基于智能網(wǎng)聯(lián)車輛模型的駕駛員酒后駕駛檢測(cè)系統(tǒng)研究

(廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510430)

0 引言

目前常見(jiàn)的檢測(cè)酒后駕駛的方式是使用吹氣式檢測(cè)儀對(duì)道路上的車輛逐一進(jìn)行檢查，這種方式只能抽檢部分駕駛員的酒后駕駛狀態(tài)，而不能對(duì)駕駛員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[1]。

基于現(xiàn)狀，研究一款基于智能網(wǎng)聯(lián)的酒后駕駛檢測(cè)裝置，能夠?qū)崟r(shí)自動(dòng)檢測(cè)駕駛員的狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到駕駛員處于酒后駕駛時(shí)，車載終端會(huì)發(fā)出報(bào)警并且將數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，通過(guò)多種方式停止駕駛員的酒后駕駛行為。智能網(wǎng)聯(lián)汽車作為當(dāng)前重要的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向，將酒后駕駛檢測(cè)功能融入其感知和決策當(dāng)中[2]。本文建立了智能網(wǎng)聯(lián)的多層級(jí)模型，計(jì)算出傳感器輸出電壓與實(shí)際酒精含量之間的擬合曲線[3]，研究設(shè)計(jì)了上位機(jī)監(jiān)控中心功能模塊。

1 智能網(wǎng)聯(lián)汽車體系結(jié)構(gòu)搭建

根據(jù)車輛數(shù)據(jù)流的獲取與處理過(guò)程來(lái)劃分，智能網(wǎng)聯(lián)汽車體系結(jié)構(gòu)可以分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層等層級(jí)。每個(gè)層級(jí)都有具體的功能定位[4]。

a.感知層。感知層主要的功能是獲取車輛內(nèi)部和外部信息的有效信息，并且將數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。主要是依靠各種傳感器，比如酒精檢測(cè)傳感器、GPS全球定位系統(tǒng)和攝像頭等，還可以獲取汽車CAN總線上的數(shù)據(jù)。

b.網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層主要是將感知層獲取的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，以實(shí)現(xiàn)車-車、車-路、車-監(jiān)控中心之間的通信。主要是通過(guò)藍(lán)牙、3G/4G等無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)[5]。

c.決策與應(yīng)用層。后臺(tái)監(jiān)控中心接收網(wǎng)絡(luò)層傳輸過(guò)來(lái)的信息之后，進(jìn)行分析與處理，做出決策，在目前階段，決策信息主要起到提醒、預(yù)警、緊急情況處理等功能，駕駛員掌握車輛的主動(dòng)權(quán)。按照技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，未來(lái)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛和無(wú)人駕駛[6]。本文所搭建的智能網(wǎng)聯(lián)汽車三層體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能網(wǎng)聯(lián)汽車三層體系結(jié)構(gòu)

2 酒后駕駛檢測(cè)終端的研究

按照智能網(wǎng)聯(lián)汽車的三層級(jí)體系結(jié)構(gòu)，本次車載終端融合的傳感器數(shù)據(jù)有GPS位置數(shù)據(jù)、酒精含量檢測(cè)數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)層采用4G模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。核心處理器使用STM32F103VCT6。首先通過(guò)酒精傳感器檢測(cè)駕駛員是否處于酒后駕駛狀態(tài)及其酒精含量，GPS傳感器獲取地理位置信息。將酒精含量和地理位置信息在車載終端的顯示屏上顯示，并且也將信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳至監(jiān)控中心。當(dāng)駕駛員處于酒后駕駛時(shí)，車載終端會(huì)發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警，同時(shí)后臺(tái)接到信息之后也可以通過(guò)電話警告、勒令駕駛員停止駕駛，以提高行駛安全[7]。

2.1 酒后駕駛檢測(cè)終端總體設(shè)計(jì)方案

該終端由微處理器、酒精傳感器、GPS定位傳感器、4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊以及報(bào)警裝置等組成。酒精傳感器內(nèi)部電阻隨著檢測(cè)到的酒精含量變化而變化，向模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出不同的電壓值，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送入微處理器進(jìn)行分析處理，將酒精含量信號(hào)和車輛的位置信息通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)模塊傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。同時(shí)將酒精含量與微處理器內(nèi)部設(shè)置的報(bào)警閥值對(duì)比，判斷是否飲酒或者醉酒駕車，將測(cè)得的酒精含量通過(guò)液晶板顯示出來(lái)并根據(jù)實(shí)際情況給予語(yǔ)音報(bào)警提醒[8]。智能網(wǎng)聯(lián)酒后駕駛檢測(cè)系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 智能網(wǎng)聯(lián)酒后駕駛檢測(cè)系統(tǒng)流程

2.2 酒精傳感器檢測(cè)算法研究

結(jié)合性能要求和使用場(chǎng)合，本文采用了具有靈敏度較好，使用時(shí)間較長(zhǎng)的TGS822酒精傳感器。

酒精傳感器的電路如圖3所示。其由2部分構(gòu)成[9]：一部分是傳感器加熱；另一部分是信號(hào)輸出。能夠測(cè)量出傳感器表面電阻Rs變化，而Rs的變化與加載在RL電阻兩端的電壓VRL直接關(guān)聯(lián)，兩者之間的關(guān)系為

(1)

VC為加熱電壓,電路中為5 V；RL為負(fù)載電阻，為10 kΩ。

圖3 傳感器電路

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，在溫度26 ℃，無(wú)酒精含量純空氣的條件下，輸出端VRL=0.26 V，根據(jù)式(1)可以計(jì)算出此時(shí)RS為19 833 Ω。根據(jù)該傳感器的靈敏度特性圖可知，該傳感器電阻比(RS/RO)在純空氣中為17.5，RO是酒精含量為300 ppm時(shí)的電阻值，可求得RO值為1 133 Ω。根據(jù)RO的固定值和傳感器的靈敏度特性圖，可以計(jì)算出不同酒精含量下對(duì)應(yīng)的RS值[9]，再根據(jù)式(1)求解出不同酒精含量下輸出電壓值VRL。

本次設(shè)計(jì)時(shí)選取了酒精含量在10～500 ppm之間的多個(gè)數(shù)值，對(duì)于酒精氣體，符合

(2)

X表示酒精的質(zhì)量濃度，單位為mg/L；C為酒精以ppm表示的含量；M為氣體分子量；T為溫度；Ba為壓力。再利用MATLAB擬合出酒精含量和輸出電壓之間的曲線關(guān)系。在程序設(shè)計(jì)中可以用多項(xiàng)式表示此曲線關(guān)系，由此可以根據(jù)輸出電壓求出氣體狀態(tài)的酒精含量[10]。實(shí)驗(yàn)選取的多個(gè)特定酒精含量與其對(duì)應(yīng)的電壓值關(guān)系如表1所示。

表1 酒精含量(ppm)與輸出電壓VRL對(duì)應(yīng)

為了使結(jié)果更為精確，采用分段擬合的方式。利用MATLAB工具，擬合酒精含量與輸出電壓之間的曲線和多項(xiàng)式關(guān)系[11]。

y= 0.255 7x4- 0.385 1x3- 13.362x2+

70.374x- 50.179

(2)

y為酒精含量，以百萬(wàn)分比ppm表示；x為測(cè)得的輸出電壓，單位為V。

根據(jù)上述在不同含量下的擬合關(guān)系，可以根據(jù)輸出電壓計(jì)算出被測(cè)酒精氣體含量。

2.3 GPS定位功能模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)檢測(cè)到駕駛員處于酒后駕駛時(shí)，后臺(tái)監(jiān)控中心需要實(shí)時(shí)獲取車輛的位置，在車載終端內(nèi)置了GPS模塊。GPS芯片不斷地向微處理器發(fā)送定位信息。選擇VK162芯片，該芯片上電后自動(dòng)輸出NMEA0183格式的位置信息，若定位傳感器輸出的數(shù)據(jù)起始為“$GPRMC”，且數(shù)據(jù)狀態(tài)若為“A”則是有效數(shù)據(jù)，進(jìn)行下一步處理，若為“V”則是無(wú)效數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)舍棄。軟件處理時(shí)利用判斷“，”間隔來(lái)提取其中的時(shí)間、經(jīng)度、緯度等信息，并且通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，以實(shí)現(xiàn)車輛位置的實(shí)時(shí)監(jiān)控。緯度信息在GPRMC格式的第3個(gè)與第4個(gè)逗號(hào)之間，經(jīng)度信息在第5個(gè)與第6個(gè)逗號(hào)之間[12]。

2.4 無(wú)線網(wǎng)聯(lián)模塊研究

智能網(wǎng)聯(lián)汽車的網(wǎng)絡(luò)層，是將車載終端感知到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)監(jiān)控中心。傳輸?shù)姆绞接兴{(lán)牙、紅外和3G/4G等等，考慮車輛實(shí)際使用情況以及傳輸距離、速率等因素，選擇4G網(wǎng)絡(luò)模塊。本次選擇的是4G DTU透?jìng)髂KUSR-LTE-7S4。通過(guò)串口AT指令、網(wǎng)絡(luò)AT指令和短信AT指令控制4G模塊的傳輸，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心和網(wǎng)絡(luò)終端之間的信息雙向傳輸。工作電壓為DC 5～16 V。4G模塊與微處理器之間通過(guò)串口來(lái)通信，與監(jiān)控中心之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)AT指令和短信AT指令來(lái)通信。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程如圖4所示。

圖4 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程模型

2.5 其他功能研究與設(shè)計(jì)

為將酒精含量模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，采用的AD模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片是PCF8591。PCF8591是一款典型的A/D轉(zhuǎn)換芯片。AD在進(jìn)行初始化后，根據(jù)式(4)可以將檢測(cè)到酒精轉(zhuǎn)換為電壓值，即

(4)

VIN為輸入電壓；D為采集的數(shù)據(jù)字節(jié)；VREF為AD的參考電壓,為5 V。

為了改善用戶體驗(yàn)，車載終端內(nèi)置的報(bào)警采用YF017語(yǔ)音芯片，YF017可以通過(guò)微處理器IO口控制多段語(yǔ)音的調(diào)用與播放。在YF017芯片中存儲(chǔ)多段語(yǔ)音片段，在程序中給相應(yīng)數(shù)量的脈沖觸發(fā)其播放相應(yīng)的語(yǔ)音片段。語(yǔ)音芯片連接電路如圖5所示。

圖5 語(yǔ)音芯片連接電路

系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的不同的酒精含量值，發(fā)出不同的語(yǔ)音報(bào)警，設(shè)定飲酒和醉酒2種閾值，并且配以相應(yīng)的指示燈。當(dāng)含量處于飲酒時(shí)系統(tǒng)發(fā)出飲酒的語(yǔ)音報(bào)警并且黃燈一直閃爍，當(dāng)含量處于醉酒時(shí)系統(tǒng)發(fā)出醉酒的語(yǔ)音報(bào)警并且紅燈一直閃爍。

3 上位機(jī)監(jiān)控中心的研究

上位機(jī)是智能網(wǎng)聯(lián)汽車的應(yīng)用和決策層，用來(lái)接收車載終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并且根據(jù)情況作出相應(yīng)的處理，車載終端的4G網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心的Internet網(wǎng)絡(luò)之間采用Socket的方式進(jìn)行通信，監(jiān)控中心采用Visual Basic進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中的Winsock控件可以很好地完成Socket通信功能，主要的流程是首先服務(wù)器打開(kāi)Listen監(jiān)聽(tīng)，客戶端發(fā)出連接請(qǐng)求，雙方建立連接，服務(wù)器接收并獲取數(shù)據(jù)，關(guān)閉連接完成整個(gè)過(guò)程。可以實(shí)現(xiàn)車載終端與監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸。

監(jiān)控中心利用Visual Basic語(yǔ)言中的瀏覽器控件設(shè)計(jì)了一個(gè)電子地圖的加載，接收到車載終端傳來(lái)的經(jīng)度和緯度信息之后，根據(jù)經(jīng)度和緯度信息可以實(shí)時(shí)顯示車輛所在的位置[13]。

上位機(jī)監(jiān)控中心設(shè)計(jì)了Access數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)了所有被監(jiān)控車輛的基本信息，比如車主姓名、車牌號(hào)和緊急聯(lián)系電話等。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸某輛車酒精含量超標(biāo)時(shí)，立刻進(jìn)行后臺(tái)比對(duì)，顯示出該車輛的基本信息和實(shí)時(shí)位置，立即采取有效的措施。

4 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)論

對(duì)設(shè)計(jì)的車載終端和上位機(jī)監(jiān)控中心進(jìn)行了試驗(yàn)研究。選取多位飲酒量不同的測(cè)試者進(jìn)行測(cè)試，在該系統(tǒng)啟動(dòng)預(yù)熱之后，系統(tǒng)LCD顯示屏顯示檢測(cè)到的呼氣酒精含量，其測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)

按相關(guān)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)血液中酒精含量值可以通過(guò)呼出氣體中酒精含量值乘以2 200得到。分析表明該系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與主流的呼氣式酒精檢測(cè)儀檢測(cè)結(jié)果誤差在5%以內(nèi)。對(duì)于超過(guò)設(shè)定報(bào)警閾值的測(cè)試者車內(nèi)會(huì)響起語(yǔ)音報(bào)警，監(jiān)控中心收到該數(shù)據(jù)和車輛的地理位置信息，點(diǎn)擊“打開(kāi)電子地圖”，會(huì)實(shí)時(shí)顯示車輛所在的位置，管理人員可以拔打緊急聯(lián)系電話阻止駕駛員酒后駕駛。

通過(guò)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性，將駕駛員酒后駕駛狀態(tài)融入到智能網(wǎng)聯(lián)數(shù)據(jù)中，進(jìn)行統(tǒng)一集成與管理。

5 結(jié)束語(yǔ)

介紹了一種基于智能網(wǎng)聯(lián)汽車的酒后駕駛檢測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)駕駛員的酒后駕駛狀態(tài)并且傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，將駕駛員酒后駕駛與車輛智能網(wǎng)聯(lián)融合，實(shí)現(xiàn)了車輛位置的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以有效地減少酒后駕駛行為，保障生命財(cái)產(chǎn)安全。本方案對(duì)智能網(wǎng)聯(lián)汽車和酒后駕駛檢測(cè)的研究提供了有效的技術(shù)支撐。