汽車(chē)智能防盜防酒駕系統(tǒng)研究

摘 要：本文提出了一種基于ARM單片機(jī)的防盜防酒駕智能系統(tǒng)。汽車(chē)使用者首先進(jìn)行指紋識(shí)別，與預(yù)先錄入指紋庫(kù)中的指紋對(duì)照來(lái)判斷其是否為合法用戶，若判為真，再對(duì)該使用者進(jìn)行酒精檢測(cè)，若判為酒駕，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，通過(guò)液晶顯示屏給出被檢測(cè)人血液酒精濃度；兩項(xiàng)檢測(cè)均合格，汽車(chē)才能正常起動(dòng)；否則，鎖閉發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠、反應(yīng)迅速靈敏，在汽車(chē)上的應(yīng)用能夠很好的提高汽車(chē)安全性。

關(guān)鍵詞：防盜防酒駕； 指紋識(shí)別； 酒精檢測(cè) ；駕駛安全性

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-3315（2014）04-175-002

為防止汽車(chē)被盜，許多汽車(chē)設(shè)置了防盜裝置。據(jù)統(tǒng)計(jì)，裝有防盜裝置的汽車(chē)被盜率僅為萬(wàn)分之四，而未裝的高達(dá)萬(wàn)分之四十[1]。目前，市場(chǎng)上的汽車(chē)防盜系統(tǒng)主要有四種形式：機(jī)械式、電子式、芯片式和網(wǎng)絡(luò)式[1-8]。機(jī)械式防盜鎖是最早使用的一種，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，防盜性能較低，現(xiàn)在已很少使用。電子式防盜器是目前應(yīng)用最廣泛的防盜器之一，可進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，但其致命缺點(diǎn)在于當(dāng)車(chē)主操縱遙控器時(shí)，偷車(chē)賊可以用接收器或掃描器盜取遙控器發(fā)射的無(wú)線電波或紅外線，經(jīng)解碼就可以開(kāi)啟汽車(chē)的防盜系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)防盜器只能用于有GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方，車(chē)主可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)搜尋車(chē)子所在的位置，但其在沒(méi)有GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域就無(wú)法使用，具有局限性且生產(chǎn)成本較高[1]。芯片式數(shù)碼防盜器是現(xiàn)在汽車(chē)防盜器發(fā)展的重點(diǎn)，基本原理是鎖住汽車(chē)的馬達(dá)、電路和油路，杜絕了被掃描的弊病。指紋具有唯一性，便攜性和終身不變性等優(yōu)點(diǎn)，采用“指紋芯片”技術(shù)，將指紋作為汽車(chē)“鑰匙”具有得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)。

2013年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全世界每年因?yàn)榈缆方煌ㄊ鹿识劳龅娜藬?shù)約為124萬(wàn)。在這其中，因?yàn)榫岂{導(dǎo)致的交通事故進(jìn)而致人死亡的數(shù)量占了不小比率，僅僅在中國(guó)大約每天有5人因?yàn)榫岂{喪命。酒后駕駛已被世界衛(wèi)生組織列為交通事故的主要原因之一。為了避免交通悲劇的發(fā)生，一種有效地防止民眾酒后駕駛的系統(tǒng)的出現(xiàn)就成了現(xiàn)實(shí)中的迫切要求。

據(jù)此，筆者提出了一種基于ARM單片機(jī)的防盜防酒駕智能系統(tǒng)。汽車(chē)使用者首先進(jìn)行指紋識(shí)別，與預(yù)先錄入指紋庫(kù)中的指紋對(duì)照來(lái)判斷其是否為合法用戶，若判為真，再對(duì)該使用者進(jìn)行酒精檢測(cè)，將酒精傳感器設(shè)置在駕駛室中，對(duì)駕駛者進(jìn)行強(qiáng)制酒精檢測(cè)，采用酒后駕駛閉鎖技術(shù)提高駕駛安全性。

一、檢測(cè)原理

人體指紋擁有唯一性，通過(guò)辨析采集的指紋圖像就可以進(jìn)行身份判別，因此，本系統(tǒng)采用“基于指紋識(shí)別”的防盜技術(shù)。指紋識(shí)別技術(shù)主要涉及四個(gè)功能：讀取指紋圖像、提取特征、保存數(shù)據(jù)和比對(duì)。光源發(fā)出的光線照射到壓有指紋的玻璃表面，反射出明暗不一的光線，CMOS或CCD的光學(xué)器件收集這些光線，形成灰度圖。根據(jù)灰度圖中包含的特征進(jìn)行指紋的驗(yàn)證，對(duì)比存儲(chǔ)庫(kù)中的指紋信息即可判斷是否為合法用戶，以此獲得訪問(wèn)權(quán)。

將指紋識(shí)別系統(tǒng)安裝于汽車(chē)的起動(dòng)系統(tǒng)中，在起動(dòng)車(chē)輛之前，首先要求使用者錄入指紋信息，系統(tǒng)將對(duì)使用者進(jìn)行指紋識(shí)別身份驗(yàn)證，如是未授權(quán)者使用車(chē)輛，汽車(chē)則無(wú)法啟動(dòng)。憑車(chē)主事先錄入的指紋才能發(fā)動(dòng)汽車(chē)，指紋具有唯一性，決不會(huì)丟失，也無(wú)法復(fù)制，可以從技術(shù)上杜絕解密的可能性。

人體飲酒和不飲酒的情況下血液中的酒精含量不同，呼出的氣體中酒精含量也有差別，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，人體血液中的酒精濃度（BAC）與呼氣濃度（BrAC）的比值約為2200，血液中酒精含量大于20ppm小于80ppm為飲酒駕駛，大于80ppm為醉酒駕駛[2-3]。因此只要對(duì)汽車(chē)使用者進(jìn)行吹氣檢驗(yàn)便可判定其是否屬于酒駕。

在起動(dòng)汽車(chē)前，汽車(chē)使用者需要先向檢測(cè)設(shè)備里吹氣。該設(shè)備分析汽車(chē)使用者呼出的氣體，如果通過(guò)吹入氣體檢測(cè)到血液酒精濃度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)動(dòng)機(jī)將無(wú)法起動(dòng)。

二、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)硬件組成

本系統(tǒng)將指紋防盜和酒后駕駛閉鎖兩種功能組合在一起，以ArduinoMEGA2560單片機(jī)為核心，組合ZYM-MQ3酒精傳感器、FM-206光學(xué)指紋傳感器模塊、LCD12864液晶顯示模塊、蜂鳴器HYD-4261等實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)起動(dòng)的控制。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

FM-206光學(xué)指紋模塊以高性能高速DSP處理器AS601為核心，無(wú)需上位機(jī)參與管理，具有指紋錄入、圖像處理、指紋比對(duì)、搜索和模板儲(chǔ)存等功能。指紋圖像錄入時(shí)間小于1.0秒，指紋圖像讀取過(guò)程中，對(duì)干、濕手指都有較好的成像質(zhì)量，適用人群廣泛，用戶根據(jù)FM-206 模塊提供的豐富控制指令，可自行開(kāi)發(fā)出功能強(qiáng)大的指紋識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)，二次開(kāi)發(fā)應(yīng)用簡(jiǎn)單。

本系統(tǒng)選用ZYM-MQ3酒精氣體傳感器，它對(duì)乙醇蒸汽具有很高的靈敏度、良好的選擇性和快速的響應(yīng)恢復(fù)特性。檢測(cè)不同濃度的乙醇蒸汽時(shí)，傳感器輸出不同的電壓值。因此采集其端口輸出電壓值，通過(guò)適當(dāng)換算便可獲得駕駛員血液酒精含量。ZYM-MQ3氣敏元件的濃度探測(cè)范圍為10ppm～1000ppm酒精濃度，傳感器檢測(cè)到的酒精濃度與管腳的輸出電壓成正比例關(guān)系，具體來(lái)說(shuō)就是檢測(cè)到的濃度每升高20ppm，端口輸出電壓會(huì)增加0.1V。

LCD12864液晶顯示模塊是一種具有4位/8位，2線或3線串行多接口方式，內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊，其外形如圖4所示。其顯示分辨率為128×64，內(nèi)部置8192個(gè)16×16點(diǎn)漢字和128個(gè)16×8點(diǎn)ASCLL字符集。該模塊接口方式簡(jiǎn)單方便，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。與同類型液晶顯示模塊相比，其硬件結(jié)構(gòu)及顯示程序簡(jiǎn)單，且價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣圖形模塊。利用模塊顯示指紋合法性及酒精濃度，操作簡(jiǎn)單方便。

系統(tǒng)采用電磁式有源蜂鳴器，接通電源后，可根據(jù)單片機(jī)發(fā)出的指令產(chǎn)生變化的電流，帶動(dòng)電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)振動(dòng)，膜片在電磁場(chǎng)和磁鐵的作用下周期性發(fā)出震動(dòng)，發(fā)出聲音。其內(nèi)部裝有集成電路，不需音頻驅(qū)動(dòng)電路，只要接通直流電就可連續(xù)發(fā)出聲響，操作及其簡(jiǎn)單，適合于酒駕警報(bào)器。

ArduinoMEGA2560單片機(jī)是系統(tǒng)核心，采用USB接口的核心電路板，具有54路數(shù)字輸入輸出，適合需要大量接口IO接口的設(shè)計(jì)。處理器核心是Atmega2560，同時(shí)具有54路數(shù)字輸入輸出口（其中16路可以作為PWM輸出），16路模擬輸入，4路UART接口，一個(gè)16MHz晶體振蕩器，一個(gè)USB口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕。ArduinoMEGA2560有三種供電方式，外部直流電源通過(guò)電源插座供電，電池連接VIN和GND 引腳，USB接口直接供電，可產(chǎn)生5V和3.3V兩種電壓為板上其他芯片供電。

ArduinoMEGA2560單片機(jī)控制器接收光學(xué)指紋模塊和酒精氣體傳感器傳來(lái)的信號(hào)，并向液晶顯示模塊和蜂鳴器發(fā)出工作指令。

2.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)防盜和防酒駕兩種功能。使用者欲起動(dòng)汽車(chē)必須進(jìn)行指紋檢測(cè)和酒精檢測(cè)，若都檢測(cè)合格方可正常起動(dòng)。系統(tǒng)檢測(cè)工作流程圖如圖2所示。

系統(tǒng)首先對(duì)駕駛員進(jìn)行指紋檢測(cè)，與預(yù)先存入指紋庫(kù)中指紋信息對(duì)比，如果其為該車(chē)的合法擁有者，則會(huì)看到液晶屏上顯示“指紋檢測(cè)通過(guò)”，然后就可對(duì)其進(jìn)行酒精檢測(cè)，若檢測(cè)為非酒駕則汽車(chē)可以正常起動(dòng)，若檢測(cè)到為酒駕或醉駕則汽車(chē)不可正常起動(dòng)，此時(shí)蜂鳴器會(huì)發(fā)出“嘀嘀”的聲音且液晶屏上會(huì)顯示出駕駛者血液中酒精濃度。

三、實(shí)驗(yàn)

將系統(tǒng)硬件串聯(lián)在電動(dòng)小車(chē)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖3。

1.指紋檢測(cè)

指紋檢測(cè)系統(tǒng)共有三種模式：錄入、檢測(cè)、刪除。若需錄入指紋，按下錄入按鈕即可進(jìn)行錄入模式中，按鈕按下時(shí)會(huì)聽(tīng)到“嘀”的一聲，這時(shí)檢測(cè)屏下方的燈會(huì)亮起來(lái)錄入被檢測(cè)人的指紋信息，再聽(tīng)到嘀的一聲錄入完畢。指紋錄入時(shí)記錄被錄入者的順序，并賦予ID號(hào)，便于后續(xù)操作。

指紋檢測(cè)時(shí)同錄入方法，檢測(cè)完成后液晶屏上會(huì)顯示檢測(cè)結(jié)果，如果為合法用戶，液晶屏幕會(huì)顯示“該用戶合法”。一個(gè)系統(tǒng)中只允許有一位第一用戶，第一用戶具有添加其他用戶的權(quán)限，也可以通過(guò)刪除某用戶指紋信息ID號(hào)的方法取消汽車(chē)使用權(quán)限。

本次實(shí)驗(yàn)在指紋模塊錄入模式下共采集了5個(gè)人左、右手共計(jì)50枚指紋圖像信息存入指紋庫(kù)中，在識(shí)別模式下進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確度達(dá)到100%。

2.酒精檢測(cè)

本實(shí)驗(yàn)的目的是為了檢測(cè)酒精控制裝置的可靠性，因此將系統(tǒng)酒精測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)酒精檢測(cè)儀的結(jié)果對(duì)比，根據(jù)兩者的誤差度進(jìn)行判斷。檢測(cè)時(shí)，駕駛員需對(duì)著傳感器測(cè)試口連續(xù)呼氣3~5秒，等待約5秒后，顯示屏?xí)詣?dòng)顯示當(dāng)前駕駛者血液中的酒精含量，若超過(guò)酒駕標(biāo)準(zhǔn)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出嘀嘀的報(bào)警聲，電動(dòng)小車(chē)啟動(dòng)系統(tǒng)鎖止。

Arduino MEGA 2560單片機(jī)自帶10位A/D轉(zhuǎn)換，端口采集到的數(shù)字信息為0—1023，對(duì)應(yīng)的電壓值為0—5V，測(cè)試過(guò)程中，單片機(jī)串口實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)的結(jié)果。人體血液中的酒精濃度與呼吸濃度的比值約為2200，因此人體血液酒精濃度每升高20ppm，測(cè)得的電壓值將會(huì)升高0.1。由此，便可得到測(cè)試結(jié)果。

抽取2014年1月7號(hào)的串口輸出檢測(cè)數(shù)據(jù)，如表1所示，采集頻率5秒/次，時(shí)長(zhǎng)為60秒/次（共10次）。

酒精檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，對(duì)5名用戶進(jìn)行吹氣實(shí)驗(yàn)。酒精測(cè)試中測(cè)量濃度與測(cè)量者吹氣時(shí)間、力度的大小及裝置的密封性有關(guān)，為驗(yàn)證檢測(cè)的準(zhǔn)確性，將系統(tǒng)檢測(cè)輸出數(shù)據(jù)與高精度酒精測(cè)試儀輸出值進(jìn)行對(duì)比，本系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度在80%—100%范圍內(nèi)。

表1 2014年1月7號(hào)的串口檢測(cè)數(shù)據(jù)

各物理量所表示的含義：

串口X1：該溫濕度下空氣中的測(cè)量值（基本無(wú)酒精濃度）；

串口X2：該溫濕度下一定酒精濃度的測(cè)量值（吹氣時(shí)串口輸出值）；

電壓Y1：空氣中采集得到的電壓值（由串口1得到）；

電壓Y2：一定酒精濃度下采集得到的電壓值（由串口2得到）；

測(cè)量濃度M：一定酒精濃度下用高精度酒精測(cè)試儀得到的酒精濃度；

換算濃度N：通過(guò)測(cè)量原理?yè)Q算得到的酒精濃度；

準(zhǔn)確度：準(zhǔn)確度=換算濃度/測(cè)量濃度。

四、結(jié)論與展望

筆者提出了一種汽車(chē)智能防盜防酒駕系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性。通過(guò)“基于指紋識(shí)別”的防盜技術(shù)和酒后駕駛閉鎖技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)非法駕駛時(shí)汽車(chē)自鎖的功能。將其與汽車(chē)電控起動(dòng)系統(tǒng)結(jié)合，能夠提高整車(chē)的安全性，具有較好的發(fā)展前景。

基金項(xiàng)目：江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“基于嵌入式的智能防盜防醉駕控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究”(201311276063X)

參考文獻(xiàn)：

[1]陳勇，楊婧文，許紅軍等．汽車(chē)中控門(mén)鎖及防盜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理與維修[M]江蘇:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2007:1-4

[2]道路安全法律小全書(shū)[M]北京:中國(guó)法制出版社，2007:337

[3]高萬(wàn)云，牛學(xué)軍，楊潤(rùn)凱等．道路交通安全知識(shí)[M]北京:中國(guó)檢察出版社，2007:157

[4]李春明，魏崴，袁笑虎等．汽車(chē)電器設(shè)備與維修[M]西安:西安電子科技大學(xué)出版社.2006:76-88

[5]Tom Denton(英)，魯植雄譯．汽車(chē)電氣與電子系統(tǒng)[M](第二版)，江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2005:154-168

[6]蔣建平，蔣晶等．關(guān)于現(xiàn)代酒駕安全控制技術(shù)推行的探討[J]南寧市:輕工科技:2012:1-2

[7]張會(huì)娟，朱瑞祥，吳峰．汽車(chē)防盜控制裝置的現(xiàn)狀及展望[J]公路與汽運(yùn)，2005(6):4-5

[8]朱華.現(xiàn)代汽車(chē)防盜系統(tǒng)[J]公安交通科技窗，2007(4):11-13