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

        2012-10-09 09:46:16沈駿杰
        電子設(shè)計(jì)工程 2012年1期
        關(guān)鍵詞:酒精報(bào)警無(wú)線

        黃 馳,陳 穎,沈駿杰

        (杭州電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

        近年來(lái),我國(guó)汽車(chē)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(chē)監(jiān)測(cè)追蹤車(chē)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(guò)在汽車(chē)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(chē)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(chē)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(guò)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(guò)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(chē)監(jiān)測(cè)追蹤車(chē)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(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí),系統(tǒng)開(kāi)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(chē)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)。

        圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of the system

        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(chē)輛進(jìn)行實(shí)時(shí)的定位跟蹤,存儲(chǔ)目標(biāo)車(chē)輛的地理信息(經(jīng)緯度)[1]。

        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(guò)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(chē)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(guò)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(chē)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(guò)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。

        圖2 酒精濃度檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)Fig.2 Circuit of alcohol concentration detection module

        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[2]。EN=0時(shí),GPS使能,開(kāi)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口[3],平時(shí)狀態(tài)下,BOOT=0;當(dāng) BOOT=1時(shí),進(jìn)入固件更新?tīng)顟B(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(mén)子公司的TC35i[4]。TC35i是一個(gè)支持中文短信息的工業(yè)級(jí)GSM模塊,其性?xún)r(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2 W和1 W,通過(guò)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/1.8 V,TC35i的數(shù)據(jù)接口(CMOS電平)通過(guò)AT[5]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[6]格式 SMS(Short Message Service,短消息),可通過(guò)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(guò)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(zhuān)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(guò)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。

        圖3 報(bào)警顯示模塊電路設(shè)計(jì)Fig.3 Circuit of alarm and display module

        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(mǎn)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(chē)載9 V電源兼容。

        圖4 主控模塊電路圖Fig.4 The circuit of Control module

        圖5 系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)圖Fig.5 Overall of the system

        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(chē)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(chē)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。

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