自動識別酒駕與事故報警系統

李莎莎，李 娟

(1.黑龍江工程學院，哈爾濱 150050；2.哈爾濱工程大學，哈爾濱 150001)

酒后駕駛是導致高速公路嚴重交通事故及人員死亡的主要原因之一。為了預防這些事故的發生，在駕駛員處于酒駕狀態時，車輛不應啟動。文中采用酒精傳感器來檢測駕駛員是否酒駕，并在事故發生的第一時間，傳遞事故信息到指定人員或部門，以便第一響應者能夠迅速采取行動，對受傷人員進行及時搶救及治療。為此，系統集成了板載壓力傳感器、MEMS傳感器和攝像頭等傳感器將事故發生的詳細信息以及實時情況發送至已注冊的電子郵件或電話號碼，并可實時顯示攝像機采集到的車輛和人員狀態[1]。

文中設計的系統采用射頻識別技術(RFID)取代傳統條形碼掃描，通過射頻信號自動識別車輛并獲取相關信息。射頻識別技術識別工作無需人工干預，且無接觸與瞄準；可自由工作在各種惡劣環境；搭配低功率密度無源標簽又具有價格低廉的優勢。該項技術的開發已被成功應用于各個領域，郭洪波和Miodrag bolic設計一種基于純樹法的RFID系統，應用在汽車防撞系統中[2]。Halifeng Wu和曾宇通過擴展現有算法，開發一種新穎的標簽防沖突算法模型，有效提升了識別系統的標簽識別效率，實驗證明采用該方法進行分配，可以有效減少識別標簽結果與其他隱藏標簽之間的沖突[3]。王洪剛，裴長興和蘇波設計一種用于有源RFID系統的高效無沖突中介協議系統[4]。在該協議中，引入了一種包含沖突避免、沖突檢測和快速進入標簽的更新機制。Fatemeh Nafar和Hossein Shamsi設計并實現了基于RFID-GSM對車輛進行有效識別的系統，該系統與2.4 GHz的IEEE802.15.4相兼容，可在單一觀測站中對不同公路的車輛進行完整識別[5]。

文中的研究目標是通過汽車安全系統的開發與設計，在發生事故時有效縮短救援時間。設計的系統通過RFID-Cloud的公路車輛識別系統跟蹤車輛[6-8]，用車載GPS定位，視覺傳感器提取事故及人員圖像信息，同時車載FMCW雷達對車輛速度以及與前車距離進行測量，有效預防車輛碰撞的發生。文中提出一種等待時間短和精確度高的RFID計數操作系統，亦可作為大型RFID系統中的基本構件，可有效提高車輛識別系統的查詢性能。

1 系統工作原理

在預防事故發生及事故救援中，車輛的預先識別及定位是尤為重要的，可將識別系統加裝在高速公路收費站處，識別系統包括一個射頻識別讀取器和兩個標簽。標簽1是原始的RFID標簽，標簽2是用于防盜的RFID標簽[9]。系統中的FMCW雷達用于車輛距離、速度和角度的測量，以提前預防事故的發生。RFID是一種自動識別技術，可通過射頻信號來識別標記的對象[10]。一般有3種獲取RFID標簽的方法：有源標簽、無源標簽和半無源標簽[11]。文中設計的系統中使用的是有源標簽，因為射頻識別對有源標簽的識別效果更好[12]，防盜標簽是與車輛綁定的，由途經的收費站掃描確認，以防止被他人盜用。系統中添加諸如MEMS和壓力傳感器來檢測事故發生時的沖擊強度。板載微型控制器可在發生事故時將事故信息發送出去。該系統的實施過程如下：首先通過酒精傳感器對駕駛員進行酒精含量檢測，如發現酒精含量超標則關閉汽車發動機裝置，汽車將無法啟動。如果發生任何事故，MEMS和壓力傳感器會自動識別沖擊類型及強度，隨后開啟攝像機捕獲圖像，車載GPS獲取車輛位置信息，通過騰訊云服務將事故信息發送至用戶注冊的手機號碼。

系統原理如圖1所示。基于RFID-Cloud的車輛識別和監控系統的組件包括：Raspberry pi3、RFID閱讀器、收費站、RFID標簽、攝像頭、酒精傳感器、MEMS傳感器、壓力傳感器、GPS定位組件、直流電動機、蜂鳴器和MCP3208IC ADC。

MEMS傳感器采用單晶硅作材料，以MEMS技術在材料中間制作成力敏膜片，然后在膜片上擴散雜質形成4只應變電阻，再以惠斯頓電橋方式將應變電阻連接成電路，來獲得高靈敏度。MEMS傳感器由MEMS單元、ASIC單元、解耦單元、連接線以及附著體PCB組成。具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性強、易于集成和實現智能化等優點。系統中MEMS傳感器主要檢測及記錄氣囊壓力、燃油壓力、進氣管道壓力及輪胎壓力等。傳感器中集成的ASIC單元，可將模擬信號直接轉換成數字信號輸出，因此，可以直接與Raspberry pi3進行通信。

圖1 系統原理

系統中酒精傳感器是設備組成的重要部分，用于檢測酒精濃度，可有效避免由于酒駕而導致的意外。MQ135酒精傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的SnO2。電路如圖2所示[13]。當傳感器所處環境中酒精濃度較高時，傳感器電導率隨空氣中酒精氣體濃度的增加而增大。通過簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的模擬輸出信號，但是Raspberry pi3處理的是數字信號。因此，這兩個接口無法直接連接。系統通過MCP3208-Bi / P單片機將酒精傳感器的模擬信號轉換為數字信號，以保證與Raspberry pi3的通信。

圖2 MQ135酒精傳感器電路

2 結果與討論

整體系統的設計由硬件部分和軟件部分組成，硬件部分主要包括讀取器、各類傳感器及電機等，軟件部分包括Raspbian Php和騰訊云帳戶。Php&HTML用于手機網頁監視。MCP3208IC ADC、蜂鳴器用于硬件的控制及報警。系統根據酒精傳感器檢測駕駛人員酒精濃度是否超標，以此作為控制車輛是否可以正常啟動的依據。在運動過程中，如果發生任何事故，壓力傳感器和MEMS傳感器記錄并匯總各項監測數據，分析車輛沖撞和損毀程度，同時啟動視覺傳感器記錄影像，GPS位置(緯度，經度)的詳細信息一并通過Cloud帳戶在注冊的手機中顯示。

FMCW雷達在系統中用于防撞的提前預警[14]。FMCW雷達系統發射信號的時域及頻域波形如圖3所示[15-17]。具體雷達參數包括：工作頻率77 GHz，周期7.33 s，帶寬150 MHz，最大中頻頻率27.30 MHz，采樣頻率150 MHz，目標探測最大距離200 m，距離分辨率1 m，目標最大速度230 km·h-1。

圖3 FMCW雷達系統發射信號的時域及頻域波形

圖4是系統測量范圍-速度響應，在多普勒頻移測距的響應范圍中，可以看到前方的汽車距離40 m多一點，并且看上去幾乎是靜止的。 這是因為汽車相對于雷達的徑向速度為4 km·h-1，僅相當于1.11 m·s-1。

圖4 范圍-速度響應

對目標汽車行駛距離和速度的估算重點在于拍頻和多普勒頻移的提取[18-20]。本系統使用MUSIC算法提取拍頻和多普勒頻移，用來計算目標距離及速度。

通常情況下，系統的采樣頻率是150 MHz，可以實現所需的距離分辨率，但實際在去調頻信號后，僅需要以對應于最大拍頻的速率對其進行采樣即可達到所需分辨率。由于最大拍頻通常小于所需的掃描帶寬，因此，可以抽取信號達到有效減輕硬件成本的效果。

3 結束語

文中設計一套汽車自動識別酒駕和事故報警系統，該系統在python框架中構建代碼，因為該框架對于Raspberry pi3、騰訊云服務以及各類傳感器兼容性較好。酒精、MEMS、壓力傳感器的模擬輸出通過使用MCP3208IC ADC與Raspberry pi3進行兼容。使用騰訊云服務將收集的事故照片及視頻上傳到云中。通過基于高速公路上使用的RFID-Cloud車輛識別系統，對高速公路上的車輛事故進行預防及監控，同時融合FMCW雷達的防碰撞信息，實現高速公路上車輛的自動掃描識別，以及對車輛的實時監控，有效地提升駕駛人員的安全性，并最大程度地降低交通事故的發生率。