酒駕檢測(cè)與控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

楊康，劉源，曾雅楠

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酒駕檢測(cè)與控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

楊康，劉源通信作者，曾雅楠

（天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，天津 300384）

系統(tǒng)采用酒精傳感器對(duì)駕駛員呼氣中的乙醇濃度進(jìn)行檢測(cè)，單片機(jī)對(duì)采集到的乙醇濃度信息進(jìn)行處理和系統(tǒng)控制。為實(shí)施全程安全監(jiān)控，檢測(cè)和控制分為行車前和行車中兩部分。行車前對(duì)呼氣中乙醇含量檢測(cè)可防止駕駛員醉酒啟動(dòng)車輛，行車中進(jìn)行檢測(cè)，若乙醇含量超標(biāo)，系統(tǒng)則報(bào)警，并提示20 s后停車。除此之外，當(dāng)駕駛員體內(nèi)乙醇含量未超標(biāo)時(shí)，實(shí)時(shí)顯示乙醇濃度，若超標(biāo)，激發(fā)現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警和GSM遠(yuǎn)程電話報(bào)警等功能。

GSM；酒駕；監(jiān)控系統(tǒng)；單片機(jī)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和自駕車數(shù)量的增多，酒后駕駛?cè)藛T越來(lái)越多，由酒駕所引發(fā)的交通事故也越發(fā)頻繁，這對(duì)我國(guó)公共交通安全造成了極大危害。目前，我國(guó)對(duì)酒后駕車人員的檢測(cè)多為手持式酒精測(cè)試儀[1]、頂空氣相色譜儀血液乙醇檢驗(yàn)和車載檢測(cè)，前兩種檢測(cè)手段無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)與控制，車載檢測(cè)則成為未來(lái)的發(fā)展方向，但目前還存在許多控制系統(tǒng)較復(fù)雜、行車中檢測(cè)乙醇濃度超標(biāo)立刻制動(dòng)帶來(lái)危險(xiǎn)等不足，所以進(jìn)行酒駕智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究和開發(fā)，對(duì)人身安全和社會(huì)穩(wěn)定具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、信息處理模塊、GSM遠(yuǎn)程通信模塊、顯示模塊、控制模塊和報(bào)警模塊構(gòu)成。系統(tǒng)組成如圖1所示。該系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，采用酒精傳感器檢測(cè)乙醇濃度。我國(guó)對(duì)酒后駕駛的判定界限為大于100～300 mg/L（血液中乙醇濃度）[2]。當(dāng)司機(jī)體內(nèi)乙醇濃度小于200 mg/L時(shí)，舵機(jī)開啟，司機(jī)可正常駕駛，同時(shí)LCD顯示乙醇濃度，提示安全；當(dāng)司機(jī)處于酒駕時(shí)，舵機(jī)止動(dòng)，車鑰匙無(wú)法插入，蜂鳴器報(bào)警，GSM模塊向親友打電話報(bào)警，LCD提示危險(xiǎn)。當(dāng)乙醇濃度正常時(shí)，有自動(dòng)解鎖功能；車輛啟動(dòng)后，單片機(jī)判斷到乙醇濃度超標(biāo)，會(huì)發(fā)出警報(bào)（蜂鳴器響、警報(bào)燈閃爍），延時(shí)20 s后將自動(dòng)切斷供電電路使汽車制動(dòng)。

圖1 系統(tǒng)組成電路圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

2.1.1 酒精傳感器模塊

系統(tǒng)選用型號(hào)為ZYMQ-3的酒精傳感器模塊來(lái)檢測(cè)司機(jī)呼出氣體中乙醇的濃度，傳感器工作電壓為直流5 V，可輸出8位模擬量和2位數(shù)字量。對(duì)乙醇蒸汽具有很高的靈敏度和良好的選擇性, 乙醇濃度越高，輸出電壓越高。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集電路

系統(tǒng)使用ZYMQ-3的酒精傳感器模塊將采集到的模擬量通過(guò)PCF8591芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，傳送給單片機(jī)，當(dāng)測(cè)得司機(jī)體內(nèi)乙醇濃度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，傳感器報(bào)警，指示燈瞬間點(diǎn)亮，通過(guò)顯示判斷測(cè)量出來(lái)的乙醇值完成后續(xù)的聯(lián)動(dòng)控制。

2.2 GSM通信模塊

GSM模塊主控芯片為GSM-A6芯片，硬件結(jié)構(gòu)主要由MAX232芯片、MP1584（輸入電壓5～9 V）芯片、470 UF鉭電容、2路天線接口、MICROSIM卡座、帶麥耳機(jī)座等構(gòu)成[3-4]。GSM-A6模塊的工作電壓范圍為 3.3～4.2 V，靈敏度＜-105 dBm，系統(tǒng)選用波特率為9 600 bps。

GSM模塊主要用于向親屬電話報(bào)警，當(dāng)乙醇濃度超高，且持續(xù)8 s后，GSM模塊自動(dòng)向親屬打電話報(bào)警，直至乙醇濃度處于正常水平。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在乙醇檢測(cè)控制系統(tǒng)中，舵機(jī)主要用于控制鑰匙孔擋板的運(yùn)轉(zhuǎn)。起始狀態(tài)為舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)其上鐵皮蓋住鑰匙孔。當(dāng)測(cè)得乙醇濃度正常時(shí)，控制擋板順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，露出鑰匙孔，司機(jī)可正常開車。當(dāng)乙醇濃度超標(biāo)時(shí)，舵機(jī)控制擋板歸位，鐵皮蓋住鑰匙孔，司機(jī)無(wú)法行車。

舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。其工作原理是：控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20 ms、寬度為1.5 ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)[5]。

舵機(jī)采用PWM信號(hào)，通過(guò)調(diào)整脈沖的占空比來(lái)改變舵機(jī)的位置。舵機(jī)的控制如圖2所示。

圖2 舵機(jī)的控制

2.4 LCD濃度顯示

系統(tǒng)選用LCD1602顯示屏實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示司機(jī)酒駕狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)初始運(yùn)行時(shí)，GSM模塊準(zhǔn)備聯(lián)網(wǎng)，LCD液晶閃爍顯示直至聯(lián)網(wǎng)成功，并實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前乙醇濃度信息。

2.5 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊是由GSM遠(yuǎn)程報(bào)警、現(xiàn)場(chǎng)濃度超標(biāo)時(shí)蜂鳴器報(bào)警和發(fā)光二極管閃爍報(bào)警3部分組成。蜂鳴器和發(fā)光二極管分別接到單片機(jī)的P1.7和P1.6引腳上。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖3所示。它完成系統(tǒng)進(jìn)行初始化，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析處理，協(xié)調(diào)分配任務(wù)給各個(gè)控制機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)報(bào)警及聯(lián)動(dòng)控制。

圖3 主程序框圖

3.2 控制程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，發(fā)出控制命令，通過(guò)控制程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)舵機(jī)、蜂鳴器、報(bào)警燈及GSM模塊進(jìn)行控制。系統(tǒng)的控制程序分為兩部分即行車前控制程序和行車后控制程序流程圖，如圖4和圖5。

圖4 行車前控制程序

圖5 行車中控制程序

3.3 GSM通訊

GSM模塊工作分3步。第一步，發(fā)送AT空格回車，若返回指令為OK，則表明已與GSM模塊聯(lián)機(jī)。第二步，發(fā)送ATD＋手機(jī)號(hào)碼空格回車，實(shí)現(xiàn)撥打電話指令。第三步，發(fā)送ATH掛斷電話[6-7]。

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)實(shí)物圖如圖6所示。為了實(shí)現(xiàn)GSM模塊與單片機(jī)的通訊，必須要首先實(shí)現(xiàn)GSM模塊與PC機(jī)的聯(lián)機(jī)調(diào)試，通過(guò)PC機(jī)對(duì)GSM模塊進(jìn)行發(fā)送相應(yīng)的指令來(lái)實(shí)現(xiàn)GSM模塊打電話的功能。為方便司機(jī)上車后便能進(jìn)行酒駕檢測(cè)，因而將酒精傳感器裝在方向盤正中央，便于采集乙醇數(shù)據(jù)。考慮到傳感器本身功耗不高，因而采用UPS不間斷電源對(duì)傳感器進(jìn)行持續(xù)供電[8]。

圖6 系統(tǒng)實(shí)物圖

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，若系統(tǒng)的天線功率不夠時(shí)，信號(hào)時(shí)斷時(shí)續(xù)，甚至不能正常實(shí)現(xiàn)撥打電話，因此必須更換天線[9]。

打開串口調(diào)試軟件，選擇相應(yīng)端口，打開串口，點(diǎn)擊發(fā)送字符與接收字符，選擇波特率為9 600 bps。調(diào)試界面指示圖及撥通電話效果圖分別如圖7所示。

圖7 串行通訊調(diào)試界面

舵機(jī)歸位和制動(dòng)示意圖如圖8和圖9所示。

圖8 舵機(jī)歸位

圖9 舵機(jī)制動(dòng)

5 結(jié)論

系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，由單片機(jī)控制數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示、報(bào)警器、汽車制動(dòng)操作。實(shí)現(xiàn)了駕駛員在行車全程中乙醇含量的實(shí)時(shí)檢測(cè)、顯示和控制。行車中的控制方法和用GSM電話向親人報(bào)警方式，在保證安全的前提下，又充分體現(xiàn)了人性化，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

[1] 張浩棟，王娟，蔡維，等. 基于單片機(jī)和手機(jī)的防酒駕系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 大眾科技，2014，16（5）：51-53.

[2] 陳平生. 基于動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整的酒駕識(shí)別研究[J]. 紹興文理學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2013，33（8）：13-18.

[3] 孫丹. 基于GPS/GSM的車載醉酒禁駕系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2013.

[4] 潘朝，羅小巧，黃佳，等. 基于GSM短信的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 電子測(cè)量技術(shù)，2013，36（6）：121-124.

[5] 韓慶瑤，洪草根，朱曉光，等. 基于AVR單片機(jī)的多舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，19（2）：332-334，349.

[6] 邵玲軒，劉源，吳海云，等. 基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的冷藏車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 天津農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，23（3）：39-42

[7] 梁峰，趙金才，都曉鵬，等. 基于ZigBee2007/PRO的智能家居無(wú)線組網(wǎng)設(shè)計(jì)[J]. 天津農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，23（3）：47-50.

[8] 曹海紅. 一種汽車防酒駕監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表，2016（7）：233-234.

[9] 李陽(yáng)，馬洪新. 基于單片機(jī)的防酒駕系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2016（22）：82-83.

責(zé)任編輯：楊霞

Implementation of Drunk Driving Detection and Control System

YANG Kang , LIU YuanCorresponding Author, ZENG Ya-nan

（College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384,China）

In this paper, an intelligent monitoring system of drunk driving (IMSDD) is proposed to monitor the driving system to ensure safety supervision. Alcohol sensor is employed in IMSDD to collect alcohol concentration values acquired by breath testing from the driver. Single chip microcomputer is also applied in the system to process the collected data and then control driving system. The IMSDD monitoring is implemented before driving and in driving. The alcohol testing before driving is to prevent the driver from starting a vehicle, while the testing in driving is to alarm on site and remind the driver of stopping 20 seconds later when the testing result is beyond the legal drink driving limit. Besides, the alcohol concentration is displayed in real time in IMSDD. If the testing result is over the legal drink driving limit, the GSM remote phone is also called to alarm.

GSM; drunk driving; monitoring system; SCM

1008-5394（2017）03-0085-03

U463.6；TP277

A

2017-04-13

天津農(nóng)學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“智能酒駕檢測(cè)與控制系統(tǒng)”（201610061510）

楊康（1993-），男，四川眉山人，本科在讀，主要從事檢測(cè)與控制方面的研究。E-mail：152093296@qq.com。

劉源（1964-），女，廣東興寧人，教授，碩士，主要從事檢測(cè)與控制方面的研究。E-mail：lywzwzly@126.com。