng)的研究＊

呂坤，丁浩，閆偉

（宿遷學院，江蘇 宿遷 223800）

引言

引發(fā)交通事故的原因有很多，其中因酒后駕駛導致的交通事故頻繁發(fā)生，隨著人們生活水平的提高，車輛擁有量逐年提高，同時也導致了酒駕的情況越來越多，這對我國的交通安全帶來很大負面的影響[1]。隨著人們安全意識的提高，包括交警檢查、大量媒體宣傳等方式，酒駕率雖已經逐步在下降，下降率達到45%，但是仍然存在一定的酒駕比例。

酒駕檢測系統(tǒng)旨在不改變現有駕駛習慣的基礎上，采用酒駕主動檢測系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)具有主動性、防作弊性、抗干擾性及準確性特點，實時檢測車輛內酒精濃度、多源信息融合算法準確判斷駕駛員是否喝酒。可以從根本上控制酒駕行為，同時降低現有交警現場檢查工作的人力、物力和財力投入，減少酒駕危險行為對社會發(fā)展和人民生活的危害。

1 系統(tǒng)總體框架與工作原理

酒駕檢測系統(tǒng)主要包括：信號采集模塊、信號處理模塊、信號交互模塊以及車載T-BOX 控制模塊，系統(tǒng)架構圖如圖1所示。系統(tǒng)采用多傳感器分布方式，多通道信息采集，通過布局四個酒精傳感器和多個壓力傳感器，結合時間域和酒精濃度變化情況進行融合算法處理，排除副駕駛及后排乘客喝酒干擾信息，比單一傳感器檢測準確度更高，提升了檢測系統(tǒng)的抗干擾性，從而準確完成駕駛員酒駕檢測功能。

圖1 系統(tǒng)架構圖

其中信號采集模塊主要是通過壓力傳感器、MQ-3B 酒精檢測傳感器采集車載數據，在主駕駛座位的前后左右分別安置MQ-3 酒精檢測傳感器，實時檢測主駕駛座位周圍的酒精濃度，車內的座位分別安置壓力傳感器，檢測汽車的車載情況；信號處理模塊主要完成對采集的數據信號的濾波、A/D轉換處理，處理后的數據信號通過串口將數據上傳給數據終端；信息交互模塊是基于QT 的酒精信號處理軟件，分通道繪制酒精濃度實時曲線，直觀給出各酒精傳感器的實時信號變化情況，并結合車載情況以及多通道的數據融合算法，給出主駕駛是否酒駕的判斷，同時軟件后臺將以文件形式存儲檢測數據，為后期多源信息融合及大數據分析提供基礎數據支撐；車載T-BOX 模塊是整個檢測系統(tǒng)的執(zhí)行機構，根據終端軟件的判斷，給出相應的控制響應，避免主駕駛酒駕造成不必要的危害。

2 系統(tǒng)設計

2.1 硬件平臺

酒駕檢測系統(tǒng)是基于Altera DE2-115 開發(fā)板搭建酒精數據采集和處理的硬件平臺，Altera DE2-115 開發(fā)板核心的FPGA 芯片為Cyclone IV 4CE115F29，配有RS-232 標準串口。上位機數據處理軟件是基于QT 的圖形數據處理軟件，編程語言為C/C++，具有很好的移植性，可以很方便將數據處理軟件移植到車載終端，車載終端與下位機FPGA 通過RS-232標準串口實現數據通信。系統(tǒng)的控制執(zhí)行機構為車載T-BOX，車載終端通過T-BOX 控制車輛的行駛狀態(tài)，系統(tǒng)檢測出酒駕現象后，做出減速停車控制響應，并將相關信息通過車載終端上傳發(fā)送給相關人員，避免駕駛員因酒駕而造成的交通安全事故。

2.2 傳感器模塊

酒駕檢測系統(tǒng)的傳感器模塊主要包括酒精檢測傳感器和壓力傳感器。酒精檢測傳感器選用MQ-3B 酒精傳感器，當酒精傳感器所處環(huán)境中存在酒精蒸汽時，氣體傳感器的電導率隨空氣中酒精氣體濃度的增加而增大。系統(tǒng)中 Altera DE2-115 開發(fā)板搭采用電壓輸入，將酒精濃度值轉換為0~5V電壓信號，酒精數據信號經過A/D 轉換得到0~1 之內酒精濃度值。壓力傳感器選用薄膜壓力傳感器SBR，壓力傳感器用于檢測車載情況，當汽車座位承受壓力值大于預設值，系統(tǒng)判定該座位有乘客入座。

2.3 數據處理模塊

酒駕檢測系統(tǒng)的數據處理模塊主要對采集的數據進行處理并將最終判定結果及車輛信息送到數據應用模塊完成酒駕主動檢測系統(tǒng)功能，通過數據融合算法實現對多傳感采集數據處理，綜合判斷車輛駕駛員是否飲酒，以達到準確性、實時性的檢測目標。在數據處理模塊輸出最終檢測結果基礎上，分別通過T-BOX 車載單元和無線通信模塊，將車輛信息實時發(fā)送至交通管理部門和車輛設定的指定聯系人，最終完成酒駕的控制。

2.4 軟件系統(tǒng)設計

酒駕檢測系統(tǒng)的軟件設計包括基于FPGA 的數據采集與轉換系統(tǒng)和基于QT 的圖形數據處理系統(tǒng)兩個部分，工作流程圖如圖2 所示。系統(tǒng)啟動后，軟件程序初始化，傳感器采集數據，FPGA 循環(huán)讀取傳感器采集的數據信號。FPGA 接收到傳感器的數據信號進行濾波、A/D 轉換處理，將采集的電信號轉換為數值，通過壓力傳感器采集的數據判斷車載情況，從而判斷酒精濃度數據的通道數，通過LCD 顯示酒精濃度實時數據，同時通過RS-232 將實時數據發(fā)送至數據終端。數據終端循環(huán)串口數據，并分通道繪制酒精濃度實時變化曲線，結合融合算法對多通道的酒精濃度數據分析處理，完成酒駕的最終判斷。

圖2 軟件流程圖

3 系統(tǒng)測試

按照系統(tǒng)框架圖搭建多通道酒精檢測系統(tǒng)，模擬車輛駕駛環(huán)境進行真實模擬酒精檢測情況，實驗人員分別進行不同程度的飲酒開展測量，在主駕駛位置前后左右分別布置酒精傳感器，駕駛員飲酒后坐在駕駛位置，其他飲酒人員模擬乘客分布在后、左、右側酒精傳感器附近。 經過實驗，酒精濃度數據曲線如圖3 所示，從圖中可以看出酒精濃度隨時間變化規(guī)律，當車載人員呼氣時酒精濃度瞬時上升，呼氣結束后急速衰減。圖中峰值最高的曲線對應的是方向盤酒精傳感器，可以直觀看出其數據均值大于其余三個通道數據均值，結合融合算法判定主駕飲酒駕駛。

圖3 酒精濃度數據曲線

4 結論與展望

目前，信息融合被廣泛運用到工業(yè)檢測系統(tǒng)中，多傳感器信息融合也并不是一個新概念，其應用非常廣泛，如目標識別、車輛制導、遙感、戰(zhàn)場監(jiān)視和白動[2]。本系統(tǒng)從主動 安全、智能的角度，重新思考酒駕檢測原理，利用多傳感器對多個不同類型信息進行融合分析判別酒駕狀況，提高酒駕判斷準確性和檢測精度。與此同時，通過車載單元T-BOX 系統(tǒng)對酒駕者進行提醒是否適宜駕駛，成本較低，適用于各類車型，市場前景良好[3]。總而言之，針對當前酒駕危害行為頻繁出現的原因，除了在立法方面進行不斷完善以外，還應該進一步關注酒駕車輛及駕駛員的檢測力度，從根本上控制酒駕行為并有效遏制其危害行為的發(fā)生，讓社會更加和諧穩(wěn)定[4]。