2022年2022年酒后驾车监测追踪车载系统硬件设计 .pdf

酒后驾车监测追踪车载系统硬件设计黄 驰，陈 颖 ，沈骏杰（ 杭州电子科技大学通信工程学院，浙江杭州310018）摘要 ：为了减少酒驾所造成的交通事故的发生， 提出了一种基于GSM-GPS的酒后驾车监测追踪车载系统。设计实现了该系统主控模块、 酒精浓度检测模块、GPS定位模块、GSM无线数据传输模块、 报警显示模块的硬件部分。 经过测试， 各模块工作正常。 该系统具有快速检测， 准确定位， 实时追踪等优点。关键词 ：GSM-GPS；监测 ；车载系统；硬件设计中图分类号：TP277文献标识码：A文章编号：1674 6236（2012）01-0010-03Design of hardwarein drunkendrivingmonitoringand trackingsystemHUANG Chi，CHEN Ying，SHEN Jun-jie（College of Communication Engineering，HangzhouDianzi University，Hangzhou 310018，China）Abstract: In order to reduce the traffic accidentscausedby drunk driving a vehicle tracking systemto monitor drinking basedonthe GSM -GPSisproposed.Thisdesignrealizethe hardwareofthe systemcontrolling module，thealcoholconcentrationdetectionmodule，theGPSpositioningmodule，theGSMwirelessdatatransmissionmoduleandthe alarmanddisplaymodule.After functiontest，the systemis provedto run properly.It hasthe advantagesof rapid detection，accuratepositioning and real-time tracking.Key words: GSM-GPS；monitor；in-vehicle system；hardware design收稿日期：2011-11-19稿件编号：201111096基金项目： 浙江省新苗人才计划（ZX110701034）作者简介： 黄 驰（1990）， 男， 浙江杭州人。 研究方向： 单片机及嵌入式系统。近年来 ， 我国汽车保有量在不断增长， 与此同时， 由酒后驾 驶 所造 成 的 人员 伤 亡 及财 产 损 失的 交 通 事故 发 生 率 也 不断攀升 。为了杜绝这种现象的发生， 各国都提出了很多方法，在国外有使用如酒精钥匙Alcokey，红外相机监测酒驾等来进行实时监控。国内对于酒驾的检测主要还是使用一些常规方法 ， 即用手持式呼气酒精测试和顶空气相色谱仪血液酒精检验 。但是上述两种方法只能由交通监管人员设卡实施， 给酒驾检测带来了很大的不便， 也不能从根本上杜绝酒后驾驶的违章行为。笔者提出了一种基于GSM-GPS的酒后驾车监测追踪车载系统 ， 该系统由主控模块， 酒精浓度检测模块，GPS定位模块 ，GSM无线数据传输模块， 和报警显示模块组成。通过在汽车内安装酒精浓度检测模块， 来检查驾驶人员的酒精含量；借 助GPS定 位 模 块 实 时 定 位 酒 驾 车辆 的 地 理 位 置 ；GSM无线数 据 传 输模 块 将 检测 到 的 酒驾 车 辆 地理 位 置 信 息 发 送 到交通指挥监控中心实现整个实时监控过程。文章着重从系统的硬件部分着手， 详细阐述了各个硬件模块的设计及实现过程 ， 与传统的酒精检测仪器相比， 该系统有快速检测， 准确定位 ， 实时追踪等优点。1系统结构酒后驾车监测追踪车载系统由主控模块， 酒精浓度检测模块 ，GPS定 位 模块 ，GSM无 线 数据 传 输 模块 和 报 警 显 示 模块组成 ， 其总体框图如图1所示 。 酒精浓度检测模块循环检测驾驶者酒精浓度， 若酒精浓度超过预先设定的阈值时， 系统开启GPS定位模块进行定位。 待GPS模块定位成功，GSM无线数据传输模块将目标车辆的地理位置信息（ 经纬度 ） 发送到交警平台上。同时 ， 报警显示模块发出报警， 提醒驾驶者当前处于酒后驾驶状态。酒精 浓 度 检测 模 块 主要 功 能 是 检 测 驾 驶 者 呼 出 气 体 中的 酒精 浓 度 含量 ， 由MQ-3酒 精传 感 器 ， 小 信 号 放 大 电 路 以及A/D转换电路组成。一旦酒精浓度超标， 它就传递信息给主控模块。GPS定位模块负责对车辆进行实时的定位跟踪， 存储目标车辆的地理信息（ 经纬度 ）1。GSM无线数据传输模块负责将GPS模块定 位 到 的地 理位置信息通过短信的方式发送到交警平台上， 以便交警能够实时跟踪目标车辆。电子设计工程Electronic Design Engineering第20卷Vol.20第1期No.12012年1月Jan. 2012图 1系统结构框图Fig. 1Structure diagram of the system名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 报警 显 示 模块 用 于 酒精 浓 度 的 超 限 报 警 以 及 显 示 一 些必要的日常信息。主控模块负责各个子模块之间的数据交换和数据计算。当接收到酒精浓度检测模块传递过来的浓度超标信号后， 就唤醒GPS模块和GSM模块 ， 并且处罚报警模块。这里我们选用Atmel公司的ATmega16L作为主控芯片。1.1酒精浓度检测模块设计酒精浓度检测模块主要由3个部分组成：酒精传感器，小信号放大电路和A/D转换器 。酒精传感器是整个模块的核心， 常用的酒精传感器主要有电化学酒精传感器， 半导体酒精传感器等等。考虑到这套系统为车载系统， 因此需要传感器具有体积小， 精度高 ， 响应快 ， 抗干扰能力强的特点， 我们选择了MQ-3酒精传感器。MQ-3传感器对乙醇蒸汽有很高的灵敏度 和 良 好的 选 择 性 ，它的测量范围是101 000 ppm的酒精浓度， 在测量范围内，该传感器的体电阻与空气中的酒精含量成线性关系， 我们通过将体电阻的变化转化为一种电压的变化， 就可测得空气中酒精的酒精含量。该系统设计电路如图2所示 。U1是酒精传感器， 两个F引脚为加热引脚， 用来给传感器预热，A，B引脚为信号输出，A接电源 ，B与地之间串一个200 k的采样电阻（ 实际电路中用一个电位器来替代），其作用是将体电阻Rs转化为电压输出 ，运放U2A组成一个同向放大电路， 其放大倍数为1+R3R2， 这 里R3=R2， 所 以 放 大倍 数 为2倍 ， 然 后 运 放 输 出 端 接A/D输入端 ， 这里A/D我们采用ATmega16L的片上A/D， 其分辨率为10位 ， 足以满足我们的采集需求。 由此 ， 得到输出电压与体电阻Rs的关系为UOUT=R1Rs+R1 VCC 2， 其中R1=200k，Rs为 体 电 阻 ， 然 后 再 根 据 体 电 阻 与 酒 精 浓 度 的 线 性 关系 ， 就可以计算出空气中得酒精含量。1.2GPS定位模块设计GPS定位 模 块 采 用 韩 国JCOM公 司 的 产 品C3-370c， 该款接 收 机 体积 小 ， 定 位准 确 ， 使 用串 口 （RX和TX） 与 主 控 进行通信 。在实际的应用中，只将其中一条TX引脚与主控的RX引脚连接， 这样不仅可以简化设计， 节约的IO端口 ， 又方便控制 。GPS模块平时不启动， 只有当酒精浓度检测模块检测 到 酒 精浓 度 超 标时 才 启 动 ， 因 此 需 要有 一 个 控制 端 ， 这 里我们 利 用 了GPS的 一 个 引脚EN， 即GPS的 使能 端2。EN=0时 ，GPS使 能 ， 开 始 定 位 ；EN=1时 ，GPS不 使 能 ， 进 入 休 眠 状态 ， 此 时 的 功 耗 几 乎 为0。 该 款GPS接 收 机 还 预 留 了 一 个BOOT口3， 平时状态下，BOOT=0； 当BOOT=1时 ， 进入固件更新状态 ， 固件中可以更新GPS模块的当前时区， 波特率等， 方便在不同的地点使用此系统。1.3GSM无线数据传输模块设计采用西门子公司的TC35i4。TC35i是一个支持中文短信息的工业级GSM模块 ，其性价 比 很 高 ， 工 作在GSM900和GSM1800双频段 ， 其电源范围为直流3.3 4.8 V； 电流消耗为:休 眠 状 态3.5 mA， 空 闲 状 态25 mA， 发 射 状 态 平 均300 mA，峰 值 为2.5 A； 可 传 输 语 音 和 数 据 信 号 ， 在GSM900和GSM1800时功耗分别为2 W和1 W， 通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM卡 读 卡器 和 天 线 。SIM电 压 为3 V/1.8V，TC35i的 数 据 接 口 （CMOS电 平 ） 通 过AT5命 令 可 双 向 传输指令和数据， 可选波特率300b/s 115kb/s，自动波特率为1.2 115 kb/s。 它 支 持Text和PDU6格 式SMS（Short MessageService， 短 消 息 ）， 可 通过AT命令 或 关 断 信 号 实 现 重 启 和 故障恢复 。TC35i由供电模块（ASIC）、闪存 、ZIF连接器 、 天线接口等6部分组成。1.4报警显示模块设计报警 显 示 模块 用 于 酒精 浓 度 的 超 限 报 警 和 日 常 信 息 的显示 ， 由蜂鸣器和LCD5110组成 ，LCD5110是一款常用的液晶屏 ， 供电2.75.5 V， 通过不同的字库取模， 可以 显示 数字 ，英文字母， 汉字和图片， 该款液晶还具有一个背光接口， 在外部光线不足的时候可以用一个跳线帽点亮背光， 提供照明。LCD5110与主控MCU的通信采用SPI接口 ， 但是为了硬 件IO的通用性和软件的可移植性， 本系统中用通用IO来模拟SPI时序 ， 形成一个软件SPI， 因此我们将LCD5110的接口放在了5个通用IO而非专用SPI接口上 ， 增加了布线的方便性 。报警装置采用一个有源蜂鸣器， 用一个NPN三极管做电流放 大 ， 如 图3所 示 ， 三 极管 的 基 极通 过 一 个电 阻 连 接 到 主控的一个IO上 ， 控制蜂鸣器发声与否。1.5主控模块设计主控 模 块 由单 片 机ATmega16L及其 外 围 电路 组 成 的最小系统构成。ATmega16L是一块8位单片机， 其片上集成了一个10位的AD转换器 ， 分辨率 达 到5/1024， 足以 满 足 酒精浓度检测模块中的采样要求； 片上还有一个全双工串口， 用图 3报警显示模块电路设计Fig. 3Circuit of alarm and display module图 2酒精浓度检测模块电路设计Fig. 2Circuitof alcohol concentration detection module名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 电子设计工程2012年第1期示部分 ，预留了酒精传感 器 和GPS的接 口 ， 中 间的 部 分 是GSM模块 ， 底层为电源层， 各 个 模 块的 电 源 均独 立 从 电源 层供 出 ， 同 时 这 样可 以 减 少电 源 纹 波对 信号 的干 扰 ， 系 统 由 外部9 V电源供电， 与车载9 V电源兼容 。3结论为了防止驾驶者因饮酒驾驶而导致交通事故， 提出了酒后驾车监测追踪系统。 本设计实现了该系统主控模块， 酒精浓度检测模块，GPS定位模块，GSM无线数据传输模块， 报警显示模块的硬件部分。本系统整体体积小， 便于车载； 成本相对 低 ， 便 于 推 广 应 用 ； 覆 盖 范 围 广 ， 而 且 还 可 以 自 行 升 级 固件 ， 具有极好的实际应用前景。参考文献：1陈海 松 ， 韩秀 清 ， 李 益民.基 于GSM_GPS的 事 故 现 场 报 警系统的设计J.计算机时代，2011（2）:33-35.CHENHai-song，HANXiu-qing，LIYi-min.Designofaccident scene alarm system based on GSM and GPSJ.Computer Era，2011（2）:33-35.2余为清 ， 刘举平.基于GSM技术和GPS技术的车用远程跟踪报警器设计J.华东交通大学学报，2010，4（2）:42-44.YUWei-qing，LIUJu-ping.Adesign of vehicleremotetracking alarm basedon GSMandGPSTechnologyJ.Journalof East China JiaotongUniversity，2010，4（2）:42-44.3揭琳 锋 ， 王志 誉 ， 李 伟 ， 等.基于GSM的车 辆 事 故呼 救 中 心软件平台设计J.计算机应用，2009，12（29）:113-114.JIELin-feng，WANGZhi-yu，LIWei，etal.Designofsoftware platforillfor GSM based callcenter of vehicleaccident J. Journalof ComputerApplication，2009，12（29）:113-114.4焦锏 ， 侯俐.基于GSM的室内防盗智能控制系统设计J.消费导刊 ，2010（1）:193-194.JIAO Jian，HOU Li.The design of interior intelligent controlsystemsecurity basedon GPS J. ConsumeGuide，2010（1）:193-194.5梁桂航 ， 于京诺 ， 宋进桂 ， 等.基于GSM技术的汽车行驶记录仪在物流车辆管理中的应用J.物流技术 ，2010（4）:64-66.LIANGGui-hang，YUJing-nuo，SONG Jin-gui，etal.Application oftheGSM -basedautomobiletravelingdatarecorderin logistics vehicle managementJ. LogisticsTechnology，2010（4）:64-66.6林添成.基于GSM的远程家居控制系统J.装备制作技术，2010（5）:75-76.LIN Tian-cheng.Remotehousehold appliance control systemfor appliance basedon GSM J. Equipment ManufacturingTechnology，2010（5）:75-76.图4主控模块电路图Fig. 4The circuit of Control module图 5系统整体实现图Fig. 5Overall of the system于GPS模块和GSM模块的数据通信。ATmega16L普通模式下功耗仅为3.3 mW， 非常适合本系统应用。其电路设计如图4所示 。2系统测试整个 系 统如 图5所示 ， 共 分3层 ， 上 层 为 主 控 芯 片 和 显 12名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -