基于物联网的车载酒精检测装置的研制

吴卓颖 冼浩贤 庄捷 陈衍文 苏芸洁

摘要：本文介绍了一种基于物联网技术的车载酒精检测装置的硬件和软件设计。该装置以51单片机为控制核心，通过MQ3传感器和压力传感器感知检测者并识别检测者呼出气体中的酒精浓度，判定是否超出所设定的标准阈值，若判定为饮酒，则取消车辆启动，并通知检测者是否拨通紧急联系人，有效减少酒驾事故的发生。

关键词：酒精检测;单片机;传感器技术

前言：

随着汽车工业的迅速发展和物联网技术、人民生活水平的逐步提高，道路交通出现了蓬勃发展的态势，在此驱动下中国机动车保有量已达2.4亿辆。虽然道路交通发展迅猛，但道路交通安全仍面临着非常严峻的形势。截至2018年末，全国发生交通事故244937起，死亡人数为63194人;造成直接财产损失为138455.9万元[1]，其中因酒后驾驶导致的交通事故占绝大多数。据统计，2019年一月到十月底，全国共查处酒驾违法行为170万起，醉驾违法犯罪行为30余万起。而造成死亡的事故中50%以上都与酒后驾车有关，显然可见酒后驾车已然成为交通事故的第一大“杀手”。

目前国内酒驾检查大部分依靠交警携带传统的酒精检测设备上路设卡检查，通常这样的突击检查都是在驾驶者酒驾已经发生的情况下才阻止的，这些被动式的执法效果并不令人满意，社会上仍有大量酒后驾驶行为存在，且这些行为多数未被警方发现并及时纠正。因此，在源头控制酒后驾驶方面上仍具有一定的管理难度。如何在物联网的时代背景下有效地解决酒后驾驶这一问题就显得十分重要了。近五年来，美国汽车制造商汽车安全联盟（通用 大众、丰田、宝马、奔驰等企业参与的ACTS）启动的DADSS（Driver Alcohol Detection System for Safety） 驾驶者酒精监测安全系统计划，已经提出并试制了许多测试原型技术，其中主要以手指按压检测技术和与汽车整车高度融合的非接触气息探测技术为主。手指按压检测技术类似于指纹采集器，通过手指按压车内的汽车发动开关键（集成了酒精检测仪）或电子钥匙，实现同步检测操作，确保驾驶者醉酒时无法启动汽车。而与汽车整车高度融合的非接触气息探测技术则是通过布置在驾驶者周边区域设施（如方向盘、仪表盘、座椅头枕和换挡杆）的多个探测器，能够在驾驶者自然状态下，持续实时获取驾驶者呼出的气体或分泌出的体液，判断驾驶者是否饮酒[2]。与以上提及的与汽车整车高度融合的非接触气息探测技术相比，非接触气息探测技术虽具备持续监测功能，但其技术需要在驾驶者周边区域设施布置多个探测器，花费成本远大于本产品，本装置更具备高性价比，且可达到一定程度地降低交通事故发生率，提高人身安全，有非常广阔的市场前景。

一、酒精检测系统结构及硬件设计

酒精检测系统硬件系统结构设计如图1所示，该系统由呼气导管、装有气敏材料的传感器件组成的进气模块，以51单片机作为微控制器的核心芯片和采集气体信号检测电路模块，以压力传感器等组成的感知识别模块，继电器控制点火模块，以及紧急联系人模块这五大模块组成。

（一）STC89C52RC微控制器

STC89C52RC微控制器是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器产品。STC89C52RC微控制器是增强型8051单片机，其体积小巧，携带方便，在指令代码完全兼容传统8051单片机的基础上，做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能，例如它具有8K字节系统可编程Flash存储器的特点，优化了嵌入式控制系统应用。为了防止程序发生死循环，其设置了一个定时器电路，它的主要功能是在发生软件故障时，如果软件未将器件清零，通过给出一个复位信号，将单片机复位，保证了STC89C52RC微控制器的独立安全性。

（二）传感器及其采集气体信号检测电路图

压力传感器和MQ3酒精传感器以其精确度高、且能够在相对较差的环境下使用的特点，是本装置采用这两款传感器的主要原因，如图2所示，为该采集信号检测电路图。压力传感器是在感受到压力信号后，将其转化为电信号输出至微控制器，系统启动初始化。MQ3酒精传感器对酒精的灵敏度高，对水蒸气、汽油等其他气体的抗干扰性强，而且使用寿命长，有效地降低研发和使用成本[3]。

二、软件设计

如图3所示，开启电源装置后，设置在驾驶座底部的压力传感器收到驾驶者施加的压力信号，转换成电信号输出至STC89C52RC微控制器，微控制器收到信号后，提醒驾驶者进行呼气，MQ3酒精传感器开始检测气体中的酒精浓度，并转换成电信号输出至STC89C52RC微控制器，按照设定的酒精浓度标准，若检测的酒精浓度小于标准值，微控制器通过继电器驱动点火，车辆启动。若检测出的酒精浓度大于或等于标准值，微控制器控制继电器取消点火。

（一）可视化平台开发

建立开发可视化平台，可简洁高效地显现酒精检测的结果，增强人机交互效果。在本装置中，可视化对象是酒精检测结果，酒精信号在MQ3传感器的作用下，转变成电信号后，通过微控制器的输出控制，将电信号输出至显示器，显示器根据已设定编程显示酒精检测结果，达到可视性效果。

（二）紧急联系人模块

在进行酒精检测后，结果显示为饮酒或醉酒的情况下，启用紧急联系人模块，按照事先设定好的紧急联系人联系号码，拨通其联系电话号码，使酒精检测人在饮酒或醉酒状态下能及时得到紧急联系人的帮助，加强人机交互效果。

三、面向机动车驾驶人或营运车企业

目前本装置处于初步研制完成阶段，如果后续有稳定的资金用以继续进行研究与优化装置，将能够实现其商业化，从而正式投入使用。由于营运车辆的载客性質，对营运车企业所属的机动车驾驶人进行源头预防管理尤为重要，这可成为后续装置推广使用的试用点，优化装置功能设计，解决现实中遇到的实际问题。

四、装置实用性及社会效益分析

（一）装置实用性

本装置在结构设计和功能设计上遵循实用性与简易性原则，力求操作简单和达到人机交互的效果。在结构设计上，装置采用嵌入式设计，体积小，可直接投入到车载系统中进行应用;在功能设计上，采用模块化设计，针对在不同个体的需求方面进行功能结合。从实用性和简易性原则为出发点，将有效地增强该装置的可操作性。

（二）社会效益

主动式酒精检测装置可以从源头上预防机动车驾驶人的饮酒驾车问题，若对该装置进行普及应用，一可以有效遏止机动车驾驶人酒驾或醉驾的违法行为，进一步降低交通事故的发生率和人员伤亡;二是在智慧新交管建设背景下，以主动式酒精检测装置减少被动随机式设卡酒驾检查，给当前交管部门执法管理工作提供新思路，尤其是对重点车辆的源头管理，以主动式车载酒精检测装置强化动态监控，规范重点车辆的安装减轻了交管部门的工作负担和相关人力物力监管需求，符合了对科技强警、向科技要警力的新时代要求，同时酒驾与交通事故的减少也降低了对社会和人民群众的人身财产损失。

结语：

我们设计的基于物联网的车载酒精检测装置以51单片机为控制核心。经过反复测试MQ3传感器、压力传感器，该检测装置会对驾驶者检测是否存在饮酒状态，同时当检测出驾驶者有饮酒状态时汽车会取消启动，并通知检测者是否拨通紧急联系人，并向紧急联系人发送信息提醒。该设备可有效从源头上阻止酒后驾驶行为的出现，并且利于在车辆上安装，是对驾驶人员酒后驾驶检测的便捷工具，同时也是为了预防因酒驾而引起的交通事故，给道路交通环境加上一道安全锁。

但是，我们也需要充分认识到该装置存在的不足以及改进之处：

（1） 装置配置在机动车上的安全性还需要进一步进行优化和调整，装置目前的预热时间仍较长，装置的快速操作性仍有一定的提升空间，这可通过产品微控制器的升级迭代提高快速操作性能。

（2） 信息反馈模块还需进一步探索和研究，从机动车驾驶人的反馈信息进一步找出装置存在的一些设计缺陷和功能问题，加强装置的可用性。

（3） 出于资金的限制，人脸识别模块未能够如期研究应用，但在防作弊功能上，可以从压力传感器为主的感知模块为出发点，放置于机动车主副驾驶座乘坐人大腿两侧附近，以解决在整个驾驶过程中驾驶人的防替换问题，且我们会在以后的研究中加以改进与优化压力传感器受力容错率的问题。

参考文献：

[1]王辉. 2018年全国道路交通事故死亡率略有下降[N]. 中国质量报，2019-02-20（005）.

[2]董葵，陆宇.酒后驾驶检测技术及设备应用现状和发展[J].中国公共安全（学术版），2014（03）：65-69.

[3]贾建. 气体传感器智能测试系统和便携式酒精检测仪的研究[D].中国科学院研究生院（电子学研究所），2003.

作者简介：

吴卓颖，男，广东警官学院治安系 交通管理工程专业，第一作者和通信作者。冼浩贤共同第一作者，2017级本科生

本論文受“攀登计划”广东大学生科技创新项目（pdjh2020b0414）资助