基于物联网的防酒驾系统设计
邓浩1，杨样云2
（1.湖南交通工程学院，
湖南衡阳421001；2.深圳钱盒信息技术有限公司，
广东深圳518001）
收稿日期：2022-01-10
基金项目：湖南省普通高等学校教学改革研究项目（HN
JG-2021-1273）；湖南省教育厅科学研究项目（20C0724）；湖南省大学
生创新创业训练计划项目
（S202113924017）0引言
近年来交通事故数据统计表明，有超过半数的交通事故都与酒后驾车有关[1]。在加大对酒驾处罚力度的同时，加强宣传警示教育、使用技术手段都是避免酒驾的措施。本研究结合物联网技术，考虑将每一辆汽车作为独立个体，通过无线传感器技术将每辆车驾驶员的酒精浓度测试数据进行采集、分析、处理，一旦达到设置的阈值，可自动实现汽车自锁以及酒驾提示，防止酒驾发生。
1防酒驾系统理论研究
1.1汽车酒精浓度检测原理
人体呼出气体中的酒精含量与血液中的酒精量浓度成正比，可通过测量人体呼气中的含酒精浓度来推测血液中的酒精浓度。
考虑到车载式的酒精检测装置的精确率与被检测人的距离[2]、酒精在车内的扩散程度有关，为了提高测量的精确率，本系统采用分布式酒精传感器，即在车内一共安装2个酒精传感器，以提高测量精度，其中酒精传感器1固定于车内的驾驶员头顶部位，
酒精传感器2位于仪表盘中间位置。启动车载式酒精含量检测仪的过程为：在启动发动机按钮时，相当于同时分别启动了酒精传感器1和酒精传感器2，
2个传感器同时根据车辆驾驶员的呼出气体对其进行酒精含量检测，然后把酒精浓度转为电信号；再经过A/D 转换后传递给处理器[3]获得判断值，
若2个传感器其中之一的结果值达到饮酒阈值，就发出执行指令来对执行器进行控制。基于物联网的酒精检测流程如图1所示。
图1基于物联网的酒精检测流程
在该防酒驾系统中主要包含3个模块，分别是数据采集模块、数据处理模块以及执行结果模块。数据采集模块由2个位于不同位置的酒精传感器以及相关电路组成，
对驾驶员呼出的气体进行酒精含量数据采集。数据处理模块把收集到的信息转化为电信号，再将电信号传输至中央处理器，在分析与处理后得到相应的判断与决策。执行结果模块可以根据设计的要求，对汽车发出控制指令干预驾驶行为，从而限制酒驾行为。
1.2相关模块
1.2.1酒精传感器检测模块
数据收集功能主要集中在酒精传感器的检测模块上，主要检测驾驶员呼出气体中的酒精含量。在设计中采用的是MQ-3酒精传感器[4]，成本廉价、响应时间和恢复时间短，具有较高的灵敏性。除此之外，MQ-3酒精传感器的寿命比较长，可靠稳定，在酒精浓度检测中得到广泛应用。
由于MQ-3酒精传感器输出的通常是毫伏级的低电压信号，
所以需对该信号进行放大处理。本设计采用的酒精数据采集模块由MQ-3酒精传感器电路与STM32开发板共同组成，MQ-3酒精传感器负责对周边环境中的CH 3，CH 2，OH 浓度数据进行收集，完成化学信号向电信号的转换。电路负责将MQ-3中的电信号进行A/D 转换，传入STM32开发板。酒精传感器电路如图2所示。
图2酒精传感器电路
1.2.2GSM 通信技术模块
GSM 是2G 时代应用最为广泛的移动电话标准。GSM 安全性高，有强大的网络能力、敏感信息的优势。在本设计中，通过STM32开发板与GSM 模块建立连接，使用AT 命令对GSM 各种通信功能进行控制，实现等多种功能。GSM 通信模块实物如图3所示。
图3GSM 通信模块实物
1.2.3汽车酒驾自锁模块
STM32开发板输出一个控制信号到汽车电子变速器上的汽车电子变速控制信号单元（ECU ），ECU 发指令来控制自动变速器中电磁阀的通断状态，实现自动变速器的自锁功能。在酒驾的情况下，变速器自锁后，变速杆会处于空挡状态。自动变速器自锁控制模块原理如图4所示。
图4自动变速器自锁控制模块原理
2系统设计方案
湖南汽车网
为准确测量驾驶员呼出气体中的酒
精
浓
度，
本文设计采用了高灵敏度的MQ-3酒精检测传感器和低能耗的STM32F103
开发板作为硬件支撑，通过检测驾驶员呼气中的酒精浓度来对汽车的变速器采取相应措施。酒精检测模块中的一个主检测模块被直接安置在汽车的仪表盘中，即在驾驶员的正前方位置，
此位置便于系统收集驾驶员呼出的气体，能减小检测误差。还有一个安置在驾驶员的头顶位置的酒精检测辅助模块，起到辅助检测的作用。一旦驾驶员启动了发动机，酒精检测模块就会开始工作，检测驾驶员的呼出气体，然后将转换后的信号传输到中央控制模块，进而对信号进行分析与判断处理。当分析判断出此驾驶员呼出气体达到酒驾标准时，会将检测结果展现在液晶显示屏上，蜂鸣器报警提示，同时变速器自锁，紧急联系人的手机会收到酒驾通告。系统设计方案如图5所示。
图5系统设计方案
3系统软件设计
在STM32F103开发板上搭载MQ-3酒精传感器、SIM800C 通信模块和TFTLCD 显示模块完成系统硬件架构，并在此基础上进行各模块的软件设计。
3.1驾驶室酒精浓度采集软件设计
汽车一旦启动，安置在汽车中的酒精传感器处于初始化完成的状态，然后直接对司机呼出的气体进行判断。当检测判断处于未处理状态时，将执行第2次呼气检测，一直循环判断直至检测判断是成功状态为止。一旦接收到检测呼出气体成功的信号，系统将自动对空气中的酒精浓度进行采集。采集到的信号会经过处理模块进行信息处理，计算呼出气体中的酒精浓度值，再将结果值与标准值进行判断。最后根据判断值显示警报系统会做出相应反应，变速器控制汽车变速杆自锁。酒精浓度采集的子程序流程如图6所示。
图6酒精浓度采集子程序流程
由于MQ-3酒精传感器输出的信号是模拟信号，所以此程序中设置了每5ms 启动一次A/D 转换得到酒精数值。
3.2显示功能软件设计
酒精浓度检测模块在经过换算后会把酒精浓度的结果呈现在液晶显示模块上，
需要TFTLCD 液晶显示屏与STM32开发板进行连接。在软件开发上，首先对TFTLCD 液晶屏与开发板串行外设接口初始化，设置各寄存器初始参数，在清除了显示屏上现有的数据[5]后传输新的测量值。
若检测酒精结果没有超过设定的阈值，TFTLCD 所在液晶显示屏上会自动显示所输出的测量值，
并显示绿方块；相反，若酒精检测测量结果超过了设定的检测阈值，
液晶显示屏上就会自动显示酒精检测浓度值，并显示红警示方块，LED 红指示灯会亮起。液晶显示子程序流程如图7所示。
图7液晶显示子程序流程
3.3GSM 通信模块及变速器自锁功能软件设计
系统选用GSM 通信模块，GSM 通信也是一种短信通
信
终
端，不仅能接收高电平信号，还可以。借助这一特性，
把酒后驾驶的信息传输到程序中，一旦触发这个代码，就会发送消息至事先设定好的手机号中，告知紧急联系人。此功能是在STM32开发板与GSM模块建立连接后，通过串口给GSM 模块一系列的AT指令来实现发送消息。
对于变速器的自锁模块，若检测结果中的酒精浓度超过设定阈值，开发板就会输出高电平信号，驱动汽车的变速器ECU控制变速器，电磁阀断开，进而控制变速杆，实现变速器自锁功能。相反，若检测结果中的酒精浓度不超过设定阈值，开发板相应引脚不会产生高电平，汽车变速器正常工作。
4系统功能实现
4.1系统试验环境的模拟
系统测试采用模拟实验法，用一个封闭的长方体作为测量容器。为了防止试验有较大误差，使用不同浓度的酒精滴在封闭的容器中，等酒精完全挥发成气体后再进行测试。为了得到更高的试验结果准确值，试验环境需要达到以下条件：①气密性好；②为了保证酒精传感器采样数据的重复性，需进行多次重复测试；③酒精样品注入速度要快，检测结束后，能彻底排出。
测试中使用一辆玩具车来进行模拟，把酒精传感器安装在玩具车内，采用不同浓度的酒精模拟试验，在酒精挥发后，使2个位置的酒精传感器同时开始检测。
4.2软件测试
4.2.1酒驾呼气判断的调试
在呼气测试中，对试验影响最大的因素是空气湿度，所以借助加湿器调节不同的空气湿度来对设计进行试验[6]。首先记录当前空气的湿度，再测量进行呼气之后的电压值。采取多次测量取平均值的方式进行测试，尽可能减少误差，提高试验的准确度。然后对不同湿度下传感器测出的值进行记录，通过数据来观察系统电压的变化情况，验证在不同湿度下酒精检测系统的抗干扰性与稳定性。实验结果如表1所示。
表1不同湿度下传感器的电压值
由以上数据可知，在湿度超过90%时，环境湿度对呼气判断有很大的影响，为了防止此情况，本实验在整个系统装置中增加了一个麦克风装备，来弥补系统不足。4.2.2不同食物含酒精量的调试
在实际酒精测量中会出现由于摄入其他食物导致误测的现象。此试验对部分含酒精的食物进行测试，分别蘸取进行测量，将得到的测试数据整理并记录。测量数据如表2所示。
表2不同食物中的酒精值数据单位：mg/100ml
由表2可知，用荔枝测试的酒精数据可以达到酒驾级别，波萝啤中存在微量酒精；葡萄的测试结果为0，其主要原因是新鲜葡萄没有发酵产生酒精。以上饮食或多或少存在酒精成分，如果摄入过多可能导致误测现象。
4.2.3GSM通信模块的调试
首先检测GSM通信模块是否会受到其他信号的干扰，其次进行功能测试。将紧急联系人电话绑定并编辑好短信内容，测试GSM通信模块是否接收正常。若手机能收到提示信息，可认为GSM通信模块信息发送正常。通信模块调试结果如图8所示。
图8通信模块调试结果
4.2.4变速器自锁的调试
由于设备的限制，变速器的自锁模块采用程序模拟测试。若检测结果中的酒精浓度超过设定阈值，STM32开发板就会执行程序，其中一个指定引脚输出高电平信号，汽车的变速器ECU将控制变速器，断开电磁阀，进而控制变速杆，实现变速器自锁功能。若检测结果中的酒精浓度未超过设定阈值，变速器内部的电磁阀等各个控制单元就会保持畅通，变速杆不自锁，汽车正常行驶。
4.2.5测试结果
酒精传感器将检测到的信号先传输给STM32开发板，处理后的信号与设定在程序内的规定值进行比较，得出一个结果值。然后把结果值的信号同时发送给变速器ECU、GSM通信模
块
以及
TFTLCD液晶显示屏，这3个模块再进行相应的
操作。实验结果如图9所示。
图9实验结果
5结束语
本设计在以STM32F103芯片为核心的主开发板上，搭载MQ-3半导体型酒精传感器以及GSM 通信模块，结合汽车变速器自锁技术，设计出防酒驾系统的流程图，并参考STM32F103芯片及相关模块技术手册，
设计出系统电路图。本设计采用Keil5编程软件来实现对整个系统的程序编写，并将编译后的程序烧录进开发板，进行调试和功能实现。若驾驶室内的酒精浓度超过45ppm ，TFTLCD 液晶屏会显示红灯，此刻自动变速器自锁，同时事先绑定的紧急联系人会收到酒驾通
知。经过多次实验测试，此设计不仅实现对驾驶员呼出气体中酒精浓度的精准快速检测，
同时还借助GSM 通信模块实现对酒驾信息及时告知，验证了此系统预防酒后驾车功能的可行性，对预防酒驾行为具有一定的实用价值。
参考文献
[1]周海月.醉驾型危险驾驶罪的入罪标准[D].上海：华东政法
大学,2018.
[2]高伟，陈成成，刘斌，等.酒精浓度检测语音报警系统[J].中外企业家,2018(21):118.
[3]赵金强，梅年松，张钊锋，等.一种超低功耗SAR A/D 转换器
[J].微电子学,2019,49(1):1-6.
[4]邝爱华.基于MQ-3的酒精浓度测试系统设计[J].数字技术与应用,2018,36(4):161-163.
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[6]李宏伟.
浅析呼出气体酒精含量探测器的检定与使用[J].品牌与标准化,2018(5):44-46.
本书紧密结合十九届四中全会精神，对坚持和完善中国特社会主义制度、推进国家治理体系和治理
能力现代化进行系统阐释。本书内容丰富、阐述全面、指导性强，共12章，包括：新时代推进国家治理现代化的政治宣言和行动纲领，新时代推进国家治理现代化的意义、内涵和要求，中国悠久传统下的国家治理思想体系，
社会主义国家治理的探索，西方国家治理的发展历程、现状与借鉴，正确把握全面深化改革的总目标和基本要求，以坚定的制度自信推动中国特社会主义制度更加成熟定型，国家治理现代化的核心内容，国家治理体系的基础、演化和结构，提高国家治理能力的任务、重点和机制，创新社会治理体制，
全面推进国家治理体系和治理能力现代化。书后附有党
的十九届四中全会《决定》等文件。
《国家治理体系和治理能力现代化党员干部读本》
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