基于智能網(wǎng)聯(lián)車輛模型的駕駛員酒后駕駛檢測系統(tǒng)研究

(廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510430)

0 引言

目前常見的檢測酒后駕駛的方式是使用吹氣式檢測儀對道路上的車輛逐一進(jìn)行檢查，這種方式只能抽檢部分駕駛員的酒后駕駛狀態(tài)，而不能對駕駛員進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控[1]。

基于現(xiàn)狀，研究一款基于智能網(wǎng)聯(lián)的酒后駕駛檢測裝置，能夠?qū)崟r自動檢測駕駛員的狀態(tài)，當(dāng)檢測到駕駛員處于酒后駕駛時，車載終端會發(fā)出報警并且將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，通過多種方式停止駕駛員的酒后駕駛行為。智能網(wǎng)聯(lián)汽車作為當(dāng)前重要的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向，將酒后駕駛檢測功能融入其感知和決策當(dāng)中[2]。本文建立了智能網(wǎng)聯(lián)的多層級模型，計算出傳感器輸出電壓與實(shí)際酒精含量之間的擬合曲線[3]，研究設(shè)計了上位機(jī)監(jiān)控中心功能模塊。

1 智能網(wǎng)聯(lián)汽車體系結(jié)構(gòu)搭建

根據(jù)車輛數(shù)據(jù)流的獲取與處理過程來劃分，智能網(wǎng)聯(lián)汽車體系結(jié)構(gòu)可以分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層等層級。每個層級都有具體的功能定位[4]。

a.感知層。感知層主要的功能是獲取車輛內(nèi)部和外部信息的有效信息，并且將數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。主要是依靠各種傳感器，比如酒精檢測傳感器、GPS全球定位系統(tǒng)和攝像頭等，還可以獲取汽車CAN總線上的數(shù)據(jù)。

b.網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層主要是將感知層獲取的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，以實(shí)現(xiàn)車-車、車-路、車-監(jiān)控中心之間的通信。主要是通過藍(lán)牙、3G/4G等無線傳輸網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)[5]。

c.決策與應(yīng)用層。后臺監(jiān)控中心接收網(wǎng)絡(luò)層傳輸過來的信息之后，進(jìn)行分析與處理，做出決策，在目前階段，決策信息主要起到提醒、預(yù)警、緊急情況處理等功能，駕駛員掌握車輛的主動權(quán)。按照技術(shù)的發(fā)展趨勢，未來可以實(shí)現(xiàn)自動駕駛和無人駕駛[6]。本文所搭建的智能網(wǎng)聯(lián)汽車三層體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能網(wǎng)聯(lián)汽車三層體系結(jié)構(gòu)

2 酒后駕駛檢測終端的研究

按照智能網(wǎng)聯(lián)汽車的三層級體系結(jié)構(gòu)，本次車載終端融合的傳感器數(shù)據(jù)有GPS位置數(shù)據(jù)、酒精含量檢測數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)層采用4G模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。核心處理器使用STM32F103VCT6。首先通過酒精傳感器檢測駕駛員是否處于酒后駕駛狀態(tài)及其酒精含量，GPS傳感器獲取地理位置信息。將酒精含量和地理位置信息在車載終端的顯示屏上顯示，并且也將信息通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時上傳至監(jiān)控中心。當(dāng)駕駛員處于酒后駕駛時，車載終端會發(fā)出語音報警，同時后臺接到信息之后也可以通過電話警告、勒令駕駛員停止駕駛，以提高行駛安全[7]。

2.1 酒后駕駛檢測終端總體設(shè)計方案

該終端由微處理器、酒精傳感器、GPS定位傳感器、4G無線網(wǎng)絡(luò)模塊以及報警裝置等組成。酒精傳感器內(nèi)部電阻隨著檢測到的酒精含量變化而變化，向模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出不同的電壓值，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送入微處理器進(jìn)行分析處理，將酒精含量信號和車輛的位置信息通過4G網(wǎng)絡(luò)模塊傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。同時將酒精含量與微處理器內(nèi)部設(shè)置的報警閥值對比，判斷是否飲酒或者醉酒駕車，將測得的酒精含量通過液晶板顯示出來并根據(jù)實(shí)際情況給予語音報警提醒[8]。智能網(wǎng)聯(lián)酒后駕駛檢測系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 智能網(wǎng)聯(lián)酒后駕駛檢測系統(tǒng)流程

2.2 酒精傳感器檢測算法研究

結(jié)合性能要求和使用場合，本文采用了具有靈敏度較好，使用時間較長的TGS822酒精傳感器。

酒精傳感器的電路如圖3所示。其由2部分構(gòu)成[9]：一部分是傳感器加熱；另一部分是信號輸出。能夠測量出傳感器表面電阻Rs變化，而Rs的變化與加載在RL電阻兩端的電壓VRL直接關(guān)聯(lián)，兩者之間的關(guān)系為

(1)

VC為加熱電壓,電路中為5 V；RL為負(fù)載電阻，為10 kΩ。

圖3 傳感器電路

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測量，在溫度26 ℃，無酒精含量純空氣的條件下，輸出端VRL=0.26 V，根據(jù)式(1)可以計算出此時RS為19 833 Ω。根據(jù)該傳感器的靈敏度特性圖可知，該傳感器電阻比(RS/RO)在純空氣中為17.5，RO是酒精含量為300 ppm時的電阻值，可求得RO值為1 133 Ω。根據(jù)RO的固定值和傳感器的靈敏度特性圖，可以計算出不同酒精含量下對應(yīng)的RS值[9]，再根據(jù)式(1)求解出不同酒精含量下輸出電壓值VRL。

本次設(shè)計時選取了酒精含量在10～500 ppm之間的多個數(shù)值，對于酒精氣體，符合

(2)

X表示酒精的質(zhì)量濃度，單位為mg/L；C為酒精以ppm表示的含量；M為氣體分子量；T為溫度；Ba為壓力。再利用MATLAB擬合出酒精含量和輸出電壓之間的曲線關(guān)系。在程序設(shè)計中可以用多項(xiàng)式表示此曲線關(guān)系，由此可以根據(jù)輸出電壓求出氣體狀態(tài)的酒精含量[10]。實(shí)驗(yàn)選取的多個特定酒精含量與其對應(yīng)的電壓值關(guān)系如表1所示。

表1 酒精含量(ppm)與輸出電壓VRL對應(yīng)

為了使結(jié)果更為精確，采用分段擬合的方式。利用MATLAB工具，擬合酒精含量與輸出電壓之間的曲線和多項(xiàng)式關(guān)系[11]。

y= 0.255 7x4- 0.385 1x3- 13.362x2+

70.374x- 50.179

(2)

y為酒精含量，以百萬分比ppm表示；x為測得的輸出電壓，單位為V。

根據(jù)上述在不同含量下的擬合關(guān)系，可以根據(jù)輸出電壓計算出被測酒精氣體含量。

2.3 GPS定位功能模塊設(shè)計

當(dāng)檢測到駕駛員處于酒后駕駛時，后臺監(jiān)控中心需要實(shí)時獲取車輛的位置，在車載終端內(nèi)置了GPS模塊。GPS芯片不斷地向微處理器發(fā)送定位信息。選擇VK162芯片，該芯片上電后自動輸出NMEA0183格式的位置信息，若定位傳感器輸出的數(shù)據(jù)起始為“$GPRMC”，且數(shù)據(jù)狀態(tài)若為“A”則是有效數(shù)據(jù)，進(jìn)行下一步處理，若為“V”則是無效數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)舍棄。軟件處理時利用判斷“，”間隔來提取其中的時間、經(jīng)度、緯度等信息，并且通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，以實(shí)現(xiàn)車輛位置的實(shí)時監(jiān)控。緯度信息在GPRMC格式的第3個與第4個逗號之間，經(jīng)度信息在第5個與第6個逗號之間[12]。

2.4 無線網(wǎng)聯(lián)模塊研究

智能網(wǎng)聯(lián)汽車的網(wǎng)絡(luò)層，是將車載終端感知到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)監(jiān)控中心。傳輸?shù)姆绞接兴{(lán)牙、紅外和3G/4G等等，考慮車輛實(shí)際使用情況以及傳輸距離、速率等因素，選擇4G網(wǎng)絡(luò)模塊。本次選擇的是4G DTU透傳模塊USR-LTE-7S4。通過串口AT指令、網(wǎng)絡(luò)AT指令和短信AT指令控制4G模塊的傳輸，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心和網(wǎng)絡(luò)終端之間的信息雙向傳輸。工作電壓為DC 5～16 V。4G模塊與微處理器之間通過串口來通信，與監(jiān)控中心之間通過網(wǎng)絡(luò)AT指令和短信AT指令來通信。無線網(wǎng)絡(luò)通信過程如圖4所示。

圖4 無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程模型

2.5 其他功能研究與設(shè)計

為將酒精含量模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，采用的AD模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片是PCF8591。PCF8591是一款典型的A/D轉(zhuǎn)換芯片。AD在進(jìn)行初始化后，根據(jù)式(4)可以將檢測到酒精轉(zhuǎn)換為電壓值，即

(4)

VIN為輸入電壓；D為采集的數(shù)據(jù)字節(jié)；VREF為AD的參考電壓,為5 V。

為了改善用戶體驗(yàn)，車載終端內(nèi)置的報警采用YF017語音芯片，YF017可以通過微處理器IO口控制多段語音的調(diào)用與播放。在YF017芯片中存儲多段語音片段，在程序中給相應(yīng)數(shù)量的脈沖觸發(fā)其播放相應(yīng)的語音片段。語音芯片連接電路如圖5所示。

圖5 語音芯片連接電路

系統(tǒng)根據(jù)檢測到的不同的酒精含量值，發(fā)出不同的語音報警，設(shè)定飲酒和醉酒2種閾值，并且配以相應(yīng)的指示燈。當(dāng)含量處于飲酒時系統(tǒng)發(fā)出飲酒的語音報警并且黃燈一直閃爍，當(dāng)含量處于醉酒時系統(tǒng)發(fā)出醉酒的語音報警并且紅燈一直閃爍。

3 上位機(jī)監(jiān)控中心的研究

上位機(jī)是智能網(wǎng)聯(lián)汽車的應(yīng)用和決策層，用來接收車載終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并且根據(jù)情況作出相應(yīng)的處理，車載終端的4G網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心的Internet網(wǎng)絡(luò)之間采用Socket的方式進(jìn)行通信，監(jiān)控中心采用Visual Basic進(jìn)行設(shè)計，其中的Winsock控件可以很好地完成Socket通信功能，主要的流程是首先服務(wù)器打開Listen監(jiān)聽，客戶端發(fā)出連接請求，雙方建立連接，服務(wù)器接收并獲取數(shù)據(jù)，關(guān)閉連接完成整個過程?？梢詫?shí)現(xiàn)車載終端與監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸。

監(jiān)控中心利用Visual Basic語言中的瀏覽器控件設(shè)計了一個電子地圖的加載，接收到車載終端傳來的經(jīng)度和緯度信息之后，根據(jù)經(jīng)度和緯度信息可以實(shí)時顯示車輛所在的位置[13]。

上位機(jī)監(jiān)控中心設(shè)計了Access數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫存儲了所有被監(jiān)控車輛的基本信息，比如車主姓名、車牌號和緊急聯(lián)系電話等。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸某輛車酒精含量超標(biāo)時，立刻進(jìn)行后臺比對，顯示出該車輛的基本信息和實(shí)時位置，立即采取有效的措施。

4 系統(tǒng)測試與結(jié)論

對設(shè)計的車載終端和上位機(jī)監(jiān)控中心進(jìn)行了試驗(yàn)研究。選取多位飲酒量不同的測試者進(jìn)行測試，在該系統(tǒng)啟動預(yù)熱之后，系統(tǒng)LCD顯示屏顯示檢測到的呼氣酒精含量，其測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

按相關(guān)計算標(biāo)準(zhǔn)血液中酒精含量值可以通過呼出氣體中酒精含量值乘以2 200得到。分析表明該系統(tǒng)測試結(jié)果與主流的呼氣式酒精檢測儀檢測結(jié)果誤差在5%以內(nèi)。對于超過設(shè)定報警閾值的測試者車內(nèi)會響起語音報警，監(jiān)控中心收到該數(shù)據(jù)和車輛的地理位置信息，點(diǎn)擊“打開電子地圖”，會實(shí)時顯示車輛所在的位置，管理人員可以拔打緊急聯(lián)系電話阻止駕駛員酒后駕駛。

通過測試結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計方案的可行性，將駕駛員酒后駕駛狀態(tài)融入到智能網(wǎng)聯(lián)數(shù)據(jù)中，進(jìn)行統(tǒng)一集成與管理。

5 結(jié)束語

介紹了一種基于智能網(wǎng)聯(lián)汽車的酒后駕駛檢測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r檢測駕駛員的酒后駕駛狀態(tài)并且傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，將駕駛員酒后駕駛與車輛智能網(wǎng)聯(lián)融合，實(shí)現(xiàn)了車輛位置的實(shí)時監(jiān)控，可以有效地減少酒后駕駛行為，保障生命財產(chǎn)安全。本方案對智能網(wǎng)聯(lián)汽車和酒后駕駛檢測的研究提供了有效的技術(shù)支撐。