基于物联网的嵌入式酒驾自动检测系统

基于物联网的嵌入式酒驾自动检测系统

0基于物联网的嵌入式酒驾自动检测系统随着经济水平的提高，越来越多的汽车进入道路，私家车的增加不仅为人们提供了生活愉悦的愉悦，而且还增加了道路上的负荷。近年来，我国道路交通事故频发，造成了严重的经济损失和人员伤亡。其中引发恶性交通事故的案例中,酒后驾驶罪魁祸首。这和中国人好客,无酒不成宴的风俗相关,很多人喜欢劝酒,饮酒者存在侥幸心理,以为自己酒量大或少喝酒没事。如果判断酒后驾驶给交通管理部门带来很大难度,目前我国交通管理部门主要采用呼气式酒精检测仪器和对不配合者抽血检验的方式。但要进行路检,需要大量的人力物力,且要人为肉眼判断判断哪个是可疑车辆,然后拦车检查。这种方式并不能有效的遏制酒驾,仍然有很多人查不到而引发严重的安全问题。为更好地控制酒驾,减少交通事故的发生,本文设计了一种基于物联网的嵌入式酒驾自动检测系统。充分利用目前流行的物联网技术,以ATmega16单片机为核心,把仪器嵌入在驾驶室内,通过对驾驶座位前方,上方,左右4个检测点的酒精浓度的检测数据汇总分析,判断是否酒驾,若酒精超标则发出声光报警并禁止发动汽车,同时,通过通用分组无线服务GPRS将酒驾车辆信息实时地发送到交通管理部门监控中心。实验结果表明,该系统检测灵敏度和准确率高,智能化程度高,稳定性好,能够有效地杜绝酒后驾驶,从而能够大大的降低交通事故的发生率,减少人员及财产损失,具有较高的应用价值。1汽车物联网的发展现状物联网(InternetofThings,IOT),1999年MITAuto-ID中心的Ashton教授最早提出来的概念。它是在互联网概念的基础上,把网络用户端扩展和延伸到了各个物品和物品之间,构成“物与物相关联的网络”,从而进行信息交换和通信。随着技术的不断飞速发展,物联网技术越来越广泛的应用于各个领域。它通过信息传感设备如传感器、无线射频识别(RadioFrequencyIdentification,RFID)、全球定位系统(GlobalPositioningSystem,GPS)、激光扫描器等,按照规定的协议,把现实中的物品和互联网连接起来,实时采集在物联网中的物体或者过程,采集各种需要的信息,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。各种广泛连接如物与物、物与人等,与互联网结合形成的一个巨大网络。物联网涉及许多技术,包括传感器技术、射频通信技术、GPS技术等。目前,ZigBee技术和通用分组无线服务(GeneralPacketRadioService,GPRS)技术广泛应用于物联网中。ZigBee技术是一种无线网络技术,适合短距离传输,功耗低、速率低,是目前物联网研究的热点技术,它是在IEEE802.15.4规范的基础上,通过多跳接力方式实现无线通信,具有通信简单、组网方式灵活、功耗低、成本低及即时响应等特点。通用分组无线服务技术是一种无线分组交换技术,它是在全球移动通信系统(GlobalSystemforMobilecommunication,GSM)基础上发展起来的,提供客户端到客户端的、广域的无线互联网连接。GPRS技术充分利用已经技术成熟且费用低的全球移动通信系统,由于GPRS模块内置了TCP/IP协议,可以按此协议方便的与互联网接入和通信。随着GPRS模块的价格越来越低,几乎和GSM模块持平,因此在物联网产品中逐步广泛的应用。随着我国经济的飞速发展,各种车辆的急剧增加,与我国目前道路的状况相矛盾。各种交通事故频发,尤其是酒后驾驶造成的事故增多,急需一种有效的措施来控制这种状况,遏制酒后驾驶,减少交通事故。因此借助物联网技术,把每辆汽车作为一个节点,从众多的节点传感器采集数据,然后通过无线传输技术发送到交通管理部门总结点。当出现酒精超标时,自动报警。由于所有子节点都采用嵌入式芯片,具有价格低,易安装,扩展性好,能够实时通信,具有一定智能性和推广使用价值。2系统的总体结构和工作原则2.1控制系统设计系统由7个模块组成:Atmega16单片机控制系统,超高灵敏度的呼气式酒精传感器,继电器控制模块(安全带松紧、点火器开关和车内温度控制),LCD液晶显示模块,声光控制报警模块,语音报警模块和GPRS模块。整个系统采用嵌入式技术安装在汽车仪表盘位置,驾驶座位前方、上方、左右两侧分别安装4个酒精传感器。系统整体架构图如图1所示。2.2酒精传感器检测本系统采用Atmega16嵌入式控制系统,自动探测酒精浓度,控制汽车启动和发出酒驾声光报警,并通过GPRS向交通管理部门发送车辆牌号位置等信息,可有效防止酒后驾驶人员逃避检测,能够有效地杜绝酒后驾驶,从而能够大大的降低交通事故的发生率。当司机进入车内时,发动机处在锁死状态,不能启动,分布在司机周围4个酒精传感器开始工作,检测酒精的摄入量,可以根据酒精含量与酒精传感器检测后产生的电压信号进行酒精含量的判断,检测到的电压信号经放大和滤波后,由A/D转换器把模拟信号转换为数字信号,Atmega16嵌入式系统对此数字信号进行判断,如果检测到司机呼出酒精浓度数值不超标,LCD液晶显示屏幕显示当前酒精浓度,同时绿色指示灯亮(表示酒精浓度不超标),控制继电器停止工作,解除发动机锁死状态,汽车随之启动;如果检测到司机呼出酒精浓度数值超标,则红色指示灯亮(表示酒后驾驶),声光控制系统立即发出报警,控制继电器切断点火开关电源,同时安全带的松紧控制收紧,系统启动语音呼叫装置,通知事先设定的家属联系人,并通过GPRS无线通信技术向临近交通管理部门传输车辆当前位置等信息。汽车在正常行驶时,嵌入式控制系统在低功耗状态,4个酒精浓度传感器一直工作,如果在行驶中酒精传感器检测到酒精浓度异常,控制仪则立即启动开始工作。这种方法既降低了功耗,又能够遏制司机在行驶中饮酒,从而从根本上杜绝了酒后驾驶。3主模块系统设计3.1基于fpga的admm算法控制系统采用由Atmel公司研发出的增强型Atmega16单片机,Atmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间,Atmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz,从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻单元(ALU)相连接,使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率,并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。该单片机是采用RISC先进结构的8位微处理器,功耗低、集成化程度高,大多数执行时间为单个时钟周期,它的工作电压为4.5～5.5V,工作频率为0～16MHz,仿真效果比较好,集成度高降低了故障率,而且成本低、体积小、稳定性好。系统主控制模块设计如图2所示。3.2酒精浓度检测检测对象的血液酒精浓度由人体血液酒精含量与呼出气体中的酒精浓度之间的比值关系计算得出。若小于20g/100L可以正常发动汽车,如果达到20g/100L以上,则通过继电气控制电路禁止发动汽车。酒精传感器的工作原理是根据人饮酒后血液里酒精浓度值与呼出气体的酒精浓度有固定的比例关系。比例公式如下:血液酒精浓(mg/L)=2200*呼气酒精浓度(mg/L)通过酒精传感器检测到的酒精浓度来控制汽车引擎启动系统的动作,根据酒精传感器检测到的人体血液中与呼出气体中的酒精浓度比值判定操作者的醉酒程度,从而控制汽车发动机启动系统和发出报警。我国对酒后驾驶的判定界限为100～300mg/L(血液中酒精浓度),当检测到血液酒精浓度小于200mg/L,酒精浓度不超标,发动机可以正常启动;而当其达到200mg/L以上时,发动机电源切断,锁死不能启动。酒精浓度传感器的灵敏度和准确性对检测结果有很大的影响。本文中采用是具有较高灵敏度的酒精传感器MQ3。由于该型传感器的输出信号为毫伏级电压信号,因此需要对该信号进行放大后再经模数转换传递给控制单元作进一步分析处理。其工作原理如图3所示。3.3语音报警模块本系统声光控模块包括指示灯显示模块和语音报警模块。指示灯显示模块,工作时黄灯亮,酒精超标时红灯亮,酒精未超标时绿灯亮。指示灯电路如图4所示。美国ISD公司的2500芯片,按录放时间60秒、75秒、90秒和120秒分成ISD2560、2575、2590和251204个品种。语音报警模块选用了语音录放集成电路ISD2560作为语音提醒警示电路,其内部集成了包括前置放大器、内部时钟、定时器、采样时钟、滤波器、自动增益控制、逻辑控制、模拟收发器、解码器和480K字节的E2PROM等。具有抗断电、音质好等优点。芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术,能够更加真实、自然的再现语音等音效。它的最大特点在于片内EPROM容量为480k(1400系列为128k),所以录放时间长;有10个地址输入端(1400系列仅为8个),寻址能力可达1024位;最多能分600段;设有OVF(溢出)端,便于多个器件级联。本系统采用单片机直接设置信息段起始地址,同时根据ISD2560的地址分辨率为100ms这一特点,利用单片机内部计数器和定时器每100ms计数一次,则计数器的计数值为语音段所占用的地址单元。语音报警模块设计如图5所示。3.4无线通信技术及应用GPRS是通用分组无线服务技术(GeneralPacketRadioService)的简称,它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS可说是GSM的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同,是以封包(Packet)式来传输,因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算,并非使用其整个频道,理论上较为便宜。GPRS的传输速率可提升至56甚至114kbps。GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式,只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换,这种改造的投入相对来说并不大,但得到的用户数据速率却相当可观。而且,因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器,所以连接及传输都会更方便容易。数据传送之前并不需要预先分配信道,建立连接。而是在每一个数据包到达时,根据数据报头中的信息(如目的地址),临时寻找一个可用的信道资源将该数据报发送出去。在这种传送方式中,数据的发送和接收方同信道之间没有固定的占用关系,信道资源可以看作是由所有的用户共享使用。为了达到物联网控制效果,每一个车辆都作为一个分布的客户终端能够与监控中心平台交互,需要考虑将设备组网。传统的网络设备需要布置有线网络,成本较高,且无法实现对移动车辆的远程控制。因此,本系统采用GPRS无线通信技术,选用华为EM310模块,且体积小,以单片机程序调用AT命令集,通过串行口可控制该模块,使用方便。本设计在系统终端GPS导航系统模块的基础上,当酒精传感器检测到醉酒超标时,该模块会自动发出语音呼叫并将车辆信息发到最近的交通管理部门主控制中心。3.5数控机床产品类型LCD模块是一款低价位高品质的LCD模块,具有高分辨率(点为0.27mm×0.27mm)、高对比度FSTN、高可靠性、低功耗、低价格等优点,特别适用于数控机床、PDA、掌上电脑、游戏机等产品。SED1335是日本SEIKOEPSON公司出品的液晶显示控制器,在同类产品中是功能很强。其特点为:有较强功能的I/O缓冲器;指令功能丰富;4位数据并行发送;图形和文本方式混合显示。SED1335图形点阵LCD模块,显示格式为128(列)×64(行),可以采用串行方式或并行方式,很容易与16位的单片机相连。本系统采用并行通信方式,LCD显示模块设计如图6所示。4a/d数据转换基于物联网的嵌入式酒驾自动检测软件系统是在IAREmbeddedWorkbench开发环境下采用C语言编写的,采用模块化程序设计思想,整个程序包括的子模块有:酒精含量数据采集模块、键盘控制模块及LCD显示模块等几部分构成。下面主要介绍酒精含量数据采集模块。酒精传感器充分利用功能模块的片外设功能,设好中断的优先级后,即使在低功耗模式下,能在很短的时间内实时响应中断。因为MQ-3酒精传感器输出信号是模拟信号,因此需要A/D数据转换才能使用。A/D采集采用序列通道多次转换的工作模式,能在多路信号同时采集完成后执行中断,提高系统响应的实时性,在该探测系统中同时采集酒精传感器、温度传感器和压力传感器信号。通过定时器T0中断,设置一秒启动一次A/D转换得到酒精数值,编码如下:GetAlcoholValue(){uinti;ADC_CONTR&=0xf7;//初始化,控制位清零for(i=300;i>0;i--);//延时ADC_CONTR|=0x08;//开始转换控制位While((ADC_CONTR