基于智能网联车辆模型的驾驶员酒后驾驶检测系统研究

(广州铁路职业技术学院，广东 广州 510430)

0 引言

目前常见的检测酒后驾驶的方式是使用吹气式检测仪对道路上的车辆逐一进行检查，这种方式只能抽检部分驾驶员的酒后驾驶状态，而不能对驾驶员进行实时监控[1]。

基于现状，研究一款基于智能网联的酒后驾驶检测装置，能够实时自动检测驾驶员的状态，当检测到驾驶员处于酒后驾驶时，车载终端会发出报警并且将数据无线传输到监控中心，通过多种方式停止驾驶员的酒后驾驶行为。智能网联汽车作为当前重要的研究热点和发展方向，将酒后驾驶检测功能融入其感知和决策当中[2]。本文建立了智能网联的多层级模型，计算出传感器输出电压与实际酒精含量之间的拟合曲线[3]，研究设计了上位机监控中心功能模块。

1 智能网联汽车体系结构搭建

根据车辆数据流的获取与处理过程来划分，智能网联汽车体系结构可以分为感知层、网络层和应用层等层级。每个层级都有具体的功能定位[4]。

a.感知层。感知层主要的功能是获取车辆内部和外部信息的有效信息，并且将数据进行融合。主要是依靠各种传感器，比如酒精检测传感器、GPS全球定位系统和摄像头等，还可以获取汽车CAN总线上的数据。

b.网络层。网络层主要是将感知层获取的数据通过无线网络发送出去，以实现车-车、车-路、车-监控中心之间的通信。主要是通过蓝牙、3G/4G等无线传输网络来实现[5]。

c.决策与应用层。后台监控中心接收网络层传输过来的信息之后，进行分析与处理，做出决策，在目前阶段，决策信息主要起到提醒、预警、紧急情况处理等功能，驾驶员掌握车辆的主动权。按照技术的发展趋势，未来可以实现自动驾驶和无人驾驶[6]。本文所搭建的智能网联汽车三层体系结构如图1所示。

图1 智能网联汽车三层体系结构

2 酒后驾驶检测终端的研究

按照智能网联汽车的三层级体系结构，本次车载终端融合的传感器数据有GPS位置数据、酒精含量检测数据。网络层采用4G模块进行数据的收发。核心处理器使用STM32F103VCT6。首先通过酒精传感器检测驾驶员是否处于酒后驾驶状态及其酒精含量，GPS传感器获取地理位置信息。将酒精含量和地理位置信息在车载终端的显示屏上显示，并且也将信息通过无线网络实时上传至监控中心。当驾驶员处于酒后驾驶时，车载终端会发出语音报警，同时后台接到信息之后也可以通过电话警告、勒令驾驶员停止驾驶，以提高行驶安全[7]。

2.1 酒后驾驶检测终端总体设计方案

该终端由微处理器、酒精传感器、GPS定位传感器、4G无线网络模块以及报警装置等组成。酒精传感器内部电阻随着检测到的酒精含量变化而变化，向模数转换器输出不同的电压值，进行A/D转换后将转换的数据送入微处理器进行分析处理，将酒精含量信号和车辆的位置信息通过4G网络模块传输到监控中心。同时将酒精含量与微处理器内部设置的报警阀值对比，判断是否饮酒或者醉酒驾车，将测得的酒精含量通过液晶板显示出来并根据实际情况给予语音报警提醒[8]。智能网联酒后驾驶检测系统流程如图2所示。

图2 智能网联酒后驾驶检测系统流程

2.2 酒精传感器检测算法研究

结合性能要求和使用场合，本文采用了具有灵敏度较好，使用时间较长的TGS822酒精传感器。

酒精传感器的电路如图3所示。其由2部分构成[9]：一部分是传感器加热；另一部分是信号输出。能够测量出传感器表面电阻Rs变化，而Rs的变化与加载在RL电阻两端的电压VRL直接关联，两者之间的关系为

(1)

VC为加热电压,电路中为5 V；RL为负载电阻，为10 kΩ。

图3 传感器电路

经实验测量，在温度26 ℃，无酒精含量纯空气的条件下，输出端VRL=0.26 V，根据式(1)可以计算出此时RS为19 833 Ω。根据该传感器的灵敏度特性图可知，该传感器电阻比(RS/RO)在纯空气中为17.5，RO是酒精含量为300 ppm时的电阻值，可求得RO值为1 133 Ω。根据RO的固定值和传感器的灵敏度特性图，可以计算出不同酒精含量下对应的RS值[9]，再根据式(1)求解出不同酒精含量下输出电压值VRL。

本次设计时选取了酒精含量在10～500 ppm之间的多个数值，对于酒精气体，符合

(2)

X表示酒精的质量浓度，单位为mg/L；C为酒精以ppm表示的含量；M为气体分子量；T为温度；Ba为压力。再利用MATLAB拟合出酒精含量和输出电压之间的曲线关系。在程序设计中可以用多项式表示此曲线关系，由此可以根据输出电压求出气体状态的酒精含量[10]。实验选取的多个特定酒精含量与其对应的电压值关系如表1所示。

表1 酒精含量(ppm)与输出电压VRL对应

为了使结果更为精确，采用分段拟合的方式。利用MATLAB工具，拟合酒精含量与输出电压之间的曲线和多项式关系[11]。

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

70.374x- 50.179

(2)

y为酒精含量，以百万分比ppm表示；x为测得的输出电压，单位为V。

根据上述在不同含量下的拟合关系，可以根据输出电压计算出被测酒精气体含量。

2.3 GPS定位功能模块设计

当检测到驾驶员处于酒后驾驶时，后台监控中心需要实时获取车辆的位置，在车载终端内置了GPS模块。GPS芯片不断地向微处理器发送定位信息。选择VK162芯片，该芯片上电后自动输出NMEA0183格式的位置信息，若定位传感器输出的数据起始为“$GPRMC”，且数据状态若为“A”则是有效数据，进行下一步处理，若为“V”则是无效数据应当舍弃。软件处理时利用判断“，”间隔来提取其中的时间、经度、纬度等信息，并且通过无线网络传输到上位机，以实现车辆位置的实时监控。纬度信息在GPRMC格式的第3个与第4个逗号之间，经度信息在第5个与第6个逗号之间[12]。

2.4 无线网联模块研究

智能网联汽车的网络层，是将车载终端感知到的数据传输到上位机监控中心。传输的方式有蓝牙、红外和3G/4G等等，考虑车辆实际使用情况以及传输距离、速率等因素，选择4G网络模块。本次选择的是4G DTU透传模块USR-LTE-7S4。通过串口AT指令、网络AT指令和短信AT指令控制4G模块的传输，可以实现监控中心和网络终端之间的信息双向传输。工作电压为DC 5～16 V。4G模块与微处理器之间通过串口来通信，与监控中心之间通过网络AT指令和短信AT指令来通信。无线网络通信过程如图4所示。

图4 无线网络数据传输过程模型

2.5 其他功能研究与设计

为将酒精含量模拟信号转换为数字信号，采用的AD模数转换芯片是PCF8591。PCF8591是一款典型的A/D转换芯片。AD在进行初始化后，根据式(4)可以将检测到酒精转换为电压值，即

(4)

VIN为输入电压；D为采集的数据字节；VREF为AD的参考电压,为5 V。

为了改善用户体验，车载终端内置的报警采用YF017语音芯片，YF017可以通过微处理器IO口控制多段语音的调用与播放。在YF017芯片中存储多段语音片段，在程序中给相应数量的脉冲触发其播放相应的语音片段。语音芯片连接电路如图5所示。

图5 语音芯片连接电路

系统根据检测到的不同的酒精含量值，发出不同的语音报警，设定饮酒和醉酒2种阈值，并且配以相应的指示灯。当含量处于饮酒时系统发出饮酒的语音报警并且黄灯一直闪烁，当含量处于醉酒时系统发出醉酒的语音报警并且红灯一直闪烁。

3 上位机监控中心的研究

上位机是智能网联汽车的应用和决策层，用来接收车载终端传输的数据并且根据情况作出相应的处理，车载终端的4G网络与监控中心的Internet网络之间采用Socket的方式进行通信，监控中心采用Visual Basic进行设计，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务器打开Listen监听，客户端发出连接请求，双方建立连接，服务器接收并获取数据，关闭连接完成整个过程。可以实现车载终端与监控中心之间的数据传输。

监控中心利用Visual Basic语言中的浏览器控件设计了一个电子地图的加载，接收到车载终端传来的经度和纬度信息之后，根据经度和纬度信息可以实时显示车辆所在的位置[13]。

上位机监控中心设计了Access数据库，数据库存储了所有被监控车辆的基本信息，比如车主姓名、车牌号和紧急联系电话等。当网络传输某辆车酒精含量超标时，立刻进行后台比对，显示出该车辆的基本信息和实时位置，立即采取有效的措施。

4 系统测试与结论

对设计的车载终端和上位机监控中心进行了试验研究。选取多位饮酒量不同的测试者进行测试，在该系统启动预热之后，系统LCD显示屏显示检测到的呼气酒精含量，其测试数据如表2所示。

表2 系统测试数据

按相关计算标准血液中酒精含量值可以通过呼出气体中酒精含量值乘以2 200得到。分析表明该系统测试结果与主流的呼气式酒精检测仪检测结果误差在5%以内。对于超过设定报警阈值的测试者车内会响起语音报警，监控中心收到该数据和车辆的地理位置信息，点击“打开电子地图”，会实时显示车辆所在的位置，管理人员可以拔打紧急联系电话阻止驾驶员酒后驾驶。

通过测试结果验证了该设计方案的可行性，将驾驶员酒后驾驶状态融入到智能网联数据中，进行统一集成与管理。

5 结束语

介绍了一种基于智能网联汽车的酒后驾驶检测系统，能够实时检测驾驶员的酒后驾驶状态并且传输到监控中心，将驾驶员酒后驾驶与车辆智能网联融合，实现了车辆位置的实时监控，可以有效地减少酒后驾驶行为，保障生命财产安全。本方案对智能网联汽车和酒后驾驶检测的研究提供了有效的技术支撑。