汽車防酒駕控制系統(tǒng)設(shè)計

桑楠，干為民，周旋，劉帥凱

(常州工學(xué)院機械與車輛工程學(xué)院，江蘇 常州 213032)

0 引言

酒后駕車是導(dǎo)致交通事故的重要原因之一，特別是對于一些惡性交通事故[1-3]。我國從2011年5月1日開始將醉酒駕車納入刑法處罰。但醉駕入刑是一種事后處罰措施，難以從源頭上杜絕酒駕行為。要杜絕酒駕行為還應(yīng)采取事前防范措施，從汽車的設(shè)計上保證酒后不能駕駛汽車，從而避免因酒駕導(dǎo)致的交通事故。

世界各國為預(yù)防酒后駕車，從法律上和汽車設(shè)計上予以控制。美國和加拿大早在20世紀90年代中期就開始采用呼氣酒精點火自動鎖止裝置，即用酒精鎖(Alcolock)來防止酒后駕駛。2012年美國50個州通過法律，駕駛員一旦被發(fā)現(xiàn)酒駕，其車上將強制安裝酒精鎖，否則將坐牢，但酒精鎖不是汽車出廠標準配置。瑞典的Saab在2007年推出名為Alcokey的遙控酒精鎖，駕駛員必須先進行酒精測試，通過后方能啟動發(fā)動機，當時價格在400美元左右，成本增加不少，同時使用不方便，也不能在汽車行駛中進行測試，如果作為汽車的標準配置仍需較大改進。Nissan的酒精辨識方案則是在駕駛員上車后，通過位于頭枕和排擋桿上的汗液酒精傳感器測試駕駛員血液酒精含量，如果超標，排擋桿就一直鎖定在P檔位置，防止酒后駕駛，該方案優(yōu)點是汽車行駛中一直進行酒精測試。

唐偉翔、蔡博安把酒精檢測和車鑰匙結(jié)合起來設(shè)計了Goodriver酒精鑰匙：通過酒精檢測車鑰匙才會彈出；如果不能通過檢測則需要選用呼叫朋友或出租車功能，并可利用車內(nèi)GPS 定位確切位置[4]。黃世強于2009年申請了“從汗液中檢測酒精濃度的禁駕系統(tǒng)”的專利[5]。在國外，據(jù)報道美國Martin等開發(fā)了貼在人體皮膚上的傳感器，通過汗液精確地測量血液中的酒精含量[6]，這種傳感器如果能達到實時測量，便可用于防酒駕。

上述防酒駕系統(tǒng)對于遏制酒駕具有較好的實用性，但仍存在一些問題，需要改進。一是如何防止檢測時作弊；二是如何防止駕駛員行車途中飲酒；三是如何識別車內(nèi)其他人飲酒，而駕駛員沒有飲酒。

1 防酒駕控制系統(tǒng)工作流程

本控制系統(tǒng)對駕駛員進入車內(nèi)、發(fā)動汽車、行駛整個過程予以連續(xù)監(jiān)控，防止酒后駕駛造成嚴重事故。其控制流程如圖1所示。

圖1 防酒駕控制流程圖

從駕駛員打開車門開始，先檢測車內(nèi)空氣中酒精含量，如合格則直接啟動發(fā)動機，如不合格則對駕駛員進行酒精含量檢測，該步驟是為防止駕駛員未飲酒而車內(nèi)其他乘員飲酒導(dǎo)致的車內(nèi)酒精含量超標。

駕駛員酒精含量超標則警告燈閃爍，且系統(tǒng)鎖死發(fā)動機啟動系統(tǒng)和電動油泵，汽車不能行駛，有效防止酒后駕車。駕駛員酒精含量檢測合格則啟動車輛，進入車內(nèi)信號檢測步驟，檢測駕駛員側(cè)車門是否關(guān)閉、駕駛位上乘員是否離開、駕駛位上的安全帶是否系上等。這些車內(nèi)信號檢測均合格，則之前的駕駛員酒精含量檢測才是有效的。如果發(fā)動機啟動后車內(nèi)信號檢測不合格，表明作為駕駛員進行酒精含量檢測的人離開過駕駛位，需重新進入前面的檢測程序，以防止駕駛員在酒精含量檢測上作弊。

通過車內(nèi)信號檢測的車輛如果長期處于靜止狀態(tài)，車輛將重新進入車內(nèi)信號檢測狀態(tài)。通過車內(nèi)信號檢測并處于行駛狀態(tài)的車輛，每隔半小時進行一次車內(nèi)空氣酒精含量檢測，合格則繼續(xù)行駛，不合格則車內(nèi)警告燈閃爍，以及語音提示酒精含量超標，并將對車輛駕駛員進行酒精含量檢測，合格則繼續(xù)行駛，不合格將鎖死啟動系統(tǒng)和電動油泵，車輛無法繼續(xù)行駛。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 防酒駕系統(tǒng)原理

對于車內(nèi)信號，如座椅、安全帶、駕駛員側(cè)車門等狀況，直接從汽車ECU(電子控制單元)中提取，用于判斷接受測試的人員是否為真正的駕駛員，排除酒精含量檢測中的作弊現(xiàn)象。

鎖死汽車啟動系統(tǒng)和電動油泵是防止酒后駕車的有效措施，因此本文主要考慮防酒駕啟動系統(tǒng)的設(shè)計。酒精含量檢測系統(tǒng)主要采用FX2N系列PLC、FX2N-2AD的模擬量輸入模塊，另外還有酒精傳感器MQ-3及數(shù)據(jù)顯示人機界面HMI。其中PLC是核心部分，作為整個系統(tǒng)的控制處理器。傳感器模塊負責檢測車內(nèi)人員呼出氣體中的酒精含量，并將其轉(zhuǎn)換成所需要的模擬量電流信號。FX2N-2AD的模擬量輸入模塊功能是把從酒精傳感器模塊獲得的模擬量轉(zhuǎn)換成PLC可操作的數(shù)字量，將轉(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)送給PLC。數(shù)據(jù)顯示人機界面HMI負責檢測值的設(shè)定、報警和實際測量值的顯示，當酒精含量超過設(shè)定值時亮燈，實現(xiàn)報警功能。繼電器控制模塊用來控制起動機繼電器，防止駕駛員酒后啟動，造成事故。

當駕駛員坐到座位上后，酒精含量檢測裝置啟動。當酒精傳感器模塊檢測到酒精氣體時，將檢測數(shù)據(jù)發(fā)送至A/D轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)化為PLC可以識別的數(shù)字信號。PLC根據(jù)接收到的信號判斷酒精含量是否正常。若不正常，則PLC發(fā)出信號，HMI顯示屏發(fā)出警報，并控制發(fā)動機的點火裝置以限制汽車的啟動。若正常，則汽車正常啟動。汽車行駛中，檢測裝置繼續(xù)工作，若檢測發(fā)現(xiàn)駕駛員酒精含量超標，則發(fā)出警報[7-8]。

由于汽車副駕駛?cè)藛T、汽車后排座位人員、汽車內(nèi)的空氣流通都會對系統(tǒng)的檢測產(chǎn)生影響，因此本系統(tǒng)采用多傳感器對比檢測的方法。

在汽車主駕駛座位前方(A區(qū))、副駕駛座位前方(B區(qū))與后排座位中間(C區(qū))各放置1個酒精傳感器。如果測得A區(qū)酒精含量大于B區(qū)酒精含量，同時大于C區(qū)酒精含量，并且超過標準含量，則傳感器發(fā)出警報，并啟動繼電器斷電[9]。

2.2 防酒駕系統(tǒng)方案

本文主要研究的是呼氣式酒精含量的檢測。防酒駕系統(tǒng)方案如圖2所示。

圖2 防酒駕系統(tǒng)方案

2.3 傳感器模塊

呼氣式酒精傳感器MQ-3具有較好的穩(wěn)定性、靈敏度、選擇性和抗腐蝕性。MQ-3酒精傳感器輸出模擬電壓量，該信號較小，需設(shè)計外圍電路放大。放大電路采用集成運算放大器LM393。MQ-3與放大器LM393的連接如圖3所示。outA腳輸出被放大的酒精傳感器信號。MQ-3傳感器檢測到被測氣體后，M、N兩點間的電阻值發(fā)生改變，酒精含量越高，N點的電位就越高，由此經(jīng)過放大后的電壓也就越大[10]。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換模塊與主控芯片模塊

三菱公司FX2N-2AD的模擬輸入有電壓輸入和電流輸入供選擇：2個模擬輸入通道接受0～10 V、0～5 V的電壓或4～24 mA的電流。可以調(diào)節(jié)模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換特性。模塊有8個I/O口。使用FROM/TO指令可以便捷地與PLC進行數(shù)據(jù)傳輸。本設(shè)計的PLC采用FX2N-16MR。

2.5 人機界面HMI模塊

人機界面HMI是工作人員與機器設(shè)備之間互相溝通的橋梁，多功能顯示屏可以根據(jù)用戶需求，通過文字、按鈕、圖形、數(shù)字等多種形式來管理隨時變化的信息。設(shè)計中采用上海步科自動化有限公司的Kinco MT4210T人機界面。圖4為防酒駕控制系統(tǒng)各模塊連接圖。

圖3 MQ-3傳感器與LM399放大器連接圖

圖4 系統(tǒng)硬件連接圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計原理

當駕駛員坐到駕駛位置，按下測試按鈕X0，系統(tǒng)開始工作，系統(tǒng)將測得的A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)數(shù)據(jù)，經(jīng)過FX2N-2AD數(shù)字量化分別存儲到PLC的數(shù)據(jù)寄存器D10、D20、D30。

為保證測量數(shù)據(jù)的準確性，系統(tǒng)將20次測試數(shù)據(jù)取平均值，存儲到PLC的數(shù)據(jù)寄存器D110、D112、D114。

將3個平均值數(shù)據(jù)分別作比較，如果D110數(shù)據(jù)>D112數(shù)據(jù)，D110數(shù)據(jù)>D114數(shù)據(jù)，且D110數(shù)據(jù)>設(shè)定值(測試前所設(shè)定的酒駕標準)，則判斷該駕駛員酒精含量超標，同時蜂鳴器報警，繼電器切斷發(fā)動機引擎電路，不允許汽車發(fā)動，人機界面同時文本顯示“您的酒精值超標，不適合駕駛汽車”。

如果上述測試條件不成立，那么蜂鳴器與繼電器回路不動作，同時人機界面會顯示“您的酒精值在安全范圍，可放心駕駛”。

3.2 PLC程序的編制

采用GX Developer軟件編制三菱PLC程序。PLC程序注釋表見表1。

表1 PLC程序注釋表

3.3 人機界面HMI

設(shè)定酒精值超標的標準，將PLC采樣的A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)各20次測量平均值在人機界面上顯示，如果超標就會彈出警示畫面，如果不超標就顯示可正常駕駛畫面。

4 系統(tǒng)仿真與調(diào)試

將系統(tǒng)按接線圖完整接線，制作PLC與人機界面之間的串口通信線，然后送電，將編程口旁的小開關(guān)撥至RUN的位置，運行燈由暗變亮。打開所編制過的PLC工程文件，選擇菜單欄里的【在線】—【PLC寫入】，這時彈出通信界面窗口，選擇所需要的通信參數(shù)(FX2N選擇默認)，點擊窗口中的通信測試，顯示FX2N通信成功，表明已經(jīng)連接上了PLC。

這時點擊【確定】按鈕，彈出下載工程的菜單欄，勾選要下載到PLC中的內(nèi)容，點擊執(zhí)行按鈕，窗口會提示“是否執(zhí)行遠程STOP操作后，執(zhí)行CPU寫入”，點擊“YES”。

然后軟件會將所編寫的程序輸入到PLC中，最后會提醒是否執(zhí)行遠程運行，點擊“YES”，這時軟件彈出已完成的提示框，表示程序已經(jīng)下載成功。

在編輯好的人機組態(tài)畫面，點擊菜單欄上的【工具】，選擇第一個選項，然后kinco軟件會在編譯信息窗口提示編譯完成，0錯誤，0警告。

再選擇【工具】菜單，選擇下載，軟件彈出需要下載的項目類。選擇項目之后，選擇下載，這時會看到下載的進度條一直往前移動(下載前一定要先把USB驅(qū)動裝上，系統(tǒng)中的HMI為USB口傳輸模式)，待進度條走完以后，可以看見HMI 中已經(jīng)有我們編輯過的工程畫面了。同時，注意HMI上的COM指示燈是否快速閃動：如果是，則表示這時HMI已經(jīng)與PLC通信成功；如果不是，則表示通信沒有連接上，HMI上會以英文顯示PLC沒有響應(yīng)，這時需要重新檢查通信電纜的連接是否正確，設(shè)備之間的通信參數(shù)是否合理。

至此，所需要的程序已經(jīng)全部輸入到相應(yīng)的設(shè)備中。將GX Developer軟件打開，選擇在線菜單中的監(jiān)視模式，所有的數(shù)據(jù)內(nèi)容均可在計算機屏幕中顯示出來。這時，可以在HMI中設(shè)置酒精測試標準值。

在車內(nèi)無酒精環(huán)境下進行測試，點擊運行按鈕X0，會顯示酒精含量為0，然后彈出綠色畫面顯示“您的酒精值在安全范圍，可放心駕駛”。

在駕駛員酒精含量超標的情況下測試，HMI也會顯示相應(yīng)的酒精含量值，并會彈出黃色報警畫面：您的酒精值超標，不適合駕駛汽車。

表2為系統(tǒng)模擬試驗部分結(jié)果，表明該系統(tǒng)能有效識別駕駛員酒駕。

5 結(jié)論

本文對防酒駕控制系統(tǒng)進行了設(shè)計，通過對車內(nèi)信號的檢測判斷是否為駕駛員本人進行的酒精測試，同時在車輛行駛過程中對駕駛員酒精含量進行監(jiān)測，當駕駛員酒精含量超標時通過鎖死車輛啟動系統(tǒng)和電動油泵，實現(xiàn)防止駕駛員酒后駕車。

表2 系統(tǒng)在環(huán)仿真結(jié)果