酒后駕車監(jiān)測(cè)追蹤車載系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

摘要：為了減少酒駕所造成的交通事故的發(fā)生，提出了一種基于GSM-GPS的酒后駕車監(jiān)測(cè)追蹤車載系統(tǒng)。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)主控模塊、酒精濃度檢測(cè)模塊、GPS定位模塊、GSM無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊、報(bào)警顯示模塊的硬件部分。經(jīng)過測(cè)試，各模塊工作正常。該系統(tǒng)具有快速檢測(cè)，準(zhǔn)確定位，實(shí)時(shí)追蹤等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：GSM-GPS；監(jiān)測(cè)；車載系統(tǒng)；硬件設(shè)計(jì)

    近年來(lái)，我國(guó)汽車保有量在不斷增長(zhǎng)，與此同時(shí)，由酒后駕駛所造成的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失的交通事故發(fā)生率也不斷攀升。為了杜絕這種現(xiàn)象的發(fā)生，各國(guó)都提出了很多方法，在國(guó)外有使用如酒精鑰匙Alcokey，紅外相機(jī)監(jiān)測(cè)酒駕等來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。國(guó)內(nèi)對(duì)于酒駕的檢測(cè)主要還是使用一些常規(guī)方法，即用手持式呼氣酒精測(cè)試和頂空氣相色譜儀血液酒精檢驗(yàn)。但是上述兩種方法只能由交通監(jiān)管人員設(shè)卡實(shí)施，給酒駕檢測(cè)帶來(lái)了很大的不便，也不能從根本上杜絕酒后駕駛的違章行為。
    筆者提出了一種基于GSM-GPS的酒后駕車監(jiān)測(cè)追蹤車載系統(tǒng)，該系統(tǒng)由主控模塊，酒精濃度檢測(cè)模塊，GPS定位模塊，GSM無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，和報(bào)警顯示模塊組成。通過在汽車內(nèi)安裝酒精濃度檢測(cè)模塊，來(lái)檢查駕駛?cè)藛T的酒精含量：借助GPS定位模塊實(shí)時(shí)定位酒駕車輛的地理位置；GSM無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊將檢測(cè)到的酒駕車輛地理位置信息發(fā)送到交通指揮監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)整個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)控過程。文章著重從系統(tǒng)的硬件部分著手，詳細(xì)闡述了各個(gè)硬件模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過程，與傳統(tǒng)的酒精檢測(cè)儀器相比，該系統(tǒng)有快速檢測(cè)，準(zhǔn)確定位，實(shí)時(shí)追蹤等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    酒后駕車監(jiān)測(cè)追蹤車載系統(tǒng)由主控模塊，酒精濃度檢測(cè)模塊，GPS定位模塊，GSM無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊和報(bào)警顯示模塊組成，其總體框圖如圖1所示。酒精濃度檢測(cè)模塊循環(huán)檢測(cè)駕駛者酒精濃度，若酒精濃度超過預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)開啟GPS定位模塊進(jìn)行定位。待GPS模塊定位成功，GSM無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊將目標(biāo)車輛的地理位置信息(經(jīng)緯度)發(fā)送到交警平臺(tái)上。同時(shí)，報(bào)警顯示模塊發(fā)出報(bào)警，提醒駕駛者當(dāng)前處于酒后駕駛狀態(tài)。

    酒精濃度檢測(cè)模塊主要功能是檢測(cè)駕駛者呼出氣體中的酒精濃度含量，由MQ-3酒精傳感器，小信號(hào)放大電路以及A／D轉(zhuǎn)換電路組成。一旦酒精濃度超標(biāo)，它就傳遞信息給主控模塊。
    GPS定位模塊負(fù)責(zé)對(duì)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)的定位跟蹤，存儲(chǔ)目標(biāo)車輛的地理信息(經(jīng)緯度)。
    GSM無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)將GPS模塊定位到的地理位置信息通過短信的方式發(fā)送到交警平臺(tái)上，以便交警能夠?qū)崟r(shí)跟蹤目標(biāo)車輛。
    報(bào)警顯示模塊用于酒精濃度的超限報(bào)警以及顯示一些必要的日常信息。
    主控模塊負(fù)責(zé)各個(gè)子模塊之間的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)計(jì)算。當(dāng)接收到酒精濃度檢測(cè)模塊傳遞過來(lái)的濃度超標(biāo)信號(hào)后，就喚醒GPS模塊和GSM模塊，并且處罰報(bào)警模塊。這里我們選用Atmel公司的ATmega16L作為主控芯片。
1．1 酒精濃度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)
    酒精濃度檢測(cè)模塊主要由3個(gè)部分組成：酒精傳感器，小信號(hào)放大電路和A／D轉(zhuǎn)換器。
    酒精傳感器是整個(gè)模塊的核心，常用的酒精傳感器主要有電化學(xué)酒精傳感器，半導(dǎo)體酒精傳感器等等?？紤]到這套系統(tǒng)為車載系統(tǒng)，因此需要傳感器具有體積小，精度高，響應(yīng)快，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，我們選擇了MQ-3酒精傳感器。MQ-3傳感器對(duì)乙醇蒸汽有很高的靈敏度和良好的選擇性，它的測(cè)量范圍是10～1 000 ppm的酒精濃度，在測(cè)量范圍內(nèi)，該傳感器的體電阻與空氣中的酒精含量成線性關(guān)系，我們通過將體電阻的變化轉(zhuǎn)化為一種電壓的變化，就可測(cè)得空氣中酒精的酒精含量。
    該系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路如圖2所示。U1是酒精傳感器，兩個(gè)F引腳為加熱引腳，用來(lái)給傳感器預(yù)熱，A，B引腳為信號(hào)輸出，A接電源，B與地之間串一個(gè)200 kΩ的采樣電阻(實(shí)際電路中用一個(gè)電位器來(lái)替代)，其作用是將體電阻Rs轉(zhuǎn)化為電壓輸出，運(yùn)放U2A組成一個(gè)同向放大電路，其放大倍數(shù)為，這里R3=R2，所以放大倍數(shù)為2倍，然后運(yùn)放輸出端接A／D輸入端，這里A／D我們采用ATmega16L的片上A／D，其分辨率為10位，足以滿足我們的采集需求。由此，得到輸出電壓與體電阻Rs的關(guān)系為，其中R1=200kΩ，Rs為體電阻，然后再根據(jù)體電阻與酒精濃度的線性關(guān)系，就可以計(jì)算出空氣中得酒精含量。

1．2 GPS定位模塊設(shè)計(jì)
    GPS定位模塊采用韓國(guó)JCOM公司的產(chǎn)品C3-370c，該款接收機(jī)體積小，定位準(zhǔn)確，使用串口(RX和TX)與主控進(jìn)行通信。在實(shí)際的應(yīng)用中，只將其中一條TX引腳與主控的RX引腳連接，這樣不僅可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，節(jié)約的IO端口，又方便控制。GPS模塊平時(shí)不啟動(dòng)，只有當(dāng)酒精濃度檢測(cè)模塊檢測(cè)到酒精濃度超標(biāo)時(shí)才啟動(dòng)，因此需要有一個(gè)控制端，這里我們利用了GPS的一個(gè)引腳EN，即GPS的使能端。EN=0時(shí)，GPS使能，開始定位；EN=1時(shí)，GPS不使能，進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時(shí)的功耗幾乎為0。該款GPS接收機(jī)還預(yù)留了一個(gè)BOOT，平時(shí)狀態(tài)下，BOOT=0；當(dāng)BOOT=1時(shí)，進(jìn)入固件更新狀態(tài)，固件中可以更新GPS模塊的當(dāng)前時(shí)區(qū)，波特率等，方便在不同的地點(diǎn)使用此系統(tǒng)。
1. 3 GSM無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)
    采用西門子公司的TC35i。TC35i是一個(gè)支持中文短信息的工業(yè)級(jí)GSM模塊，其性價(jià)比很高，工作在GSM900和GSM1800雙頻段，其電源范圍為直流3．3～4．8 V；電流消耗為：休眠狀態(tài)3．5 mA，空閑狀態(tài)25 mA，發(fā)射狀態(tài)平均300 mA，峰值為2．5 A；可傳輸語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信號(hào)，在GSM900和GSM1800時(shí)功耗分別為2W和1W，通過接口連接器和天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線。SIM電壓為3 V／1．8V，TC35i的數(shù)據(jù)接口(CMOS電平)通過AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，可選波特率300b／s～115kb／s，自動(dòng)波特率為1．2～115 kb／s。它支持Text和PDU格式SMS(Short Message Service，短消息)，可通過AT命令或關(guān)斷信號(hào)實(shí)現(xiàn)重啟和故障恢復(fù)。TC35i由供電模塊(ASIC)、閃存、ZIF連接器、天線接口等6部分組成。
1．4 報(bào)警顯示模塊設(shè)計(jì)
    報(bào)警顯示模塊用于酒精濃度的超限報(bào)警和日常信息的顯示，由蜂鳴器和LCD5110組成，LCD5110是一款常用的液晶屏，供電2．7～5．5 V，通過不同的字庫(kù)取模，可以顯示數(shù)字，英文字母，漢字和圖片，該款液晶還具有一個(gè)背光接口，在外部光線不足的時(shí)候可以用一個(gè)跳線帽點(diǎn)亮背光，提供照明。LCD5110與主控MCU的通信采用SPI接口，但是為了硬件IO的通用性和軟件的可移植性，本系統(tǒng)中用通用IO來(lái)模擬SPI時(shí)序，形成一個(gè)軟件SPI，因此我們將LCD5110的接口放在了5個(gè)通用IO而非專用SPI接口上，增加了布線的方便性。報(bào)警裝置采用一個(gè)有源蜂鳴器，用一個(gè)NPN三極管做電流放大，如圖3所示，三極管的基極通過一個(gè)電阻連接到主控的一個(gè)IO上，控制蜂鳴器發(fā)聲與否。

1．5 主控模塊設(shè)計(jì)
    主控模塊由單片機(jī)ATmega16L及其外圍電路組成的最小系統(tǒng)構(gòu)成。ATmega16L是一塊8位單片機(jī)，其片上集成了一個(gè)10位的AD轉(zhuǎn)換器，分辨率達(dá)到5／1024，足以滿足酒精濃度檢測(cè)模塊中的采樣要求；片上還有一個(gè)全雙工串口，用于GPS模塊和GSM模塊的數(shù)據(jù)通信。ATmega16L普通模式下功耗僅為3．3 mW，非常適合本系統(tǒng)應(yīng)用。其電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

2 系統(tǒng)測(cè)試
    整個(gè)系統(tǒng)如圖5所示，共分3層，上層為主控芯片和顯示部分，預(yù)留了酒精傳感器和GPS的接口，中間的部分是GSM模塊，底層為電源層，各個(gè)模塊的電源均獨(dú)立從電源層供出，同時(shí)這樣可以減少電源紋波對(duì)信號(hào)的干擾，系統(tǒng)由外部9 V電源供電，與車載9 V電源兼容。

3 結(jié)論
    為了防止駕駛者因飲酒駕駛而導(dǎo)致交通事故，提出了酒后駕車監(jiān)測(cè)追蹤系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)主控模塊，酒精濃度檢測(cè)模塊，GPS定位模塊，GSM無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，報(bào)警顯示模塊的硬件部分。本系統(tǒng)整體體積小，便于車載；成本相對(duì)低，便于推廣應(yīng)用；覆蓋范圍廣，而且還可以自行升級(jí)固件，具有極好的實(shí)際應(yīng)用前景。