基于物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式酒駕智能辨識(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘆芝萍

摘 要： 針對(duì)目前因酒駕造成的交通事故頻發(fā)問(wèn)題，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的車(chē)載酒駕自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以STC12C5A16AD單片機(jī)為核心，通過(guò)4路MQ-3傳感器來(lái)檢測(cè)車(chē)內(nèi)駕駛員是否酒駕。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到酒精濃度超標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警并禁止汽車(chē)發(fā)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)GPRS模塊進(jìn)行車(chē)輛定位，并將信息發(fā)送給家人和當(dāng)?shù)亟煌ú块T(mén)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確率高，能有效預(yù)防酒后駕車(chē)，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)； 酒駕； MQ-3； GPRS； MC55i

中圖分類(lèi)號(hào)：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2014）06-08-04

0 引言

酒駕、超速和疲勞駕駛是交通事故高發(fā)的三個(gè)主要原因，其中酒后駕車(chē)所引發(fā)的交通事故已占到交通事故總數(shù)相當(dāng)大的比例。無(wú)視交通管理法規(guī)酒后及醉酒駕車(chē)造成嚴(yán)重后果的違法犯罪事件越來(lái)越多[1]。目前我國(guó)酒駕檢測(cè)主要是由交通警察在路口設(shè)置警點(diǎn)，使用呼氣式檢測(cè)儀器對(duì)過(guò)往可疑車(chē)輛進(jìn)行攔車(chē)檢查[2]。但要進(jìn)行路檢只能針對(duì)部分車(chē)輛抽樣檢測(cè)，以確定駕駛員是否酒駕，無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控駕駛員酒后駕車(chē)情況[3]。此外，進(jìn)行路檢需要大量的人力和物力；一些酒后駕車(chē)者拒不配合檢測(cè)。這些情況也會(huì)給交警執(zhí)法帶來(lái)困難。

為了更好地遏制酒駕，減少交通事故的發(fā)生。本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的車(chē)載酒駕自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用目前流行的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以STC12C5A16AD單片機(jī)為核心，通過(guò)MQ-3傳感器來(lái)檢測(cè)是否酒駕。把傳感器嵌入駕駛室內(nèi)，通過(guò)對(duì)駕駛座位的前方、上方和左右4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的酒精濃度檢測(cè)，判斷駕駛員是否酒駕[4-5]。當(dāng)檢測(cè)到駕駛員酒駕后，系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警并禁止汽車(chē)發(fā)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)GPRS模塊將酒駕車(chē)輛信息實(shí)時(shí)地發(fā)送給家人和當(dāng)?shù)亟煌ú块T(mén)[6]。這樣可以有效地預(yù)防酒駕，便于交通部門(mén)集中監(jiān)控，不再需要交警進(jìn)行大規(guī)模的蹲點(diǎn)攔車(chē)檢測(cè)，節(jié)省了人力和物力[7]。這樣能夠大大的降低交通事故的發(fā)生率，減少人員與財(cái)產(chǎn)損失。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的定義是，通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）、傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

2 系統(tǒng)整體架構(gòu)與工作原理

2.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由以下模塊組成：STC12C5A16AD單片機(jī)控制系統(tǒng)、呼氣式酒精傳感器MQ-3、LCD顯示模塊、聲光報(bào)警模塊、繼電器控制模塊和GPRS模塊。本系統(tǒng)的工作原理：通過(guò)酒精傳感器檢測(cè)駕駛員呼出氣體酒精濃度，然后，傳感器的輸出電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后輸入到單片機(jī)中，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的邏輯判斷處理，根據(jù)駕駛員體內(nèi)酒精濃度和標(biāo)定值比較來(lái)控制繼電器的動(dòng)作，進(jìn)而控制汽車(chē)啟動(dòng)電機(jī)的工作。整個(gè)系統(tǒng)可以通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)駕駛員體內(nèi)的酒精濃度來(lái)防止駕駛員酒后駕駛。系統(tǒng)借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，把每輛汽車(chē)作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，從眾多的節(jié)點(diǎn)傳感器采集數(shù)據(jù)，然后通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù)把信息發(fā)送給家人和當(dāng)?shù)亟煌ú块T(mén)總節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示，每輛汽車(chē)的通信對(duì)象有兩個(gè)：一個(gè)是家人，另一個(gè)是交通部門(mén)服務(wù)器。每輛汽車(chē)安裝一個(gè)車(chē)載酒駕自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。酒駕自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 工作原理

當(dāng)駕駛員進(jìn)入車(chē)內(nèi)時(shí)，發(fā)動(dòng)處于鎖死狀態(tài)，嵌入在車(chē)內(nèi)的酒駕自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始工作。4路MQ-3傳感器把檢測(cè)到的模擬信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)對(duì)此數(shù)字信號(hào)與預(yù)先設(shè)置的數(shù)值進(jìn)行比較來(lái)判斷是否酒駕，并通過(guò)LCD液晶顯示屏顯示閥值與檢測(cè)值。當(dāng)檢測(cè)濃度未超標(biāo)，車(chē)輛可正常行駛。一旦某一路傳感器檢測(cè)到的酒精濃度超出安全范圍，系統(tǒng)的LED警示燈閃爍，并把相關(guān)信息發(fā)送給預(yù)先設(shè)定好的家人的手機(jī)上，同時(shí)通過(guò)GPRS模塊發(fā)送信息給當(dāng)?shù)亟煌ú块T(mén)，并通過(guò)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主控模塊采用的是宏晶科技生產(chǎn)的STC12C2052AD單片機(jī)，STC12C5A16AD單片機(jī)本身自帶8位高速ADC，所以大大簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。單片機(jī)系統(tǒng)原理如圖3所示，圖3中按鍵K2和K3是進(jìn)行閾值設(shè)置，其中K2為“增加”，K3為“減小”按鍵。L2和L3為報(bào)警指示燈，分別可以進(jìn)行酒后和醉酒兩級(jí)報(bào)警。醉酒閾值存儲(chǔ)在EEPROM芯片AT24C01中，并可以通過(guò) “增加”、“減少”按鍵調(diào)節(jié)并保存。AT24C01是IIC接口的EEPROM芯片，可以用于掉電后數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。圖3中A0、A1和A2為芯片的地址引腳，一般接地即可。SCL和SDA為AT24C04和單片機(jī)IIC通信的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線。外置存儲(chǔ)器電路如圖4所示。

3.2 繼電器控制電路

繼電器采用西門(mén)子3TH中間繼電器，該繼電器采用E形鐵心，雙斷點(diǎn)橋式觸頭系統(tǒng)的直動(dòng)式運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，動(dòng)作可靠；觸頭為橋式雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)，觸頭材料由電性能優(yōu)越的銀合金制成，具有使用壽命長(zhǎng)和良好的接觸可靠性。滅弧室均呈封閉型，并由阻燃性材料阻擋電弧向外噴濺，保證人身與鄰近電器的安全；繼電器損耗小、噪音小，具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，該繼電器并符合IEC947，VDE0660，GB14048等標(biāo)準(zhǔn)。因此，該繼電器用在本系統(tǒng)中能夠控制電機(jī)的啟動(dòng)。繼電器控制電路主要功能是：當(dāng)MQ-3傳感器檢測(cè)到酒精濃度超標(biāo)時(shí)，利用控制繼電器控制車(chē)輛禁駕。繼電器控制接口與汽車(chē)點(diǎn)火與電噴電路相連接，通過(guò)單片機(jī)編程可控制汽車(chē)啟動(dòng)。汽車(chē)電噴控制電路如圖5所示[7]。

3.3 顯示電路

顯示部分采用SMC1602液晶屏進(jìn)行顯示，該液晶顯示器具有低功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄、輕巧和低價(jià)位等優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[8]。芯片工作電壓為4.5-5.5V，工作電流為2.0mA，在本設(shè)計(jì)中采用5.0V供電。液晶屏與單片機(jī)的接口電路如圖6所示，其中J2的3腳為背光引腳，R9和R10電阻用于調(diào)節(jié)背光亮度。J2的4、5和6腳分別接液晶的RS、E/W和E控制引腳，J2的7-14引腳為數(shù)據(jù)引腳。

3.4 MQ-3傳感器電路

本設(shè)計(jì)中采用MQ-3酒精傳感器。檢測(cè)對(duì)象的血液酒精濃度由人體血液酒精含量與呼出氣體中的酒精濃度之間的比值關(guān)系計(jì)算得出。我國(guó)對(duì)酒后駕駛的判定界限為100-300mg/L，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到酒精濃度小于200mg/L時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以正常啟動(dòng)；而當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到濃度超過(guò)200mg/L時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)電源切斷，發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常啟動(dòng)。酒精傳感器的工作原理是根據(jù)人飲酒后血液里的酒精濃度值與呼出氣體的酒精濃度值有一個(gè)固定的比例關(guān)系，公式如下：

3.5 GPRS模塊電路設(shè)計(jì)

無(wú)線通信模塊選用的是MC55i模塊，單片機(jī)通過(guò)串口發(fā)送AT命令給MC55i模塊，對(duì)其進(jìn)行控制。當(dāng)傳感器檢測(cè)到的酒精濃度超出安全范圍，MC55i無(wú)線模塊隨之啟動(dòng)。通過(guò)移動(dòng)基站的Cell-Id定位法，獲取車(chē)輛當(dāng)前位置的信息，再利用GPRS模塊把相關(guān)信息通過(guò)短信發(fā)送給家人，并通過(guò)GPRS上傳到交管部門(mén)，便于采取相應(yīng)的處理措施。AT+CREG指令控制MC55i模塊進(jìn)行基站定位，獲取車(chē)輛的當(dāng)前的位置信息。短消息編碼采用Unicode中文編碼。在發(fā)送短信時(shí)，對(duì)常用漢字進(jìn)行裁剪，將常用漢字的字庫(kù)存入單片機(jī)FLASH中，漢字字符通過(guò)查表，將碼制置換為Unicode編碼，隨后設(shè)置短信協(xié)議為PDU模式，發(fā)送中文漢字。

3.6 供電電路

本設(shè)計(jì)采用USB接口供電，電源電壓5V。同時(shí)，USB接口通過(guò)內(nèi)含PL2303芯片的轉(zhuǎn)換電路對(duì)單片機(jī)進(jìn)行程序編寫(xiě)，以及與GPRS模塊通信。其電路原理如圖8所示。

3.7 軟件設(shè)計(jì)

[超過(guò)閾值嗎？][數(shù)據(jù)初始化][定時(shí)器初始化][A/D轉(zhuǎn)換初始化][顯示初始化][進(jìn)入后臺(tái)while循環(huán)][觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換][換算酒精濃度][酒精濃度顯示][酒精濃度顯示] [有鍵按下嗎？][報(bào)警][按鍵處理] [是] [是] [否][否]

系統(tǒng)采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，軟件設(shè)計(jì)的主流程如圖9所示。系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，系統(tǒng)初始化包含數(shù)據(jù)初始化、定時(shí)器初始化、A/D轉(zhuǎn)換初始化和顯示初始化；然后傳感器會(huì)把檢測(cè)到的酒精濃度與設(shè)定到外置存儲(chǔ)器中的閾值進(jìn)行比較，從而判斷酒精濃度是否超標(biāo)。當(dāng)檢測(cè)到濃度超過(guò)設(shè)定值200mg/L時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)繼電器切斷發(fā)動(dòng)機(jī)電源，發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常啟動(dòng)，同時(shí)把相關(guān)位置信息與酒駕信息發(fā)送給預(yù)先設(shè)定好的家人與當(dāng)?shù)亟煌ú块T(mén)。下面是部分初始化程序：

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的酒駕自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)采用STC12C5A16AD單片機(jī)作為主控系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠自動(dòng)對(duì)駕駛員酒精濃度檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)是否啟動(dòng)，如果酒精含量超標(biāo)則系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警，并通過(guò)GPRS模塊向交通管理部門(mén)報(bào)警以及家人發(fā)送短消息。該系統(tǒng)有體積小，功耗低，便于安裝等特點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，精度高，運(yùn)行穩(wěn)定，具有可靠、適應(yīng)力強(qiáng)的特點(diǎn)，達(dá)到了良好的控制效果，具有較好的使用價(jià)值。

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