石富才（湖北工程學院,湖北　孝感　432000）

基于移動通信和GPS的酒駕報警系統(tǒng)的設計

石富才
（湖北工程學院,湖北孝感432000）

隨著科技的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，汽車已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畈豢扇鄙俚囊徊糠?。同時，隨著汽車的普及，交通事故也越來越頻繁，其中就有很大一部分是因為酒后駕駛造成的，這給人們的生命財產(chǎn)帶來了巨大損失，酒后駕駛也被冠以“馬路殺手”的稱號。因此，本文將提出一種車載自動檢測酒后駕駛的新技術(shù)——移動通信和酒駕報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過實時檢測和控制，并將檢測結(jié)果發(fā)送到交警站的方式，大大改善了現(xiàn)有檢測方式帶來的弊端，使享受生活和尊重生命完美結(jié)合。

酒后駕車;酒精檢測;智能管理;GPS;移動通信(GSM)

1　緒論

1.1課題研究的背景和意義

根據(jù)世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計全球每年有130多萬人死于交通事故，而酒后駕駛占其中的50%～60%，顯然酒后駕駛已經(jīng)成為交通事故的重大隱患，其危害觸目驚心。防酒后駕駛迫在眉睫但解決起來非常困難，可謂任重道遠，也需要我們投入更多的物力、財力和人力。

同時根據(jù)GPS系統(tǒng)和移動通信系統(tǒng)將檢測結(jié)果發(fā)送到交通管理部門，交警可以根據(jù)檢測結(jié)果做出相應的處理，從而大大提高了交通管理部門的執(zhí)法效率，減少了執(zhí)法過程對社會資源的浪費。同時，避免了不必要的交通滯留，減少了環(huán)境污染，提高了執(zhí)法部門的公信力。

1.2課題的研究方向和內(nèi)容

該系統(tǒng)設計將實現(xiàn)交警通過交警基站時時監(jiān)控酒后駕駛車輛，并根據(jù)不同的檢測結(jié)果快速做出相應的處理方案，最大化的提高工作效率、節(jié)約社會資源。該系統(tǒng)主要包含六大模塊：酒精檢測、移動通信、提示、控制、存儲和GPS定位模塊。系統(tǒng)將通過不同的酒精檢測結(jié)果來決定是否觸發(fā)提示模塊、移動通信模塊和GPS定位模塊。

2　　系統(tǒng)概述

酒精檢測報警系統(tǒng)包括：酒精檢測模塊、移動通信模塊、GPS定位模塊、提示模塊、發(fā)動機控制模塊、存儲模塊。酒精檢測模塊：呼氣式酒精檢測；移動通信模塊：3G網(wǎng)絡；提示模塊：語音提示和燈光提示。檢測又分為啟動檢測和駕駛檢測。啟動檢測是，駕駛員在啟動車輛時必須經(jīng)過酒精檢測，如果檢測結(jié)果小于酒精濃度標準值，系統(tǒng)就會通過控制環(huán)節(jié)打開油路開關(guān)允許汽車啟動，否則控制環(huán)節(jié)不會打開油路開關(guān)，汽車無法啟動；駕駛檢測是，駕駛員啟動汽車后，檢測系統(tǒng)會根據(jù)設定時間循環(huán)檢測，如果發(fā)現(xiàn)酒精濃度超標，系統(tǒng)會立刻發(fā)出語音提示和燈光提示，若在規(guī)定的時間內(nèi)駕駛員沒有停止駕駛，系統(tǒng)會自動使汽車減速直到停止，最后鎖定汽車，并向交警基站發(fā)出車主個人信息和酒精檢測結(jié)果。如圖1，是酒精檢測系統(tǒng)的總體設計。

中央控制模塊是該系統(tǒng)的大腦，它包含了數(shù)據(jù)的收集、處理和命令的發(fā)送等功能，采用PIC系列芯片。酒精檢測模塊在中央控制模塊控制下進行啟動前酒精濃度檢測和啟動后按設定時間循環(huán)酒精濃度檢測，并將檢測結(jié)果發(fā)送到中央控制模塊。中央控制模塊會根據(jù)酒精濃度的不同做出不同的反應，如果酒精濃度沒有超出標準值，中央控制模塊發(fā)出發(fā)動機啟動指令；如果酒精濃度超出標準值，中央控制模塊會根據(jù)汽車的當時運動狀態(tài)發(fā)出不同的控制指令。若汽車處于熄火狀態(tài)，中央控制模塊發(fā)出禁止發(fā)動機啟動的指令；若汽車處于運動狀態(tài)，中心控制模塊向提示模塊發(fā)出提示指令，同時向控制模塊發(fā)出延時控制指令，若在規(guī)定的時間內(nèi)汽車沒有停止前行，控制模塊會自動控制發(fā)動機油路，直到發(fā)動機熄火，剎車系統(tǒng)和汽車應急提示燈打開。同時中央控制模塊將GPS信息和車主信息通過移動通信模塊發(fā)送到交警基站。

2.1基于該系統(tǒng)禁駕模塊的設計

酒后禁駕系統(tǒng)設計將包含酒精檢測、信息處理、GPS定位、移動通信等系統(tǒng)的設計。其中先通過酒精檢測裝置收集信息，再將信息加以處理、對比，根據(jù)對比結(jié)果由中央控制器發(fā)出操作指令，再由移動通信系統(tǒng)和控制系統(tǒng)完成對應操作。

電子鼻檢測技術(shù)是一種新的氣體檢測技術(shù)，它是傳感器、電子、信號處理和計算機等多個技術(shù)的融合。到目前為止，其應用在環(huán)境保護、質(zhì)量控制、化工控制等各個領(lǐng)域都有很多成功的案例。隨著科技的不斷進步和相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，電子鼻將會在各行各業(yè)得到大量使用。

2.2 基于該系統(tǒng)GPS模塊的設計

GPS數(shù)據(jù)格式定義：

$GPRMC，＜1＞,＜2＞,＜3＞,＜4＞,＜5＞,＜6＞,＜7＞,＜8＞,＜9＞,＜10＞,＜11＞＜CR＞＜LF＞

（1）時間定位的標準格式：時時-分分-秒秒.妙妙妙（hhmmss.sss）

（2）定位狀態(tài)，A=輸入數(shù)據(jù)可用，V=輸入數(shù)據(jù)不可用。

（3）緯度的格式：度度-分分.分分分分（ddmm.mmmm）。

（4）緯度劃分，北半球（N）與南半球（S）。

（5）經(jīng)度的格式：度度-分分.分分分分。

（6）經(jīng)度劃分，東半球（E）與西半球（W）。

（7）有效相對位移速度，0.0至1851.8knots

（8）有效相對位移方向，000.0至359.9度，實際值。

（9）日期的格式：日日月月年年（ddmmyy）。

（10）磁極的變量，000.0至180.0。

（11）度數(shù)。

（12）Checsum。

GPGSA（GPS精度指針及使用衛(wèi)星格式）

2.3 基于該系統(tǒng)移動通信模塊的設計

在通信雙方有一方或著兩方處于運動中的通信。包含陸上、海上、空中移動通信。使用的頻段有低頻、中頻、高頻、甚高頻和特高頻。移動通信系統(tǒng)是由移動平臺、基站、移動交換局構(gòu)成。如果要同某個移動臺通信，移動交換局通過各基站向全網(wǎng)發(fā)出呼叫信號，被呼叫基站收到后發(fā)出應答信號，移動交換局收到應答信號后分配唯一信道給該移動臺并從此話路信道中傳送一信令使其振鈴。

（1）反向開環(huán)功率控制。移動平臺根據(jù)在小區(qū)中收到功率的變化，調(diào)節(jié)移動平臺發(fā)射的功率以達到所有移動平臺發(fā)出信號在各自基站時有一樣的功率。這是為了能夠補償陰影、信號拐彎等效應。

（2）反向的閉環(huán)功率控制。設計閉環(huán)功率控制的目標：使基站對移動平臺的開環(huán)功率快速做出糾正，以確保移動平臺保持在最合理的發(fā)射功率。

（3）前向功率控制。在前向功率的控制中，基站參照移動平臺提供的有效測量結(jié)果，以此來調(diào)整對每個移動平臺的發(fā)出功率，其目的是對路徑衰減小的移動平臺分配相對較小的前向鏈路的功率，而對那些遠離基站或誤碼率高的移動平臺分配相對較大的前向鏈路的功率。

2.4本章小結(jié)

本章對車載酒后禁駕系統(tǒng)做了整體設計，主要包含中央控制模塊、酒精的檢測模塊、發(fā)動機控制模塊、信號發(fā)射模塊和存儲模塊構(gòu)成。對酒后駕駛車采用了GPS系統(tǒng)和移動通信系統(tǒng)，進行定位和實時監(jiān)控。

3　基于該系統(tǒng)的硬件設計

3.1硬件使用

3.2PIC16F877A最小系統(tǒng)

在PIC16F877A最小系統(tǒng)工作時使用的是電路的時鐘信號，同時采用阻容復位，12MHz的晶振。系統(tǒng)實用的是上電位復位電路，即在MCLR和VDD之間通過電阻（保護電路）相連，在VDD大于1.6V小于1.8V時，電路就會產(chǎn)生一個復位脈沖將系統(tǒng)直接復位。為了實現(xiàn)高效安全的目的，本系統(tǒng)采用自動復位和人工復位兩種復位方式。在整個系統(tǒng)設置中，只有PIC16F877A一個控制芯片，其余的模塊都是通過該芯片控制。同時系統(tǒng)的IC總線支持兩線控制的通信模式，它們擁有一個7位專用地址碼。7位地址碼的分部：

（1）高四位是器件的類型地址，這些固定地址是不能改變的。

（2）低三位是引腳設定地址，可以通過器件的引腳接線狀態(tài)來配置。

3.3酒精傳感器的設計

本設計使用半導體式的酒精傳感器MQ303，它擁有對乙醇靈敏度高、選擇性好和快速響應等優(yōu)點。同時它驅(qū)動回路簡單、價格低廉，在相同功能下能夠降低成本。同時在本系統(tǒng)采用HIH-3610濕度傳感器，有三方面考慮的因素：

（1）系統(tǒng)會根據(jù)濕度傳感器識別駕駛員是否向呼氣口呼入氣體，確保駕駛員在啟動汽車之前對酒精檢測；

（2）因為酒精傳感器對環(huán)境有一定的依賴，同時環(huán)境的濕度隨時間變化，這也造成數(shù)據(jù)的漂移，所以為了避免環(huán)境對檢測結(jié)果的影響，提高檢測精度，電路中會對檢測結(jié)果進行補償；

（3）由于呼出氣體受環(huán)境、氣流速度和氣口到傳感器的距離的影響，在檢測的到的檢測結(jié)果必須進行修正。

以上方法可以有效的降低呼氣檢測中外部和內(nèi)部造成的影響，可以有效的提高酒精濃度檢測的精度。

HIH-3610特點如下：

（1）SVDC輸入，0.8～3.9VDC輸出；

（2）低功耗設計:200uA驅(qū)動電流，很適合電流供電的低功耗系統(tǒng)；

（3）快速反映:15秒；

（4）穩(wěn)定性好，低漂移，抗化學腐蝕性能；

（5）工作范圍:-40～85℃，0～100%RH。

3.4語音提示電路的設計

在該系統(tǒng)中采用的是ISD1730語音芯片，該芯片可以完成信息管理、雙運行模式和獨自設定指示音效。同時芯片內(nèi)部包括自帶內(nèi)存、自帶振動器、麥克風的放大器和揚聲器的驅(qū)動電路，最終實現(xiàn)全方向的整合。

3.5 SIM300模塊電路圖設計

SIM 300串口為串行異步收發(fā)器，符合RS232串口電路。引腳RXD、TXD與MAX232相連，實現(xiàn)電平傳換和串口通信功能。將COMS電平轉(zhuǎn)化為RS-232電平，利用AT指令通信，最終實現(xiàn)GSM模塊與PC機的數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)供電電壓為可將電壓由SV降到SV4.2V，SIM300模塊電壓電源設置為4.2V，利用LM 2576ADJ電路為其提供工作電壓。在運行時要注意電源供給功率，輸入電壓不能低于3.4V，即使在傳輸突發(fā)脈沖串中電流小號可能上升到2A時，也要確保電壓不低于3.4V，模塊可能自動關(guān)閉。

3.6 GPS模塊硬件設計

REB-3571的 內(nèi) 部采用SiRFStarIII單 芯片 技 術(shù)， 其 具有4MbFLASH和11MbSRAM。1MbSRAM并且?guī)в袀溆秒姵?，這樣就能夠保留衛(wèi)星軌道的參數(shù)、時間和位置等上一次關(guān)鍵數(shù)據(jù)。GPS模塊輸出TTL電平，且具有兩個RS-232全雙工的串口。波特率為4800到57600可調(diào)。

REB-3571的電氣性能參數(shù)如下所示:

（1）工作電壓電流為3.3V/72mA；

（2）能實現(xiàn)20個通道并行接受，接受頻率為1575.42MHz；

（3） 能 支 持NMEA-0183V3.0協(xié) 議， 支 持DGPS(WAAS/ EGNOS/RTCM);

（4）模塊啟動時間快，冷啟動定位時間42s，熱啟動定位時間1s，數(shù)據(jù)捕獲時間0.1s；

（5）定位速度塊，最大速度415m/s；

（6）海拔高度最大18km。

3.7 電源電路的設計

為了滿足各個模塊的要求，分別采用芯片LM 2576將12V電壓轉(zhuǎn)為SV電壓，為單片機供電如圖3.16。然后用LM 2576_ADJ將5V電壓轉(zhuǎn)為4.2V電壓，為SIM 300模塊供電如圖3.17。用TP8350為酒精傳感器MQ303供電如圖3.19。LM 2576輸入電壓范圍比較大，一般輸入電壓7V～40V。輸出固定電壓3.3V/5V/12V/15V，叮選。LM2576_ADJ是輸出電壓可調(diào)型，輸入端加濾波電容，可以減少輸入端的干擾。輸出端的四個電容也是用于減小干擾，保證電源的輸出電壓穩(wěn)定。輸出電壓與輸入電壓調(diào)整關(guān)系山公式:=1.25(1+/)，其中，拭即為電路中凡，。通過調(diào)節(jié)，的電壓值，就可以改變電壓值的輸出大小。LM1117-3.3固定電壓輸出3.3Ve輸入輸出端加入濾波電容，以減少信號干擾。

3.8 本章小結(jié)

本章主要介紹了酒駕報警系統(tǒng)的硬件設計。首先介紹了系統(tǒng)的中央器件PIC15f778A與酒精檢測、語音提示、燈光提示、GPS定位和移動通信各個模塊鏈接的關(guān)系。然后是系統(tǒng)各個模塊的電路構(gòu)成，各個芯片引腳使用的主要功能。

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