基于车联网的智能防酒驾控制系统设计

2020-06-19马小琴邵瑞雪

通化师范学院学报 2020年6期

马小琴，杨悦，邵瑞雪，陶勇

当前，中国每年由于酒驾而发生的车祸事故数以万计，其中多为司机一人酒驾而造成多名无辜群众伤亡.尽管现有法律明确规定酒驾违法，但仍有不少人不以为然，在交警的严格巡查下依然酒后开车.检测是否酒后驾车，主要通过交警使用酒精仪器对驾驶员进行检测，这种方法可以从一定程度上减少司机酒后驾车的行为.然而交警人力毕竟有限，不可能每条道路都部署警力进行巡查，于是仍有人存在侥幸心理，酒后开车.随着车载通信技术引领车联网时代的到来，智能防酒驾控制系统将会取代传统检测手段，成为有效制止酒驾事件发生的最佳选择.

1 基于车联网的智能防酒驾控制系统

车联网是将先进的传感器技术、通信技术、数据处理技术、网络技术、自动控制技术等有机地运用于整个交通运输管理体系而建立起的一种实时、准确、高效的交通综合管理和控制系统，这项技术的普及让人们体验到了科技进步带来的巨大转变［1-2］.本文针对酒驾行为设计了一个基于多传感器融合技术的车联网构架系统，利用该系统能够有效地降低酒驾行为，更好地保障驾驶员的人身安全.

1.1 方案设计

智能防酒驾控制系统由四个部分组成，如图1 所示.系统能够自动提醒驾驶员进行检测，并采用短距离传感器和无线通信方式，将酒精传感器和人体热释电红外传感器采集到的数据，通过无线传感方式发送给SOC 单片机处理系统进行处理分析，如果分析结果是酒驾，则将结果发送至车控模块，启动锁车模式进行酒驾防控.该系统设计自动启动双向检测酒精浓度，可有效提高检测的便捷性和准确率，增强抗干扰能力，且从一定程度上杜绝人为恶意逃脱酒驾检测的行为.

图1 系统模块图

1.2 各模块实现

（1）多传感器数据采集模块.该模块由酒精传感器和人体热释电红外传感器两部分组成.

①酒精检测传感器.当检测到酒精浓度时，MQ-3 乙醇气体传感器输出信号，并由信号调解电路处理，输出随乙醇浓度变化的电压信号，经A/D 转换，该电压信号送入单片机系统，与设定的醉酒阈值进行比较，超过醉酒阀值将进行显示或报警［3］.

②人体热释电红外传感器.普通人体温恒定，平均在37 ℃上下，会发射10 μm 的特定波长红外线，人体热释电红外传感器可以专门针对这类射线波长进行检测.人体红外线照射到传感器上时，传感器会因热释电效应向外释放电荷，后续电路产生控制信号，所以可以检测人体体温变化，人体热释电红外传感器拥有专门的探头，只对波长为10 μm 左右的红外辐射敏感，能够避免其他物体的干扰［4］.

酒精传感器和人体热释电红外传感器同时采集信息，查询判定信号是否满足设定的条件，当信号满足判定条件后，把采集到的信息传给SOC 单片机控制系统，SOC 开始梳理信号.

（2）SOC 单片机控制模板.SOC 系统如图2所示，当接收到多传感器数据采集装置采集到的信息，通过A/D 转换器把信号发送到SOC控制系统，经过微处理器、数字信号处理器等模块的处理分析，然后通过无线射频前端发送信号到下层控制子系统进行工作.基于SOC的单片机控制系统接收到信号后，对子层系统进行控制处理，触发MCU 电路，自动提醒装置、汽车启动控制装置和GPRS 网络传输装置进行工作.其优点是片上互联相当于城市的快速通道，高速低耗，各种器件之间的信息传输集成到一个芯片上，效率高、成本低廉、生命周期长且可定制.

图2 SOC 系统工作示意图

（3）自动提醒模块，该模块由语音报警和自动锁车车控两部分组成.

①语音报警器.在报警器中，以8031 单片机为核心部件，它会对SOC 控制系统传来的信号进行处理，并产生控制信号控制芯片发音.在语音部分中，采用的核心部件是ISD1016A，它采用DASI 技术，在CPU 的控制下方便地进行语音的录入和播放.以下为其语音报警过程.

当多传感器数据采集装置把采集到的信息发送到SOC 控制系统，SOC 控制系统检测分析得出驾驶员饮酒结论后，把信息发送给8155 的PA 口（8031 单片机本身具有的I/O 口不能满足需求，故选用8155 进行I/O 口的扩展），当接收到信息时，报警器立即转入该路的报警服务程序，进行语音提醒，连续提醒三次后，若驾驶员仍执意启动汽车，便启动自动锁车系统.

②自动锁车车控.在单片机8013和ISD1016A芯片共同控制下自动锁车模块开启，开始语音报警.连续提醒三次，若驾驶员执意启动汽车，系统自动启动锁车车控系统.在语音播报三次以后钥匙未停止旋转，自动锁车模块中单片机接收到信号执行自动锁车服务程序，程序运行后汽车自动熄火，直到双传感器信号正常，自动锁车模式关闭.

（4）传感器工作状态监测模块.当系统检测到传感器处于无工作状态时，会判定系统传感器是否遭受人为恶意破坏或拆卸，如是则转成预警状态，然后触发单片机控制继电器.在预警模式下，预警模块向各部分不断发送信号，各模块在收到信息反馈信号后，检测模块进行分析处理，将未发送反馈信号模块报告到总控制系统，最后控制系统将处理后的指令发送到GSM 网络，并向智能终端发送系统损坏信息，以便车主及时进行处理.

1.3 系统具体工作流程

系统工作流程图如图3 所示.

图3 系统工作流程图

（1）驾驶人员进入驾驶室进行汽车启动，把钥匙插入钥匙孔.酒精传感器和人体热释电红外传感器安装在方向盘中，并分别连接启动装置外圈的正负极，如图4 所示.

图4 启动装置原理图

旋转钥匙，当钥匙旋转到一定角度时，旋转框分别接触启动装置外圈的正负极，如图5所示.

图5 启动装置旋转图

电源接通，启动装置开启，酒精传感器和人体热释电红外传感器开始检测，单片机接收到信号并进行处理.

（2）酒精传感器和人体热释电红外传感器重复采集信息，查询判定信号是否满足设定的条件，当信号满足判定条件后，把采集到的信息传给SOC 单片机控制系统，SOC 开始梳理信号.若接受到的信号少于两条，汽车正常行驶，若同时接收两条信号，SOC 系统判定驾驶员酒驾.

（3）启动自动锁车提醒模块.在单片机8013和ISD1016A 芯片共同控制下开始语音报警，连续提醒三次，若驾驶员仍执意启动汽车，便启动自动锁车系统.

（4）在语音播报三次以后钥匙未停止旋转，自动锁车模块中单片机接收到信号执行自动锁车服务程序，程序运行后汽车自动熄火，直到双传感器信号正常，自动锁车模式关闭.

当汽车处于行驶状态时检测到驾驶人员酒驾或装置受到破坏时，单片机控制系统发送指令到GSM 网络，其接收到指令后及时向终端发送信息，并启动传感灯装置，这样行人及道路上的其他车辆可通过感应灯的闪烁有效躲避危险车辆，同时路段内的交警可以通过传感灯有效排查酒驾车辆.

1.4 系统特点

（1）短距离传感器和无线通信方式进行数据传输.本装置采用短距离传感器和无线通信方式，将酒精传感器和人体热释电红外传感器采集到的数据，通过无线传感方式发送给车载防酒驾控制系统，经过单片机处理之后对汽车进行自动报警及自动锁车.

（2）多渠道信息采集防止误判，减小检测误差.酒精传感器可以对驾驶员进行酒精浓度检测，同时人体热释电红外传感器可以对驾驶员的人体温度变化进行检测，多种信息采集可以极大地提高检测装置的准确性，防止误判给驾驶员带来的不便与困扰.

（3）GSM 网络实时监控车载传感器的工作状态.采用GPRS 定位装置和GSM 网络通讯实时监测车载传感器装置的工作状态，防止驾驶员恶意对装置进行破坏，保障装置正常工作，进而全面保护驾驶员的人身安全.

2 测试方案

2.1 测试环境搭建

一个空旷无人的场地，一辆安装好车联网智能防酒驾控制系统的汽车，如图6 所示，在方向盘骨架中嵌入酒精传感器，在外表皮a处开出小孔，保证内外空气可以流通，通过驾驶员进行酒精检测时吹气判断空气中酒精含量是否超标.因为驾驶员在开车时手握住方向盘b、c 处，所以在b、c 处表皮内部骨架中分别嵌入人体热释电红外传感器，以便检测驾驶员体温是否异常，单片机控制模块则镶在方向盘内部.

自动提醒模块与汽车上的内置AUX 相连接，进行语音警告.

传感器工作状态监控模块由感应灯显示，感应灯安装在车顶，以方便检查.当监控模块检测到传感器正常工作时，车顶感应灯显示安全绿色.当检测到系统出现异常，则车顶感应灯显示红色并利用GSM 网络及时向智能终端发送指令信号.当感应灯显示红色时，除了系统自身出现问题之外，还可能是驾驶员破坏了防酒驾控制系统.与系统相连接的智能终端在收到信息后，能够通知机主驾驶员处于不安全行车中，以便机主对驾驶员进行劝阻.过路行人和车辆看到感应灯变红时则会发现这是一辆问题车，可以及时躲避，并方便交警排查.