酒后駕車監(jiān)測追蹤車載系統(tǒng)硬件設(shè)計

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)測追蹤車載系統(tǒng)。設(shè)計實現(xiàn)了該系統(tǒng)主控模塊、酒精濃度檢測模塊、GPS定位模塊、GSM無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、報警顯示模塊的硬件部分。經(jīng)過測試，各模塊工作正常。該系統(tǒng)具有快速檢測，準(zhǔn)確定位，實時追蹤等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：GSM-GPS；監(jiān)測；車載系統(tǒng)；硬件設(shè)計

    近年來，我國汽車保有量在不斷增長，與此同時，由酒后駕駛所造成的人員傷亡及財產(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，各國都提出了很多方法，在國外有使用如酒精鑰匙Alcokey，紅外相機監(jiān)測酒駕等來進行實時監(jiān)控。國內(nèi)對于酒駕的檢測主要還是使用一些常規(guī)方法，即用手持式呼氣酒精測試和頂空氣相色譜儀血液酒精檢驗。但是上述兩種方法只能由交通監(jiān)管人員設(shè)卡實施，給酒駕檢測帶來了很大的不便，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)測追蹤車載系統(tǒng)，該系統(tǒng)由主控模塊，酒精濃度檢測模塊，GPS定位模塊，GSM無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，和報警顯示模塊組成。通過在汽車內(nèi)安裝酒精濃度檢測模塊，來檢查駕駛?cè)藛T的酒精含量：借助GPS定位模塊實時定位酒駕車輛的地理位置；GSM無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將檢測到的酒駕車輛地理位置信息發(fā)送到交通指揮監(jiān)控中心實現(xiàn)整個實時監(jiān)控過程。文章著重從系統(tǒng)的硬件部分著手，詳細(xì)闡述了各個硬件模塊的設(shè)計及實現(xiàn)過程，與傳統(tǒng)的酒精檢測儀器相比，該系統(tǒng)有快速檢測，準(zhǔn)確定位，實時追蹤等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    酒后駕車監(jiān)測追蹤車載系統(tǒng)由主控模塊，酒精濃度檢測模塊，GPS定位模塊，GSM無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和報警顯示模塊組成，其總體框圖如圖1所示。酒精濃度檢測模塊循環(huán)檢測駕駛者酒精濃度，若酒精濃度超過預(yù)先設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)開啟GPS定位模塊進行定位。待GPS模塊定位成功，GSM無線數(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)送到交警平臺上。同時，報警顯示模塊發(fā)出報警，提醒駕駛者當(dāng)前處于酒后駕駛狀態(tài)。

    酒精濃度檢測模塊主要功能是檢測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)對車輛進行實時的定位跟蹤，存儲目標(biāo)車輛的地理信息(經(jīng)緯度)。
    GSM無線數(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)送到交警平臺上，以便交警能夠?qū)崟r跟蹤目標(biāo)車輛。
    報警顯示模塊用于酒精濃度的超限報警以及顯示一些必要的日常信息。
    主控模塊負(fù)責(zé)各個子模塊之間的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)計算。當(dāng)接收到酒精濃度檢測模塊傳遞過來的濃度超標(biāo)信號后，就喚醒GPS模塊和GSM模塊，并且處罰報警模塊。這里我們選用Atmel公司的ATmega16L作為主控芯片。
1．1 酒精濃度檢測模塊設(shè)計
    酒精濃度檢測模塊主要由3個部分組成：酒精傳感器，小信號放大電路和A／D轉(zhuǎn)換器。
    酒精傳感器是整個模塊的核心，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，抗干擾能力強的特點，我們選擇了MQ-3酒精傳感器。MQ-3傳感器對乙醇蒸汽有很高的靈敏度和良好的選擇性，它的測量范圍是10～1 000 ppm的酒精濃度，在測量范圍內(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，就可測得空氣中酒精的酒精含量。
    該系統(tǒng)設(shè)計電路如圖2所示。U1是酒精傳感器，兩個F引腳為加熱引腳，用來給傳感器預(yù)熱，A，B引腳為信號輸出，A接電源，B與地之間串一個200 kΩ的采樣電阻(實際電路中用一個電位器來替代)，其作用是將體電阻Rs轉(zhuǎn)化為電壓輸出，運放U2A組成一個同向放大電路，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，就可以計算出空氣中得酒精含量。

1．2 GPS定位模塊設(shè)計
    GPS定位模塊采用韓國JCOM公司的產(chǎn)品C3-370c，該款接收機體積小，定位準(zhǔn)確，使用串口(RX和TX)與主控進行通信。在實際的應(yīng)用中，只將其中一條TX引腳與主控的RX引腳連接，這樣不僅可以簡化設(shè)計，節(jié)約的IO端口，又方便控制。GPS模塊平時不啟動，只有當(dāng)酒精濃度檢測模塊檢測到酒精濃度超標(biāo)時才啟動，因此需要有一個控制端，這里我們利用了GPS的一個引腳EN，即GPS的使能端。EN=0時，GPS使能，開始定位；EN=1時，GPS不使能，進入休眠狀態(tài)，此時的功耗幾乎為0。該款GPS接收機還預(yù)留了一個BOOT，平時狀態(tài)下，BOOT=0；當(dāng)BOOT=1時，進入固件更新狀態(tài)，固件中可以更新GPS模塊的當(dāng)前時區(qū)，波特率等，方便在不同的地點使用此系統(tǒng)。
1. 3 GSM無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計
    采用西門子公司的TC35i。TC35i是一個支持中文短信息的工業(yè)級GSM模塊，其性價比很高，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；可傳輸語音和數(shù)據(jù)信號，在GSM900和GSM1800時功耗分別為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)斷信號實現(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 報警顯示模塊設(shè)計
    報警顯示模塊用于酒精濃度的超限報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背光接口，在外部光線不足的時候可以用一個跳線帽點亮背光，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來模擬SPI時序，形成一個軟件SPI，因此我們將LCD5110的接口放在了5個通用IO而非專用SPI接口上，增加了布線的方便性。報警裝置采用一個有源蜂鳴器，用一個NPN三極管做電流放大，如圖3所示，三極管的基極通過一個電阻連接到主控的一個IO上，控制蜂鳴器發(fā)聲與否。

1．5 主控模塊設(shè)計
    主控模塊由單片機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，其片上集成了一個10位的AD轉(zhuǎn)換器，分辨率達到5／1024，足以滿足酒精濃度檢測模塊中的采樣要求；片上還有一個全雙工串口，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)計如圖4所示。

2 系統(tǒng)測試
    整個系統(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，各個模塊的電源均獨立從電源層供出，同時這樣可以減少電源紋波對信號的干擾，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)測追蹤系統(tǒng)。本設(shè)計實現(xiàn)了該系統(tǒng)主控模塊，酒精濃度檢測模塊，GPS定位模塊，GSM無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，報警顯示模塊的硬件部分。本系統(tǒng)整體體積小，便于車載；成本相對低，便于推廣應(yīng)用；覆蓋范圍廣，而且還可以自行升級固件，具有極好的實際應(yīng)用前景。