分布式GSM酒駕監(jiān)控裝置的設(shè)計(jì)

周棚 瞿珊 韋曉迪 蔣冰封

【摘要】針對(duì)當(dāng)前酒駕嚴(yán)重難管理的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種分布式GSM酒駕監(jiān)控裝置。該裝置使用STC89C52RC單片機(jī)作為終端，使用MQ-3酒精濃度傳感器對(duì)車艙內(nèi)氣體狀況進(jìn)行分布式檢測(cè)；采用STM32單片機(jī)作為主控端，對(duì)終端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)采用合適的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行耦合計(jì)算，從而判斷酒精來(lái)源和濃度。

【關(guān)鍵詞】酒精檢測(cè)；單片機(jī)；GSM通信

酒駕將導(dǎo)致嚴(yán)重的交通事故，在交警出勤能力有限的情況下，無(wú)法對(duì)駕駛員狀態(tài)進(jìn)行完全的監(jiān)控，而本設(shè)備借助覆蓋絕大部分地區(qū)的GSM網(wǎng)絡(luò)，可輔助交警實(shí)時(shí)監(jiān)控全部駕駛員的狀態(tài)。相對(duì)于當(dāng)前主流的酒駕檢測(cè)手段，本套裝置能實(shí)時(shí)全天候監(jiān)控，大大降低了交警的出勤強(qiáng)度。本裝置采用分布式終端設(shè)計(jì)，可檢測(cè)車艙內(nèi)多點(diǎn)的氣體狀況，根據(jù)傳感器位置和酒精濃度數(shù)據(jù)，建立艙內(nèi)氣體狀況分布的數(shù)學(xué)模型，能夠準(zhǔn)確地判斷酒精源和酒精濃度。

1.系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

本裝置分為終端和主控端兩個(gè)部分。終端由STC89C52RC單片機(jī)、MQ-3酒精傳感器、PCF8591AD轉(zhuǎn)換器及NRF24L01無(wú)線通信模塊組成，主控端由STM32F103ZET6單片機(jī)、NRF24L01無(wú)線通信模塊、2.8英寸彩色LCD顯示屏、蜂鳴器、TC-35GSM通信模塊等組成。每個(gè)主控端與4個(gè)終端組合工作，主控端與終端通過(guò)NRF24L01進(jìn)行通信。MQ-3酒精傳感器能有效檢空氣中酒精含量，輸出為模擬量，通過(guò)PCF8591AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，STC89C52RC單片機(jī)收到數(shù)值信號(hào)后轉(zhuǎn)換為酒精濃度值后通過(guò)NRF24L01發(fā)送給主控端。主控端收到信號(hào)后根據(jù)傳感器的分布及酒精濃度值進(jìn)行耦合計(jì)算，得到酒精源及酒精濃度數(shù)據(jù)，顯示在屏幕上，并以此判斷駕駛員是否酒駕。當(dāng)酒精濃度超過(guò)閥值時(shí)，裝置發(fā)出提示信息警告駕駛員，并將相關(guān)信息通過(guò)TC-35GSM模塊以短信形式發(fā)送至相關(guān)部門。

圖1 硬件系統(tǒng)

2.硬件系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 MQ-3酒精傳感器

QM-3氣敏元件，是以復(fù)合金屬氧化物為主體材料的N型半導(dǎo)體氣敏元件，當(dāng)元件接觸乙醇蒸汽時(shí)，其電導(dǎo)率隨氣體濃度增加而迅速升高。其對(duì)汽油蒸汽有抗干擾能力、靈敏度高、響應(yīng)速度好、壽命長(zhǎng)、工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。重要技術(shù)技術(shù)指標(biāo)有：

加熱電壓：DC 5±0.2V

負(fù)載電阻：4KΩ（或可調(diào)）

靈敏度：5（在100ppm25 CH蒸汽中）

分辨率：3（在100ppm汽油蒸汽中）

恢復(fù)時(shí)間：30S

元件功耗：0.7W

監(jiān)測(cè)范圍：50-5000ppm

2.2 STM32F103ZET6單片機(jī)

ST公司的STM32F103ZET6芯片基于ARM Cottex-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率最高可達(dá)72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（64 KB的閃存和20 KB的SRAM），豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。STM32系列提供了全新的32位產(chǎn)品選項(xiàng)，結(jié)合了高性能、實(shí)時(shí)、低功耗、低電壓等特性，同時(shí)保持了高集成度和易于開發(fā)的優(yōu)勢(shì)，將32位MCU世界的性能和功效引向一個(gè)新的級(jí)別。

2.3 TC-35GSM模塊

TC35是西門子公司生產(chǎn)的一款雙頻900/1800MHZ高度集成的GSM模塊。它使用AT命令編程，易于集成，可以在較短的時(shí)間內(nèi)花費(fèi)較少的成本開發(fā)出新穎的產(chǎn)品；通信方式為全雙工串行通信，無(wú)論是與電腦通信進(jìn)行開發(fā)還是與微處理器進(jìn)行通信開發(fā)都非常容易，編程簡(jiǎn)單。

圖2 系統(tǒng)工作框圖

3.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本裝置軟件系統(tǒng)主要由51單片機(jī)的AD配置、51單片機(jī)的NRF24L01配置、STM32單片機(jī)的NRF24L01配置、STM32單片機(jī)的液晶驅(qū)動(dòng)、STM32單片機(jī)的串口通信5個(gè)部分組成。STC89C52RC單片機(jī)定時(shí)器1設(shè)定為工作模式1，12M晶振每0.1秒進(jìn)行一次采樣，十次采樣數(shù)值的平均值作為一個(gè)有效值發(fā)送給主控端。PCF8591是具有I2C總線接口的8位A/D及D/A轉(zhuǎn)換器，采用標(biāo)準(zhǔn)I2C通信協(xié)議進(jìn)行讀寫操作。NRF24L01采用四線SPI通信協(xié)議進(jìn)行工作模式配置及數(shù)據(jù)收發(fā)操作，通過(guò)工作模式的配置，可以使它不工作時(shí)進(jìn)入掉電模式，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)進(jìn)入發(fā)送模式或接受模式，以節(jié)省電能。

主控端收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行耦合計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果送至顯示屏顯示，當(dāng)酒精源為駕駛員位置切濃度超過(guò)閥值時(shí)，通過(guò)TC-35發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)到相關(guān)部門。STM32系列單片機(jī)采用了SFMC 存儲(chǔ)器擴(kuò)展技術(shù)，SFMC在外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用需要，方便地進(jìn)行不同類型大容量靜態(tài)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。因此，采用16位SFMC對(duì)2.8寸液晶進(jìn)行讀寫操作，非常容易實(shí)現(xiàn)液晶的驅(qū)動(dòng)和現(xiàn)實(shí)內(nèi)容的刷新。TC-35GSM模塊采用標(biāo)準(zhǔn)AT指令集進(jìn)行控制，其通信方式為標(biāo)準(zhǔn)串行通信。在本裝置中TC-35采用PDU格式進(jìn)行短信收發(fā)，在寫入接收號(hào)碼時(shí)要進(jìn)行編碼操作，號(hào)碼的每個(gè)字節(jié)的高低位互換，末尾號(hào)碼是半字節(jié)的話，另外半字節(jié)用F替代；所發(fā)短信的中文內(nèi)容編碼為UNICODE碼，程序中固化的短信內(nèi)容均要轉(zhuǎn)換為UNICODE碼之后再由串口發(fā)送給TC-35模塊。

4.總結(jié)

在本裝置的設(shè)計(jì)中，采用分布式終端監(jiān)控采樣結(jié)合數(shù)學(xué)建模進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，較之單一式檢測(cè)設(shè)備，更能有效判斷車艙內(nèi)的酒精來(lái)源及濃度，判斷的準(zhǔn)確性有明顯的提高。此外，對(duì)GSM模塊的進(jìn)一步利用上，結(jié)合車載GPS裝置，可以增加如一鍵呼叫家人、一鍵呼叫代駕服務(wù)等特色擴(kuò)展功能，有力地保障了人們駕車出行的安全。

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本文為湖北民族學(xué)院2013年大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目校級(jí)項(xiàng)目論文（項(xiàng)目編號(hào)：2013Z004）“GSM汽車酒駕監(jiān)控報(bào)警裝置”。