基于車聯(lián)網(wǎng)的智能防酒駕控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬小琴，楊 悅，邵瑞雪，陶 勇

當(dāng)前，中國每年由于酒駕而發(fā)生的車禍?zhǔn)鹿蕯?shù)以萬計(jì)，其中多為司機(jī)一人酒駕而造成多名無辜群眾傷亡.盡管現(xiàn)有法律明確規(guī)定酒駕違法，但仍有不少人不以為然，在交警的嚴(yán)格巡查下依然酒后開車.檢測(cè)是否酒后駕車，主要通過交警使用酒精儀器對(duì)駕駛員進(jìn)行檢測(cè)，這種方法可以從一定程度上減少司機(jī)酒后駕車的行為.然而交警人力畢竟有限，不可能每條道路都部署警力進(jìn)行巡查，于是仍有人存在僥幸心理，酒后開車.隨著車載通信技術(shù)引領(lǐng)車聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，智能防酒駕控制系統(tǒng)將會(huì)取代傳統(tǒng)檢測(cè)手段，成為有效制止酒駕事件發(fā)生的最佳選擇.

1 基于車聯(lián)網(wǎng)的智能防酒駕控制系統(tǒng)

車聯(lián)網(wǎng)是將先進(jìn)的傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等有機(jī)地運(yùn)用于整個(gè)交通運(yùn)輸管理體系而建立起的一種實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的交通綜合管理和控制系統(tǒng)，這項(xiàng)技術(shù)的普及讓人們體驗(yàn)到了科技進(jìn)步帶來的巨大轉(zhuǎn)變［1-2］.本文針對(duì)酒駕行為設(shè)計(jì)了一個(gè)基于多傳感器融合技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)能夠有效地降低酒駕行為，更好地保障駕駛員的人身安全.

1.1 方案設(shè)計(jì)

智能防酒駕控制系統(tǒng)由四個(gè)部分組成，如圖1 所示.系統(tǒng)能夠自動(dòng)提醒駕駛員進(jìn)行檢測(cè)，并采用短距離傳感器和無線通信方式，將酒精傳感器和人體熱釋電紅外傳感器采集到的數(shù)據(jù)，通過無線傳感方式發(fā)送給SOC 單片機(jī)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理分析，如果分析結(jié)果是酒駕，則將結(jié)果發(fā)送至車控模塊，啟動(dòng)鎖車模式進(jìn)行酒駕防控.該系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)啟動(dòng)雙向檢測(cè)酒精濃度，可有效提高檢測(cè)的便捷性和準(zhǔn)確率，增強(qiáng)抗干擾能力，且從一定程度上杜絕人為惡意逃脫酒駕檢測(cè)的行為.

圖1 系統(tǒng)模塊圖

1.2 各模塊實(shí)現(xiàn)

（1）多傳感器數(shù)據(jù)采集模塊.該模塊由酒精傳感器和人體熱釋電紅外傳感器兩部分組成.

①酒精檢測(cè)傳感器.當(dāng)檢測(cè)到酒精濃度時(shí)，MQ-3 乙醇?xì)怏w傳感器輸出信號(hào)，并由信號(hào)調(diào)解電路處理，輸出隨乙醇濃度變化的電壓信號(hào)，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換，該電壓信號(hào)送入單片機(jī)系統(tǒng)，與設(shè)定的醉酒閾值進(jìn)行比較，超過醉酒閥值將進(jìn)行顯示或報(bào)警［3］.

②人體熱釋電紅外傳感器.普通人體溫恒定，平均在37 ℃上下，會(huì)發(fā)射10 μm 的特定波長紅外線，人體熱釋電紅外傳感器可以專門針對(duì)這類射線波長進(jìn)行檢測(cè).人體紅外線照射到傳感器上時(shí)，傳感器會(huì)因熱釋電效應(yīng)向外釋放電荷，后續(xù)電路產(chǎn)生控制信號(hào)，所以可以檢測(cè)人體體溫變化，人體熱釋電紅外傳感器擁有專門的探頭，只對(duì)波長為10 μm 左右的紅外輻射敏感，能夠避免其他物體的干擾［4］.

酒精傳感器和人體熱釋電紅外傳感器同時(shí)采集信息，查詢判定信號(hào)是否滿足設(shè)定的條件，當(dāng)信號(hào)滿足判定條件后，把采集到的信息傳給SOC 單片機(jī)控制系統(tǒng)，SOC 開始梳理信號(hào).

（2）SOC 單片機(jī)控制模板.SOC 系統(tǒng)如圖2所示，當(dāng)接收到多傳感器數(shù)據(jù)采集裝置采集到的信息，通過A/D 轉(zhuǎn)換器把信號(hào)發(fā)送到SOC控制系統(tǒng)，經(jīng)過微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器等模塊的處理分析，然后通過無線射頻前端發(fā)送信號(hào)到下層控制子系統(tǒng)進(jìn)行工作.基于SOC的單片機(jī)控制系統(tǒng)接收到信號(hào)后，對(duì)子層系統(tǒng)進(jìn)行控制處理，觸發(fā)MCU 電路，自動(dòng)提醒裝置、汽車啟動(dòng)控制裝置和GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸裝置進(jìn)行工作.其優(yōu)點(diǎn)是片上互聯(lián)相當(dāng)于城市的快速通道，高速低耗，各種器件之間的信息傳輸集成到一個(gè)芯片上，效率高、成本低廉、生命周期長且可定制.

圖2 SOC 系統(tǒng)工作示意圖

（3）自動(dòng)提醒模塊，該模塊由語音報(bào)警和自動(dòng)鎖車車控兩部分組成.

①語音報(bào)警器.在報(bào)警器中，以8031 單片機(jī)為核心部件，它會(huì)對(duì)SOC 控制系統(tǒng)傳來的信號(hào)進(jìn)行處理，并產(chǎn)生控制信號(hào)控制芯片發(fā)音.在語音部分中，采用的核心部件是ISD1016A，它采用DASI 技術(shù)，在CPU 的控制下方便地進(jìn)行語音的錄入和播放.以下為其語音報(bào)警過程.

當(dāng)多傳感器數(shù)據(jù)采集裝置把采集到的信息發(fā)送到SOC 控制系統(tǒng)，SOC 控制系統(tǒng)檢測(cè)分析得出駕駛員飲酒結(jié)論后，把信息發(fā)送給8155 的PA 口（8031 單片機(jī)本身具有的I/O 口不能滿足需求，故選用8155 進(jìn)行I/O 口的擴(kuò)展），當(dāng)接收到信息時(shí)，報(bào)警器立即轉(zhuǎn)入該路的報(bào)警服務(wù)程序，進(jìn)行語音提醒，連續(xù)提醒三次后，若駕駛員仍執(zhí)意啟動(dòng)汽車，便啟動(dòng)自動(dòng)鎖車系統(tǒng).

②自動(dòng)鎖車車控.在單片機(jī)8013和ISD1016A芯片共同控制下自動(dòng)鎖車模塊開啟，開始語音報(bào)警.連續(xù)提醒三次，若駕駛員執(zhí)意啟動(dòng)汽車，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)鎖車車控系統(tǒng).在語音播報(bào)三次以后鑰匙未停止旋轉(zhuǎn)，自動(dòng)鎖車模塊中單片機(jī)接收到信號(hào)執(zhí)行自動(dòng)鎖車服務(wù)程序，程序運(yùn)行后汽車自動(dòng)熄火，直到雙傳感器信號(hào)正常，自動(dòng)鎖車模式關(guān)閉.

（4）傳感器工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊.當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到傳感器處于無工作狀態(tài)時(shí)，會(huì)判定系統(tǒng)傳感器是否遭受人為惡意破壞或拆卸，如是則轉(zhuǎn)成預(yù)警狀態(tài)，然后觸發(fā)單片機(jī)控制繼電器.在預(yù)警模式下，預(yù)警模塊向各部分不斷發(fā)送信號(hào)，各模塊在收到信息反饋信號(hào)后，檢測(cè)模塊進(jìn)行分析處理，將未發(fā)送反饋信號(hào)模塊報(bào)告到總控制系統(tǒng)，最后控制系統(tǒng)將處理后的指令發(fā)送到GSM 網(wǎng)絡(luò)，并向智能終端發(fā)送系統(tǒng)損壞信息，以便車主及時(shí)進(jìn)行處理.

1.3 系統(tǒng)具體工作流程

系統(tǒng)工作流程圖如圖3 所示.

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

（1）駕駛?cè)藛T進(jìn)入駕駛室進(jìn)行汽車啟動(dòng)，把鑰匙插入鑰匙孔.酒精傳感器和人體熱釋電紅外傳感器安裝在方向盤中，并分別連接啟動(dòng)裝置外圈的正負(fù)極，如圖4 所示.

圖4 啟動(dòng)裝置原理圖

旋轉(zhuǎn)鑰匙，當(dāng)鑰匙旋轉(zhuǎn)到一定角度時(shí)，旋轉(zhuǎn)框分別接觸啟動(dòng)裝置外圈的正負(fù)極，如圖5所示.

圖5 啟動(dòng)裝置旋轉(zhuǎn)圖

電源接通，啟動(dòng)裝置開啟，酒精傳感器和人體熱釋電紅外傳感器開始檢測(cè)，單片機(jī)接收到信號(hào)并進(jìn)行處理.

（2）酒精傳感器和人體熱釋電紅外傳感器重復(fù)采集信息，查詢判定信號(hào)是否滿足設(shè)定的條件，當(dāng)信號(hào)滿足判定條件后，把采集到的信息傳給SOC 單片機(jī)控制系統(tǒng)，SOC 開始梳理信號(hào).若接受到的信號(hào)少于兩條，汽車正常行駛，若同時(shí)接收兩條信號(hào)，SOC 系統(tǒng)判定駕駛員酒駕.

（3）啟動(dòng)自動(dòng)鎖車提醒模塊.在單片機(jī)8013和ISD1016A 芯片共同控制下開始語音報(bào)警，連續(xù)提醒三次，若駕駛員仍執(zhí)意啟動(dòng)汽車，便啟動(dòng)自動(dòng)鎖車系統(tǒng).

（4）在語音播報(bào)三次以后鑰匙未停止旋轉(zhuǎn)，自動(dòng)鎖車模塊中單片機(jī)接收到信號(hào)執(zhí)行自動(dòng)鎖車服務(wù)程序，程序運(yùn)行后汽車自動(dòng)熄火，直到雙傳感器信號(hào)正常，自動(dòng)鎖車模式關(guān)閉.

當(dāng)汽車處于行駛狀態(tài)時(shí)檢測(cè)到駕駛?cè)藛T酒駕或裝置受到破壞時(shí)，單片機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送指令到GSM 網(wǎng)絡(luò)，其接收到指令后及時(shí)向終端發(fā)送信息，并啟動(dòng)傳感燈裝置，這樣行人及道路上的其他車輛可通過感應(yīng)燈的閃爍有效躲避危險(xiǎn)車輛，同時(shí)路段內(nèi)的交警可以通過傳感燈有效排查酒駕車輛.

1.4 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）短距離傳感器和無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.本裝置采用短距離傳感器和無線通信方式，將酒精傳感器和人體熱釋電紅外傳感器采集到的數(shù)據(jù)，通過無線傳感方式發(fā)送給車載防酒駕控制系統(tǒng)，經(jīng)過單片機(jī)處理之后對(duì)汽車進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警及自動(dòng)鎖車.

（2）多渠道信息采集防止誤判，減小檢測(cè)誤差.酒精傳感器可以對(duì)駕駛員進(jìn)行酒精濃度檢測(cè)，同時(shí)人體熱釋電紅外傳感器可以對(duì)駕駛員的人體溫度變化進(jìn)行檢測(cè)，多種信息采集可以極大地提高檢測(cè)裝置的準(zhǔn)確性，防止誤判給駕駛員帶來的不便與困擾.

（3）GSM 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控車載傳感器的工作狀態(tài).采用GPRS 定位裝置和GSM 網(wǎng)絡(luò)通訊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車載傳感器裝置的工作狀態(tài)，防止駕駛員惡意對(duì)裝置進(jìn)行破壞，保障裝置正常工作，進(jìn)而全面保護(hù)駕駛員的人身安全.

2 測(cè)試方案

2.1 測(cè)試環(huán)境搭建

一個(gè)空曠無人的場(chǎng)地，一輛安裝好車聯(lián)網(wǎng)智能防酒駕控制系統(tǒng)的汽車，如圖6 所示，在方向盤骨架中嵌入酒精傳感器，在外表皮a處開出小孔，保證內(nèi)外空氣可以流通，通過駕駛員進(jìn)行酒精檢測(cè)時(shí)吹氣判斷空氣中酒精含量是否超標(biāo).因?yàn)轳{駛員在開車時(shí)手握住方向盤b、c 處，所以在b、c 處表皮內(nèi)部骨架中分別嵌入人體熱釋電紅外傳感器，以便檢測(cè)駕駛員體溫是否異常，單片機(jī)控制模塊則鑲在方向盤內(nèi)部.

自動(dòng)提醒模塊與汽車上的內(nèi)置AUX 相連接，進(jìn)行語音警告.

傳感器工作狀態(tài)監(jiān)控模塊由感應(yīng)燈顯示，感應(yīng)燈安裝在車頂，以方便檢查.當(dāng)監(jiān)控模塊檢測(cè)到傳感器正常工作時(shí)，車頂感應(yīng)燈顯示安全綠色.當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)出現(xiàn)異常，則車頂感應(yīng)燈顯示紅色并利用GSM 網(wǎng)絡(luò)及時(shí)向智能終端發(fā)送指令信號(hào).當(dāng)感應(yīng)燈顯示紅色時(shí)，除了系統(tǒng)自身出現(xiàn)問題之外，還可能是駕駛員破壞了防酒駕控制系統(tǒng).與系統(tǒng)相連接的智能終端在收到信息后，能夠通知機(jī)主駕駛員處于不安全行車中，以便機(jī)主對(duì)駕駛員進(jìn)行勸阻.過路行人和車輛看到感應(yīng)燈變紅時(shí)則會(huì)發(fā)現(xiàn)這是一輛問題車，可以及時(shí)躲避，并方便交警排查.

圖6 傳感器安裝圖

2.2 測(cè)試內(nèi)容

（1）酒精含量超標(biāo)的駕駛員進(jìn)入駕駛室進(jìn)行吹氣酒精檢測(cè)和人體熱釋電紅外傳感器檢測(cè)，觀察系統(tǒng)裝置反應(yīng)（包括車載自動(dòng)提醒裝置，以及自動(dòng)鎖車車控裝置反應(yīng)）.

（2）未喝酒的駕駛員進(jìn)入駕駛室進(jìn)行吹氣酒精檢測(cè)和人體熱釋電紅外傳感器檢測(cè)，觀察系統(tǒng)裝置的反應(yīng)（場(chǎng)景：空曠無人的場(chǎng)地且油門被固定）.

（3）人為損壞或拆卸智能酒駕防控系統(tǒng)裝置，再正常啟動(dòng)車輛行駛.

（4）反復(fù)測(cè)試.

2.3 測(cè)試結(jié)果

（1）未喝酒的駕駛員進(jìn)入駕駛室進(jìn)行吹氣酒精檢測(cè)和人體熱釋電紅外傳感器檢測(cè)，車載自動(dòng)提醒裝置未進(jìn)行工作，車輛能夠正常啟動(dòng).

（2）酒精含量超標(biāo)的駕駛員進(jìn)入駕駛室進(jìn)行吹氣酒精檢測(cè)和人體熱釋電紅外傳感器檢測(cè)，車載自動(dòng)提醒裝置發(fā)出警報(bào)，自動(dòng)鎖車車控裝置啟動(dòng)，鎖定汽車.

（3）人為損壞或拆卸智能酒駕防控系統(tǒng)裝置之后，正常啟動(dòng)車輛，GSM 網(wǎng)絡(luò)客戶端接收到傳感器未處于工作狀態(tài)的報(bào)警信息，自動(dòng)接收車輛GPRS 定位信息，傳感燈開啟.

（4）反復(fù)測(cè)試，得出正確測(cè)試報(bào)告.

3 結(jié)束語

基于多傳感器融合技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架系統(tǒng)采用了完全自動(dòng)的兩種傳感器來檢測(cè)駕駛員是否存在酒駕行為，同時(shí)，采用了GPRS 定位和GSM 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器工作狀態(tài)，可以有效保證裝置能夠持續(xù)工作以確保駕駛員人身安全.該自動(dòng)檢測(cè)裝置的使用，可以有效地減少酒駕事件的發(fā)生，保障社會(huì)公民的安全.