基于貝葉斯數據融合的防酒后駕駛系統設計

楊志剛，孟立凡*，徐 青

(1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051;2.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051)

基于貝葉斯數據融合的防酒后駕駛系統設計

楊志剛1，2，孟立凡1，2*，徐 青2

(1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051;2.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051)

為有效預防酒后駕駛，應用多個MQ-3酒精傳感器和低功耗單片機，采用貝葉斯估計的數據融和方法設計出手持式防酒后駕駛系統。系統檢測到駕駛員血液中酒精濃度超過20 mg/100 mL時，啟動汽車閉鎖控制使其無法啟動，通過GPS模塊定位汽車位置，使用GSM模塊的短信功能將駕駛員的醉酒程度和汽車位置信息發送給系統預設聯系人。該系統提高了檢測結果的準確性和可靠性，功耗低，方便攜帶，對預防酒后駕車具有很好的效果。

酒精濃度檢測;防酒后駕駛系統;貝葉斯數據融合;MQ-3酒精傳感器;低功耗

酒后駕駛是引發交通事故的主要原因，據世界衛生組織的事故調查顯示，大約50%～60%的交通事故與酒后駕駛有關。我國有關研究表明駕駛發生道路傷害的危險性是未飲酒駕車的4.13倍，并隨駕駛員飲酒量的增加而逐漸增高，呈劑量反應關系［1］。酒精對人的神經中樞有麻醉作用，可使人自制能力減弱，駕駛員飲酒后會導致感覺模糊、判斷失誤、反應不當［2］。因此，對防酒后駕駛系統的研究是非常重要和必要的。

本文設計的手持式防酒后駕駛系統，在駕駛員進入駕駛座發動汽車前，必須對酒精檢測手持設備吹氣，若駕駛員體內酒精含量低于系統預設，手持設備上的液晶屏顯示酒精含量且顯示屏顏色為黃綠色，表示駕駛員未酒后駕駛，可以順利發動汽車;若駕駛員體內酒精含量高于系統預設，液晶屏顯示酒精含量且顯示屏顏色變為藍色，表示駕駛員發動汽車將構成酒后駕駛，此時系統主控啟動閉鎖控制，使汽車無法發動，并通過短信方式，把汽車定位信息發送給駕駛員親人，從而有效地避免酒后駕駛。

1 酒精檢測原理

通過檢測被測人呼氣中酒精濃度可判定其飲酒程度，基本方法是被測者首先深吸氣，然后以中等力度呼氣達3 s以上，這時被測者呼出從肺部深處出來的氣體，此酒精濃度檢測方法成本低廉，是交警部門檢測司機醉酒駕駛的主要方法［3］。根據國家公共安全行業標準GA 307—2001，我國關于呼氣氣體酒精含量探測器的呼氣氣體酒精濃度與血液酒精濃度對照表如表1所示，溫度標準20℃［4］。呼氣中的酒精含量與血液中的酒精含量有如下關系:

其中，V血液表示血液酒精濃度，V呼氣指呼氣酒精濃度，mg/L表示以每升中毫克量的計量單位。即血液酒精濃度在數值上相當于呼氣酒精濃度乘上系數2202.64。駕駛員血液中酒精濃度大于或等于20 mg/100 mL(呼出氣體中酒精濃度47.43×10-6)，小于80 mg/100 mL (呼出氣體中酒精濃度189.72×10-6)的駕駛行為構成飲酒駕車;駕駛員血液中酒精濃度大于或等于80 mg/100 mL的駕駛行為即為醉酒駕駛。

表1 呼出氣體酒精濃度與血液酒精濃度對照表

選用MQ-3酒精濃度傳感器檢測人呼出氣體中酒精的濃度，半導體型酒精傳感器具有功耗小、穩定性好、響應速度快，而且生產成本相對較低等特點。MQ-3屬于旁熱式電阻型半導體氧化物傳感器，其氣敏元件由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感層，測量電極和加熱器構成的敏感元件固定在塑料制成的腔體內，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。氣敏元件電阻R0與空氣中所含有的被測氣體中乙醇質量濃度C之間有如下關系［5］:

式中m、n是由傳感器元件材料、測量氣體、測量溫度等因素決定的常數;C的單位為mg/L。R0值在純潔空氣中電阻值很大，隨空氣中乙醇質量濃度的增加而減小，這種變化是可逆的，以此實現乙醇含量與電信號之間的轉換。MQ-3型靈敏度S≥5(in air/R in typical)，敏感體電阻:1 kΩ～20 kΩ(in air)，響應時間tres≤10 s，恢復時間trec≤30 s，探測用范圍:10×10-6～1 000× 10-6Alcohol，工作環境溫度:-20℃～+55℃。

多傳感器信息融合充分利用多個傳感器資源，通過對各種傳感器及其觀測信息的合理支配與使用，將各種傳感器在空間和時間上的互補與冗余信息依據某種優化準則組合起來，其最終目的是利用多傳感器共同聯合操作的優勢，降低不確定性，提高整個傳感器系統的有效性［6］。

對于多數的酒精檢測系統，使用單個酒精傳感器來采集數據，然后對循環采集到的N個數據進行均值處理，所得到的均值就是系統所獲得結果。單個傳感器檢測系統的測試結果受傳感器可靠性影響較大。本文采用3個MQ-3酒精傳感器對氣體中酒精濃度進行檢測，系統獲得3個傳感器循環N次采集得到的數據，應用貝葉斯估計的多傳感器數據融合方法［7-9］，對數據進行融合處理，可以有效改善單個傳感器可靠性對最終測量結果的影響，提高結果的準確性和系統的可靠性［10-11］。數據融合的基本過程如圖1所示。

圖1 數據融合基本過程

2 系統整體設計

系統包括兩部分，分別是手持酒精檢測系統和汽車閉鎖及短信發送系統。手持酒精檢測系統由MQ-3酒精濃度傳感器檢測呼出氣體中的酒精濃度，以TI公司的低功耗MSP430F135單片機為核心控制芯片，包括信號采集處理、蜂鳴器報警電路、液晶顯示、鍵盤以及射頻收發模塊。汽車閉鎖及短信發送系統由汽車提供電源，選用STC汽車級單片機，包括繼電器驅動電路，GPS模塊，GSM短信模塊，射頻收發模塊。兩部分的數據通信通過nRF905射頻收發模塊實現，系統整體設計框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件設計框圖

3 系統硬件設計

3.1 酒精檢測原理

3.1.1 微處理器選擇

TI公司的MSP430系列單片機就有超低功耗的特點，適合于通過電池供電的場合或手持設備。其電源電壓采用1.8 V～3.6 V低電壓，在1 MHz時鐘條件下，耗電電流在0.1 μA～400 μA之間，系統有一種活動模式(AM)和5種低功耗模式(LPM0～LPM4)，同時數字控制振蕩器(DCO)使得從低功耗模式到活動模式的喚醒時間小于6 μs;采用目前流行的精簡指令集(RISC)結構，具有強大的處理能力;集成了較豐富的片內外設。

選擇MSP430F135作為微控制器，它集成了多種功能模塊:配置帶2個捕獲/比較寄存器的16 bit定時器，8通道12 bit模數轉換器，48個I/O口，串行通信接口(USART)異步UART及同步SPI接口，16 kbyte+256 byte Flash Memory，512 byte RAM等。系統使用單片機自帶的12 bit高性能模數轉換器，把采集到的3路酒精傳感器信號數據由模擬量轉換成數字量［12-13］。

3.1.2 傳感器信號采集及調理電路

根據MQ-3型氣敏元件的靈敏度特性可知，信號采集電路可以輸出0～5 V的電壓，由圖3所示，信號較大而不需要進行放大，MSP430內置A/D接口的電壓量程是3.3 V，因此先根據比例關系將傳感器輸出最大量程電壓經過差分比例放大電路適當縮小，再采用運放跟隨電路濾波，所采用的采集及調理電路如圖4所示。使用MSP430F135內置的8路模數轉換器，實現對采集到的3路酒精濃度數據進行同步轉換。本系統由定時器觸發A/D中斷，完成A/D采樣，把結果寫入到單片機內置的Flash存儲器。

圖3 MQ-3型氣敏元件的靈敏度特性

圖4 傳感器信號采集及調理電路

3.1.3 液晶顯示

為實現酒精傳感器所測氣體濃度的直觀顯示，本設計選用一款低功耗的LCD液晶顯示屏來實現顯示功能。采用金鵬電子有限公司生產的OCMJ2 ×4C液晶顯示器，具有64×32圖形點陣，工作電壓為5 V/3.3 V，視窗尺寸是38.0 mm×16.0 mm，采用背光顯示，液晶顯示控制芯片為ST7920，支持并串的接口方式。它與MSP430微處理器的接口信號如圖5所示。RS為數據命令選取信號，當它為高電平時，可以讀寫數據，為低電平時，可以寫入命令; R/W為讀寫選擇信號，為高電平時，讀出允許，為低電平時，寫入允許;E為芯片選擇信號，高電平有效; RST為重啟信號，低電平有效;DB0～DB7為數據總線，進行高低電平的數據傳輸。

圖5 LCD模塊與MSP430單片機接口電路

3.1.4 nRF905射頻收發模塊

nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發器，工作電壓為1.9 V～3.6 V，工作于433/ 868/915 MHz 3個ISM(工業、科學和醫學)頻道，本文應用433 MHz的工業頻道。nRF905芯片具有功耗低的顯著特點，內建空閑模式與關機模式，易于實現節能。天線接口設計為差分天線，便于使用低成本的PCB天線。MSP430通過SPI總線配置nRF905的內部寄存器和收發數據，SPI對外由SCK(SPI時鐘)、MISO(主入從出)、MOSI(主出從入)、CSN(SPI使能)4個引腳組成，對應5個內置寄存器和1個SPI指令集;單片機通過I/O端口控制模式配置接口PWR_UP、TRX_CE、TXEN實現nRF905的4種工作模式:掉電和SPI編程模式、待機和SPI編程模式、接收模式、發射模式;狀態接口CD提供載波檢測輸出，AM地址匹配輸出，DR數據就緒輸出。圖6所示MSP430F135通過端口P3、P4與nRF905模塊通信。

圖6 nRF905模塊與MSP430單片機接口電路

3.2 汽車閉鎖及短信發送系統

3.2.1 微處理器選擇

STC12LE5A16S2單片機是宏晶科技有限公司設計生產的單時鐘/機器周期單片機，內部集成高可靠復位電路，針對高速通信、智能控制、強干擾的工作場合。工作電壓3.6 V～2.2 V，具有16 kbyte Flash程序存儲器，1280 byte SRAM，36個通用I/O口，2個獨立的通用全雙工異步串行口(UART)，高速SPI接口，工作溫度范圍:-40℃～+85℃。

3.2.2 nRF905射頻收發模塊

STC單片機通過SPI與nRF905模塊通信。圖7所示為其接口電路，模式控制接口TXEN、TRX_CE、PWR_UP和狀態接口CD、AM、DR分別與P0.0～P0.5連接。

圖7 nRF905模塊與STC單片機接口電路

3.2.3 GPS模塊及GSM模塊

采用Leadtek(麗臺)公司推出的一款功能強大、性能卓越的GPS9808模塊。它的熱啟動時間小于8 s;重捕時間小于 0.1 s;定位精度在差分模式(DGPS)下小于5 m;接口采用串行TTL電平，數據格式支持標準NMEA 0183、SiRF二進制協議。模塊外部的射頻金屬保護保證了在嘈雜環境下同樣具有最佳性能;外形尺寸為24 mm×20 mm×2.6 mm，功耗為215 mW，非常適合在汽車電子等對功耗體積要求較高的系統中應用［14］。

TC35i是Siemens(西門子)公司專為GSM通信設計的專用模塊。支持中文短信息，工作在EGSM900和GSM1800雙頻段，電源范圍為3.3 V～4.8 V，可傳輸語音和數據信號，通過接口連接器和天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線。SIM電壓為3 V～1.8 V，TC35i的數據接口(CMOS電平)通過AT命令可雙向傳輸指令和數據，可選波特率為300 bit/s～115 kbit/s，自動波特率為1.2 kbit/s～115 kbit/s，它支持Text和PDU格式的SMS(Short Message Service，短消息)［15-16］。

圖 8是 GPS9808模塊和 TC35i模塊與STC11F32XE的接口電路。GPS9808模塊的TXDA是TTL串行數據發送端;RXDA是TTL串行數據接收端;PBRESN是復位引腳，低電平有效，不用時懸空。TC35i模塊中的RXD為TTL串口通信數據發送端，TXD為TTL串口通信數據接收端，分別與單片機的RxD(P3.0)、TxD(P3.1)相連，通過串口發送單片機向GSM模塊發送各種AT命令，完成網絡登錄、讀取SIM卡上電話號碼、發送SMS消息、接收SMS消息等多種功能。TC35i的IGT由單片機P0.1端口提供一個大于100 ms的低脈沖，電平下降持續時間不可超過1 ms，使TC35i進入工作狀態。SIM卡接口采用6引腳卡座。

圖8 GPS模塊和GSM模塊與STC單片機接口電路

3.2.4 汽車閉鎖模塊

要使汽車的發動機停止工作，控制汽油噴射系統的供電電源即可，通過繼電器完成此功能，在汽油噴射系統的電源線上加裝一個常閉型繼電器，通過控制繼電器的開關狀態即可完成對電源的控制。控制噴油系統電源的繼電器斷開，使汽車無法正常燃油運轉，汽車將無法正常啟動;繼電器回到常閉狀態，汽車的汽油噴射系統將恢復正常，汽車正常發動。

當系統微處理器給一個短時的高電平控制信號，RL1吸合后斷開，在RL1吸合瞬間晶閘管Q1導通，R3和C1充電電路開始充電，電路導通繼電器RL2吸合，使A、B兩端導通。微處理器再給一個短時的高電平控制信號時，RL1吸合后斷開，RL1吸合瞬間由于C1兩端為高電平，晶閘管Q2導通，使晶閘管Q1截止，繼電器斷開，即A、B兩端斷開。此電路的設計防止繼電器在車輛行駛過程中發生意外斷開。繼電器電路只有在微處理器給出一個短時的高電平控制信號時才會工作，控制信號端長時間保持高電平或長時間保持低電平都不能使繼電器閉合［17］。圖9是繼電器工作電路圖。

圖9 繼電器工作電路圖

4 系統軟件設計

系統軟件設計采用模塊化編程，也進行兩部分的編寫，即手持酒精檢測系統軟件設計和汽車閉鎖及短信發送系統部分軟件設計。

4.1 手持酒精檢測系統的軟件設計

本部分主要包括傳感器數據采集程序、數據信息融合、LCD液晶顯示程序、無線通信程序等。

為確保酒精傳感器檢測的準確性，使用MSP430F135內部自帶12 bit模數轉換器，可以實現對三路模擬信號同時進行采樣，完成3個MQ-3酒精傳感器數據的同步采集，以1 000 Hz的采樣頻率進行采樣，由定時器觸發A/D中斷，進入數模轉換，循環采集20次數據，把數據分別保存到3個數組中，存儲到內存緩沖區，即測量的0.02 s內每個傳感器獲得20個數據。為減少采樣誤差和噪聲的影響，采用貝葉斯數據信息融合算法確定傳感器最后采集結果。最后通過傳感器信號與氣體濃度的線性函數關系式計算出當前氣體的濃度。主程序流程圖如圖10所示。

圖10 手持酒精檢測系統流程圖

4.2 汽車閉鎖及無線發送系統部分軟件設計

無線模塊接收到來自手持酒精檢測系統的酒精濃度、酒醉情況和對汽車的控制命令。系統接收到命令后，啟動汽車閉鎖控制使汽車無法啟動，GPS模塊工作以確定汽車當前的位置。然后系統編譯包括酒精濃度、酒醉情況和汽車位置信息內容，通過GSM模塊發送到系統預設的聯系人手機上。主程序流程圖如圖11所示。

圖11 汽車閉鎖及無線發送系統流程圖

5 結論

把防酒后駕駛技術設計成為車載系統能夠有效預防酒后駕車引發的交通事故。本系統中選用成本低廉的MQ-3酒精傳感器構成多傳感器結構對駕駛員體內酒精濃度進行檢測，應用貝葉斯估計的多傳感器數據融臺方法，充分利用了先驗知識，降低傳感器故障對檢測系統的影響，提高檢測的準確性和可靠性。系統檢測到駕駛員體內酒精濃度超過20 mg/100 mL時，控制汽車閉鎖裝置使汽車無法發動，同時立刻把汽車位置和酒醉情況通過移動通信網絡發送給系統預設的聯系人，確保駕駛員遠離酒后駕車，保障生命安全。系統具有方便攜帶，功耗低造價低等特點，對預防酒后駕車具有很好的效果，在實際應用中具有很好的應用價值。

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楊志剛(1989- )，男，漢族，籍貫所在地河南省禹州市，中北大學碩士研究生，主要研究方向嵌入式系統與多傳感器信息融合技術，yzgsci@163.com;

孟立凡(1956- )，女，漢族，中北大學教授，主要研究方向為現代傳感理論與技術、光電儀器及技術。1996年12月至1998年1月日本千葉大學高級訪問學者。主編有《傳感器原理及技術》高等學校教材，撰寫論文二十余篇，其中一級論文、核心期刊論文、EI收錄論文10余篇。發明專利一項。主持完成10余項省部級課題，menglifan@nuc.edu.cn;

徐 青(1989- )，女，漢族，中北大學碩士研究生，主要研究方向X射線無損檢測與圖像處理技術等方面的研究，sizhuqingsci@163.com。

Design of the Anti-Drink Driving System Based on Bayes Data Fusion

YANG Zhigang1，2，MENG Lifan1，2*，XU Qing2
(1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051China))

In order to effectively prevent drink driving，multiple MQ-3 alcohol sensors and low-power microcontroller are applied and the method of data fusion based on Bayes estimation is used to design of the hand-held alcohol detect system.When the system detects the alcohol concentration of driver’s blood above 20 mg/100 mL，starting the car latch control makes it do not start.Positioning car location by GPS module，the degree of intoxication and car’s location information is sent to the default contact person of the system by using messaging function of the GSM module.The system improves the accuracy and reliability of test results，low-power consumption，easy to carry and has a good effect on the prevention of drunk driving.

alcohol concentration detection;anti-drink driving system;bayes data fusion;MQ-3 alcohol sensor; low-power

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.033

TP212.9

A

1005－9490(2014)02－0322－06

2013-05-23修改日期:2013-06-16

EEACC:7210;7230