基于贝叶斯数据融合的防酒后驾驶系统设计

杨志刚，孟立凡*，徐 青

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051;2.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051)

基于贝叶斯数据融合的防酒后驾驶系统设计

杨志刚1，2，孟立凡1，2*，徐 青2

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051;2.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051)

为有效预防酒后驾驶，应用多个MQ-3酒精传感器和低功耗单片机，采用贝叶斯估计的数据融和方法设计出手持式防酒后驾驶系统。系统检测到驾驶员血液中酒精浓度超过20 mg/100 mL时，启动汽车闭锁控制使其无法启动，通过GPS模块定位汽车位置，使用GSM模块的短信功能将驾驶员的醉酒程度和汽车位置信息发送给系统预设联系人。该系统提高了检测结果的准确性和可靠性，功耗低，方便携带，对预防酒后驾车具有很好的效果。

酒精浓度检测;防酒后驾驶系统;贝叶斯数据融合;MQ-3酒精传感器;低功耗

酒后驾驶是引发交通事故的主要原因，据世界卫生组织的事故调查显示，大约50%～60%的交通事故与酒后驾驶有关。我国有关研究表明驾驶发生道路伤害的危险性是未饮酒驾车的4.13倍，并随驾驶员饮酒量的增加而逐渐增高，呈剂量反应关系［1］。酒精对人的神经中枢有麻醉作用，可使人自制能力减弱，驾驶员饮酒后会导致感觉模糊、判断失误、反应不当［2］。因此，对防酒后驾驶系统的研究是非常重要和必要的。

本文设计的手持式防酒后驾驶系统，在驾驶员进入驾驶座发动汽车前，必须对酒精检测手持设备吹气，若驾驶员体内酒精含量低于系统预设，手持设备上的液晶屏显示酒精含量且显示屏颜色为黄绿色，表示驾驶员未酒后驾驶，可以顺利发动汽车;若驾驶员体内酒精含量高于系统预设，液晶屏显示酒精含量且显示屏颜色变为蓝色，表示驾驶员发动汽车将构成酒后驾驶，此时系统主控启动闭锁控制，使汽车无法发动，并通过短信方式，把汽车定位信息发送给驾驶员亲人，从而有效地避免酒后驾驶。

1 酒精检测原理

通过检测被测人呼气中酒精浓度可判定其饮酒程度，基本方法是被测者首先深吸气，然后以中等力度呼气达3 s以上，这时被测者呼出从肺部深处出来的气体，此酒精浓度检测方法成本低廉，是交警部门检测司机醉酒驾驶的主要方法［3］。根据国家公共安全行业标准GA 307—2001，我国关于呼气气体酒精含量探测器的呼气气体酒精浓度与血液酒精浓度对照表如表1所示，温度标准20℃［4］。呼气中的酒精含量与血液中的酒精含量有如下关系:

其中，V血液表示血液酒精浓度，V呼气指呼气酒精浓度，mg/L表示以每升中毫克量的计量单位。即血液酒精浓度在数值上相当于呼气酒精浓度乘上系数2202.64。驾驶员血液中酒精浓度大于或等于20 mg/100 mL(呼出气体中酒精浓度47.43×10-6)，小于80 mg/100 mL (呼出气体中酒精浓度189.72×10-6)的驾驶行为构成饮酒驾车;驾驶员血液中酒精浓度大于或等于80 mg/100 mL的驾驶行为即为醉酒驾驶。

表1 呼出气体酒精浓度与血液酒精浓度对照表

选用MQ-3酒精浓度传感器检测人呼出气体中酒精的浓度，半导体型酒精传感器具有功耗小、稳定性好、响应速度快，而且生产成本相对较低等特点。MQ-3属于旁热式电阻型半导体氧化物传感器，其气敏元件由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感层，测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。气敏元件电阻R0与空气中所含有的被测气体中乙醇质量浓度C之间有如下关系［5］:

式中m、n是由传感器元件材料、测量气体、测量温度等因素决定的常数;C的单位为mg/L。R0值在纯洁空气中电阻值很大，随空气中乙醇质量浓度的增加而减小，这种变化是可逆的，以此实现乙醇含量与电信号之间的转换。MQ-3型灵敏度S≥5(in air/R in typical)，敏感体电阻:1 kΩ～20 kΩ(in air)，响应时间tres≤10 s，恢复时间trec≤30 s，探测用范围:10×10-6～1 000× 10-6Alcohol，工作环境温度:-20℃～+55℃。

多传感器信息融合充分利用多个传感器资源，通过对各种传感器及其观测信息的合理支配与使用，将各种传感器在空间和时间上的互补与冗余信息依据某种优化准则组合起来，其最终目的是利用多传感器共同联合操作的优势，降低不确定性，提高整个传感器系统的有效性［6］。

对于多数的酒精检测系统，使用单个酒精传感器来采集数据，然后对循环采集到的N个数据进行均值处理，所得到的均值就是系统所获得结果。单个传感器检测系统的测试结果受传感器可靠性影响较大。本文采用3个MQ-3酒精传感器对气体中酒精浓度进行检测，系统获得3个传感器循环N次采集得到的数据，应用贝叶斯估计的多传感器数据融合方法［7-9］，对数据进行融合处理，可以有效改善单个传感器可靠性对最终测量结果的影响，提高结果的准确性和系统的可靠性［10-11］。数据融合的基本过程如图1所示。

图1 数据融合基本过程

2 系统整体设计

系统包括两部分，分别是手持酒精检测系统和汽车闭锁及短信发送系统。手持酒精检测系统由MQ-3酒精浓度传感器检测呼出气体中的酒精浓度，以TI公司的低功耗MSP430F135单片机为核心控制芯片，包括信号采集处理、蜂鸣器报警电路、液晶显示、键盘以及射频收发模块。汽车闭锁及短信发送系统由汽车提供电源，选用STC汽车级单片机，包括继电器驱动电路，GPS模块，GSM短信模块，射频收发模块。两部分的数据通信通过nRF905射频收发模块实现，系统整体设计框图如图2所示。

图2 系统硬件设计框图

3 系统硬件设计

3.1 酒精检测原理

3.1.1 微处理器选择

TI公司的MSP430系列单片机就有超低功耗的特点，适合于通过电池供电的场合或手持设备。其电源电压采用1.8 V～3.6 V低电压，在1 MHz时钟条件下，耗电电流在0.1 μA～400 μA之间，系统有一种活动模式(AM)和5种低功耗模式(LPM0～LPM4)，同时数字控制振荡器(DCO)使得从低功耗模式到活动模式的唤醒时间小于6 μs;采用目前流行的精简指令集(RISC)结构，具有强大的处理能力;集成了较丰富的片内外设。

选择MSP430F135作为微控制器，它集成了多种功能模块:配置带2个捕获/比较寄存器的16 bit定时器，8通道12 bit模数转换器，48个I/O口，串行通信接口(USART)异步UART及同步SPI接口，16 kbyte+256 byte Flash Memory，512 byte RAM等。系统使用单片机自带的12 bit高性能模数转换器，把采集到的3路酒精传感器信号数据由模拟量转换成数字量［12-13］。

3.1.2 传感器信号采集及调理电路

根据MQ-3型气敏元件的灵敏度特性可知，信号采集电路可以输出0～5 V的电压，由图3所示，信号较大而不需要进行放大，MSP430内置A/D接口的电压量程是3.3 V，因此先根据比例关系将传感器输出最大量程电压经过差分比例放大电路适当缩小，再采用运放跟随电路滤波，所采用的采集及调理电路如图4所示。使用MSP430F135内置的8路模数转换器，实现对采集到的3路酒精浓度数据进行同步转换。本系统由定时器触发A/D中断，完成A/D采样，把结果写入到单片机内置的Flash存储器。

图3 MQ-3型气敏元件的灵敏度特性

图4 传感器信号采集及调理电路

3.1.3 液晶显示

为实现酒精传感器所测气体浓度的直观显示，本设计选用一款低功耗的LCD液晶显示屏来实现显示功能。采用金鹏电子有限公司生产的OCMJ2 ×4C液晶显示器，具有64×32图形点阵，工作电压为5 V/3.3 V，视窗尺寸是38.0 mm×16.0 mm，采用背光显示，液晶显示控制芯片为ST7920，支持并串的接口方式。它与MSP430微处理器的接口信号如图5所示。RS为数据命令选取信号，当它为高电平时，可以读写数据，为低电平时，可以写入命令; R/W为读写选择信号，为高电平时，读出允许，为低电平时，写入允许;E为芯片选择信号，高电平有效; RST为重启信号，低电平有效;DB0～DB7为数据总线，进行高低电平的数据传输。

图5 LCD模块与MSP430单片机接口电路

3.1.4 nRF905射频收发模块

nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为1.9 V～3.6 V，工作于433/ 868/915 MHz 3个ISM(工业、科学和医学)频道，本文应用433 MHz的工业频道。nRF905芯片具有功耗低的显著特点，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。天线接口设计为差分天线，便于使用低成本的PCB天线。MSP430通过SPI总线配置nRF905的内部寄存器和收发数据，SPI对外由SCK(SPI时钟)、MISO(主入从出)、MOSI(主出从入)、CSN(SPI使能)4个引脚组成，对应5个内置寄存器和1个SPI指令集;单片机通过I/O端口控制模式配置接口PWR_UP、TRX_CE、TXEN实现nRF905的4种工作模式:掉电和SPI编程模式、待机和SPI编程模式、接收模式、发射模式;状态接口CD提供载波检测输出，AM地址匹配输出，DR数据就绪输出。图6所示MSP430F135通过端口P3、P4与nRF905模块通信。

图6 nRF905模块与MSP430单片机接口电路

3.2 汽车闭锁及短信发送系统

3.2.1 微处理器选择

STC12LE5A16S2单片机是宏晶科技有限公司设计生产的单时钟/机器周期单片机，内部集成高可靠复位电路，针对高速通信、智能控制、强干扰的工作场合。工作电压3.6 V～2.2 V，具有16 kbyte Flash程序存储器，1280 byte SRAM，36个通用I/O口，2个独立的通用全双工异步串行口(UART)，高速SPI接口，工作温度范围:-40℃～+85℃。

3.2.2 nRF905射频收发模块

STC单片机通过SPI与nRF905模块通信。图7所示为其接口电路，模式控制接口TXEN、TRX_CE、PWR_UP和状态接口CD、AM、DR分别与P0.0～P0.5连接。

图7 nRF905模块与STC单片机接口电路

3.2.3 GPS模块及GSM模块

采用Leadtek(丽台)公司推出的一款功能强大、性能卓越的GPS9808模块。它的热启动时间小于8 s;重捕时间小于 0.1 s;定位精度在差分模式(DGPS)下小于5 m;接口采用串行TTL电平，数据格式支持标准NMEA 0183、SiRF二进制协议。模块外部的射频金属保护保证了在嘈杂环境下同样具有最佳性能;外形尺寸为24 mm×20 mm×2.6 mm，功耗为215 mW，非常适合在汽车电子等对功耗体积要求较高的系统中应用［14］。

TC35i是Siemens(西门子)公司专为GSM通信设计的专用模块。支持中文短信息，工作在EGSM900和GSM1800双频段，电源范围为3.3 V～4.8 V，可传输语音和数据信号，通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM卡读卡器和天线。SIM电压为3 V～1.8 V，TC35i的数据接口(CMOS电平)通过AT命令可双向传输指令和数据，可选波特率为300 bit/s～115 kbit/s，自动波特率为1.2 kbit/s～115 kbit/s，它支持Text和PDU格式的SMS(Short Message Service，短消息)［15-16］。

图 8是 GPS9808模块和 TC35i模块与STC11F32XE的接口电路。GPS9808模块的TXDA是TTL串行数据发送端;RXDA是TTL串行数据接收端;PBRESN是复位引脚，低电平有效，不用时悬空。TC35i模块中的RXD为TTL串口通信数据发送端，TXD为TTL串口通信数据接收端，分别与单片机的RxD(P3.0)、TxD(P3.1)相连，通过串口发送单片机向GSM模块发送各种AT命令，完成网络登录、读取SIM卡上电话号码、发送SMS消息、接收SMS消息等多种功能。TC35i的IGT由单片机P0.1端口提供一个大于100 ms的低脉冲，电平下降持续时间不可超过1 ms，使TC35i进入工作状态。SIM卡接口采用6引脚卡座。

图8 GPS模块和GSM模块与STC单片机接口电路

3.2.4 汽车闭锁模块

要使汽车的发动机停止工作，控制汽油喷射系统的供电电源即可，通过继电器完成此功能，在汽油喷射系统的电源线上加装一个常闭型继电器，通过控制继电器的开关状态即可完成对电源的控制。控制喷油系统电源的继电器断开，使汽车无法正常燃油运转，汽车将无法正常启动;继电器回到常闭状态，汽车的汽油喷射系统将恢复正常，汽车正常发动。

当系统微处理器给一个短时的高电平控制信号，RL1吸合后断开，在RL1吸合瞬间晶闸管Q1导通，R3和C1充电电路开始充电，电路导通继电器RL2吸合，使A、B两端导通。微处理器再给一个短时的高电平控制信号时，RL1吸合后断开，RL1吸合瞬间由于C1两端为高电平，晶闸管Q2导通，使晶闸管Q1截止，继电器断开，即A、B两端断开。此电路的设计防止继电器在车辆行驶过程中发生意外断开。继电器电路只有在微处理器给出一个短时的高电平控制信号时才会工作，控制信号端长时间保持高电平或长时间保持低电平都不能使继电器闭合［17］。图9是继电器工作电路图。

图9 继电器工作电路图

4 系统软件设计

系统软件设计采用模块化编程，也进行两部分的编写，即手持酒精检测系统软件设计和汽车闭锁及短信发送系统部分软件设计。

4.1 手持酒精检测系统的软件设计

本部分主要包括传感器数据采集程序、数据信息融合、LCD液晶显示程序、无线通信程序等。

为确保酒精传感器检测的准确性，使用MSP430F135内部自带12 bit模数转换器，可以实现对三路模拟信号同时进行采样，完成3个MQ-3酒精传感器数据的同步采集，以1 000 Hz的采样频率进行采样，由定时器触发A/D中断，进入数模转换，循环采集20次数据，把数据分别保存到3个数组中，存储到内存缓冲区，即测量的0.02 s内每个传感器获得20个数据。为减少采样误差和噪声的影响，采用贝叶斯数据信息融合算法确定传感器最后采集结果。最后通过传感器信号与气体浓度的线性函数关系式计算出当前气体的浓度。主程序流程图如图10所示。

图10 手持酒精检测系统流程图

4.2 汽车闭锁及无线发送系统部分软件设计

无线模块接收到来自手持酒精检测系统的酒精浓度、酒醉情况和对汽车的控制命令。系统接收到命令后，启动汽车闭锁控制使汽车无法启动，GPS模块工作以确定汽车当前的位置。然后系统编译包括酒精浓度、酒醉情况和汽车位置信息内容，通过GSM模块发送到系统预设的联系人手机上。主程序流程图如图11所示。

图11 汽车闭锁及无线发送系统流程图

5 结论

把防酒后驾驶技术设计成为车载系统能够有效预防酒后驾车引发的交通事故。本系统中选用成本低廉的MQ-3酒精传感器构成多传感器结构对驾驶员体内酒精浓度进行检测，应用贝叶斯估计的多传感器数据融台方法，充分利用了先验知识，降低传感器故障对检测系统的影响，提高检测的准确性和可靠性。系统检测到驾驶员体内酒精浓度超过20 mg/100 mL时，控制汽车闭锁装置使汽车无法发动，同时立刻把汽车位置和酒醉情况通过移动通信网络发送给系统预设的联系人，确保驾驶员远离酒后驾车，保障生命安全。系统具有方便携带，功耗低造价低等特点，对预防酒后驾车具有很好的效果，在实际应用中具有很好的应用价值。

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杨志刚(1989- )，男，汉族，籍贯所在地河南省禹州市，中北大学硕士研究生，主要研究方向嵌入式系统与多传感器信息融合技术，yzgsci@163.com;

孟立凡(1956- )，女，汉族，中北大学教授，主要研究方向为现代传感理论与技术、光电仪器及技术。1996年12月至1998年1月日本千叶大学高级访问学者。主编有《传感器原理及技术》高等学校教材，撰写论文二十余篇，其中一级论文、核心期刊论文、EI收录论文10余篇。发明专利一项。主持完成10余项省部级课题，menglifan@nuc.edu.cn;

徐 青(1989- )，女，汉族，中北大学硕士研究生，主要研究方向X射线无损检测与图像处理技术等方面的研究，sizhuqingsci@163.com。

Design of the Anti-Drink Driving System Based on Bayes Data Fusion

YANG Zhigang1，2，MENG Lifan1，2*，XU Qing2
(1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051China))

In order to effectively prevent drink driving，multiple MQ-3 alcohol sensors and low-power microcontroller are applied and the method of data fusion based on Bayes estimation is used to design of the hand-held alcohol detect system.When the system detects the alcohol concentration of driver’s blood above 20 mg/100 mL，starting the car latch control makes it do not start.Positioning car location by GPS module，the degree of intoxication and car’s location information is sent to the default contact person of the system by using messaging function of the GSM module.The system improves the accuracy and reliability of test results，low-power consumption，easy to carry and has a good effect on the prevention of drunk driving.

alcohol concentration detection;anti-drink driving system;bayes data fusion;MQ-3 alcohol sensor; low-power

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.033

TP212.9

A

1005－9490(2014)02－0322－06

2013-05-23修改日期:2013-06-16

EEACC:7210;7230