基于物联网的防酒驾和超速系统硬件电路设计

基于物联网的 防酒驾和超速系统硬件电路 设计

孙影

大庆师范学院 机电工程学院，黑龙江 大庆 163712

摘 要：汽车已经成为人们生活中不可缺少的代步工具，为人们节省了时间、提高了效率，但是酒后、超速驾驶所造成的交通事故屡屡发生。设计并实现一种酒驾检测与超速监测的报警系统已经成为了必然之事，通过对车辆速度和位置及驾驶员是否酒驾进行检测，采用高精度的测速与定位模块，优化检测驾驶员酒驾方法，能够提高超速和酒驾报警准确率，并通过GSM模块将车辆的位置通知其监管人员。此时监管人员可以通过人为干预，加强对驾驶员的监督与管理，严防安全事故的发生。

关键词：酒精检测；测速与定位模块；GSM模块

中图分类号：TP36 文献标识码：A 文章编号： 收稿日期：2022-01-03

0 引言

近年来随着社会经济的迅速发展，人们生活水平的不断提高，汽车保有量逐年增多，在汽车速度不断提升以及人们对生存环境进一步关心的趋势下，社会上越来越多人的开始关注汽车行车安全以及道路交通安全方面的管理。现在中国的交通事故死亡人数己位居全球第一。然而，我国目前限制酒后驾驶的措施依旧停留在传统阶段，即通过交警设卡对来往的车辆中的驾驶员进行酒精检测。借助于酒精测试仪对驾驶员进行酒后检测，虽然在一定程度上限制了驾驶员的酒后驾车行为，但是不能从根本上限制酒驾行为的发生。凭借交警的酒驾检测，不仅需要消耗大量的人力，还带来了较多资源的浪费，不能对大范围进行布控。对此，如何从根本上解决酒后驾驶行为的发生成为当前社会关注的重点，也是急需解决的一个难题。因此，一款可以限制酒驾行为的汽车防酒驾系统己经成为社会发展所需。

针对上述出现的问题，本文从智能化、主动性方面入手，结合车载酒精检测的原理，提出对驾驶室内酒精浓度多维检测并施行防酒驾措施的技术手段，即利用多维酒精传感器对驾驶员的呼气酒精浓度进行检测，当判断出驾驶员呼气酒精浓度超过一定浓度时，汽车主动采取自锁的行为，在行驶过程中，如果检测出汽车速度超过设定值，车内报警电路开始报警并通过GSM技术告知家人，通过该手段的酒驾预防系统成本较低、准确率高，而且不受车型的限制，应用前景较好。

1 总体方案的设计

该系统应采用多个传感器模块采集数据实现能够进行超速和报警并通知其监管人员的功能。首先要检测驾驶员是否喝酒，采用高精度的检测模块，设计模块位置，提高报警的准确率，其次实时测量汽车的速度，如果车速高于设定速度，则视为超速，有必要在汽车中实现声光报警，同时控制模块定位位置，然后通过GSM生成汽车报警器的位置信息。总体的系统设计需要包括以下几部分：通过传感器监测司机身上的酒精浓度。如果酒精残留符合标准，才允许汽车打火启动；酒精检测通过后，就开始进行超速检测；当车辆处于行驶状态中，该系统基于GPS的测速技术，通过卫星定位模块进行测速，对车辆的速度进行实时检测，若车速高于最高设置值，则蜂鸣器工作给出示警信号，以提示司机必须降低车速，并且将车辆的速度和位置显示在液晶显示屏。当发生酒驾或者超速行驶时，系统可以通过GPS模块进行车辆定位，再通过GSM传输报警信息给其监管人员。具体系统总体方案的硬件结构如图2-1所示。

图1 系统原理框图

2 硬件电路设计

超速和酒后驾驶报警设计主要由STC89C52RC单片机，声音报警模块，GSM模块，测速定位模块等组成。

1、 单片机电路设计

如果将STC89C52RC芯片用作核心芯片，则将需要一个晶体振荡器电路，一个复位电路和一个5V电源。复位电路用于执行清除单片机内部寄存器的操作，特别是在打开每个设备后，系统会自动清除，然后单片机重新开始执行程序。复位电路分为电源复位和按钮复位。

由于不必手动重新启动该系统，因此仅执行重新启动。晶体振荡器电路也非常重要。没有晶体振荡器电路，微控制器将无法正常工作。如果没有复位电路，则每次打开微控制器时都不会清除系统寄存器，从而在执行系统程序时造成混乱。单片机最小系统具体电路如图2所示。大多数电路图、非常低的功耗使其满足了系统所需的功能。

图2 单片机电路原理图

2、 酒精检测电路设计

MQ-3酒精传感器的基本原理可以简单地描述为一种将检测到的酒精浓度转换为有用的电信号的设备，并且可以根据这些电信号的强度进行测量，从而提供有关待测气体存在的信息。MQ-3气体传感器由陶瓷管，二氧化硅敏感层，测量电极和加热器组成。传感器安装在塑料或不锈钢腔中。加热器为气体传感器提供了必要的工作条件。它由氧化铝制成的微型陶瓷管，氧化锌敏感层，测量引脚电极和温度加热器组成。敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的空腔中，加热器为气体传感器提供了必要的工作条件。酒精检测电路如图3所示。

图3 酒精检测电路图

3、 GSM模块电路设计

当系统检测到驾驶员呼气酒精浓度超过一定标准值时，防酒驾系统会把车辆的基本信息以及驾驶员行为通过GSM模块发送到系统绑定的家人手机中，便于采取相应的措施，如果家人确定驾驶员存在饮酒行为，不对系统进行确定，则车辆无法完成正常使用，如果通过代驾或者朋友对车辆进行驾驶并得到家人的同意确认以后，车辆方可正常使用。

在该系统中，GSM模块是系统中重要的移动通信终端，可以执行数据传输和短消息服务。该系统使用SIM900A通信模块，三频GSM/GPRS模块。全国使用900/1800/1900MHz这三个频率进行无线通信。此外，该模块还集成了TCP/IP协议并扩展了AT命令，这使得系统和用户使用该模块进行数据传输更加方便。

图4 GSM模块电路图

4、 定位模块

GPS模块选择以GT-U7为主要芯片的模块。这种类型的模块相对便宜并且易于使用。在调试过程中，使用主机软件检查从GPS模块接收的数据是否正确，以及在该区域中是否可以接收GPS信号，从而可以节省大量调试时间。该模块使用串行接口进行通信，与单片机连接时，只需要两条通信线和两条数据线，这非常方便，并且获得的数据不会因价格而不准确。采用GT-U7定位模块来确定车辆的经度和纬度，将这个经度和纬度显示在液晶显示屏上，并可以通过GSM模块将这个经度和纬度发送到系统绑定的家人手机中，便于家人了解和确定驾驶员驾驶车辆的位置。

图5 定位模块电路图

5、 液晶屏电路设计

LCD12864是当今广泛使用的液晶显示设备。它不仅可以显示图像，而且还可以显示汉字。有两种接口模式：并行端口和串行端口。而串行端口模式和微控制器接口电路非常简单。它简化了软件设计过程和数据传输，而无需片选信号。它们可以串联和并联使用，视角为6点，工作电压不需要太高，编程简单，功耗低，成本价格比液晶模块略低。液晶屏显示具体电路如图4所示。

图6 液晶屏显示电路图

6、 报警电路设计

如果车内驾驶员饮酒过量时，报警电路会通过蜂鸣器和LED灯进行声光报警。当车辆的酒精传感器检测到相应的酒精蒸气信号时，它将信息传输到A / D转换器，然后传输到单片机进行处理。当汽车中的酒精浓度超过程序设置的阈值时，微控制器为所连接的连接提供液位，以便LED点亮并且蜂鸣器响起。声音报警电路如图5所示。

图7 声音报警电

3 结论

本设计通过调研目前酒驾及超速驾驶的检测技术，结合目前市场上相关产品存在的缺陷，将酒驾检测与超速检测进行整合，采用单片机控制为基础的预防车辆超速和酒后驾驶的车载型系统，进行了模块化的软件与硬件设计工作，包含声音报警、定位、车速检测、酒精检测、GSM传输等若干模块等。对于发现问题的车辆及时通过GPS定位技术与GSM传输技术进行定位和报告，增加了其可用性。通过实验验证，证明各模块判断准确，分析监测结果可靠，系统稳定性及抗干扰能力良好。系统经总体结构设计、硬件原件选型、各模块电路设计、软件开发、实物制作等步骤，最终得到了满足设计功能需求的系统一套。经过实物功能验证，实物满足设计需求，具有一定的使用价值。

参考文献

[1]黄驰，陈颖，沈骏杰，等：《酒后驾车监测追踪车载系统的设计与实现》，《大众科技》2012第1期，第16-18页.

[2]芦芝萍：《基于物联网的嵌入式酒驾自动检测系统设计》，《物联网技术》，2014第21卷第7期，第8-11页.

[3]李涛，李辉，冯建蕾：《基于单片机的车载酒后驾驶自动检测系统研究》，《科学时代月刊》，2011第2期，第82-83页.

[4]王强，于士军：《汽车超速警报器设计》，《汽车实用技术》，2016第9期，第100-102页.

[5]李阳，马洪新：《基于单片机的防酒驾系统设计与实现》，《内蒙古科技与经济》，2016第22期第82-83页．

作者简介：孙影（1987-），女，黑龙江大庆人，黑龙江省大庆师范学院机电工程学院教师，从事检测技术与自动化装置方向研究。

基金项目：大庆市指导性科技计划项目：基于物联网技术的汽车防酒驾系统的设计与实现（zd-2021-01）