一種非接觸式的多信息融合防酒駕裝置設計

黃毓芯

(閩南理工學院電子與電氣工程系,福建 石獅 362700)

1 發展現狀

酒后駕車一直以來都是造成交通事故的主要原因之一。2018年新交規再次更新，針對酒駕行為制定了更嚴苛的細則，可見，有效地減少酒駕行為成為了社會的重要關注點之一。

目前，查處酒駕的主要手段依仍是依賴于警力，即交警人員在道路旁設卡，采用抽檢的方式對來往車輛進行隨機檢測，駕駛員通過對警用酒精測試儀進行檢測。這種傳統的排查方式不僅耗費不少警力，造成資源浪費、且效率較低、覆蓋率不足。

為了進一步嚴控酒駕行為，各種車載防酒駕檢測裝置發展迅猛。利用傳感器檢測的方式逐步被應用，但是現有的檢測裝置大都采用單一傳感器，從而造成檢測數據可靠性不足。傳統的酒駕測試儀將主要工作放在測試酒精濃度，而干擾測試結果的因素較多，因而難以確保測試結果的準確性，致使設備判斷不夠精準[1-2]。因此，依靠單一參數判斷是否酒駕存在一定漏洞，提出一種多信息融合，能準確做出酒駕判斷的測試儀具有重要的意義。

2 系統總體方案

當前，用于預防酒駕的車載裝置主要是采用吹氣方式的酒精測試儀。而傳統的車載檢測裝置的設計思路幾乎都是采用單一傳感器，信息的采集受到了駕駛員主觀作弊、車內氣流等多種因素影響，導致檢測精準度不客觀。因此，提出利用多個傳感器分別采集駕駛員踩踏加速度、車輪轉向狀態及車內空氣酒精含量多組數據。并對所采集信息進行融合分析，以此對酒駕狀況做出可靠性判斷。若分析結果認定駕駛員為酒后駕車，則進行語音報警和液晶顯示。

3 發生酒駕時的汽車參數分析

3.1 汽車加速度特征

通過調研，對正常駕駛行為與酒后駕駛行為進行汽車加速度參數比較。分析駕駛員在加速過程中的加速度的變化，實驗顯示，飲酒后駕駛員在同一情景下，平均加速度比正常情況下更快。由于人體在酒精的作用下，飲酒后會使駕駛員的神經麻痹，運動反射神經遲鈍，降低腳步踩油門的感知度。簡而言之，踩油門加速時認為自己與平時用了一樣的力道，事實上卻比平時踩得深，因而更容易出現急加速情況。因此，采用加速度作為酒駕判斷參考指標之一。

3.2 車輪轉向特征

一般情況下，駕駛員在駕車時，路面情況會實時發生變化，駕駛員將結合路況不斷小幅修正方向盤轉向，以確保車輛的正常行駛。調查研究顯示，一般情況下，人的正常視覺角度范圍是180°，而當飲酒后，人的視覺角度將發生縮減，飲酒越多，則越無法清晰地判斷出周圍的景物，因此抓不準目標。對線路修正的預判不夠及時，且對方向盤的操作精準度不夠，往往操作幅度過大，導致車輛偏離正常行駛軌道，而為了確保車輛的正常行駛再次進行反方向修正，如此重復，往往導致車輛的行駛路線出現S形曲線軌跡行駛。

駕駛員飲酒后的生理狀態主要體現在神經麻痹，致使肢體操作較平時遲緩，從而導致駕車操作行為不夠及時、動作不夠精準，而這些行為將影響車輛的行駛狀態。這進一步表明，酒后駕駛行為特征多樣化，是否酒后駕車可參照多方面因素著手判斷，而車輪轉向特征態，即方向盤轉角便可作為判斷指標之一。

4 系統設計

該防酒駕裝置設置多個傳感器，同時采集車內酒精濃度、車輪轉向角及汽車加速度數據，經過信息處理模塊實現數據融合處理，然后做出駕駛員是否酒駕的判斷。行車前啟動汽車的同時，檢測系統同步開啟，各個傳感器采集數據，數據經由調理電路后進行模數轉換，單片機計算來自多個傳感器的數據做出是否酒駕判斷，最后根據判斷結果做出輸出決策。判斷結果將在顯示電路顯示出。而如果判斷為酒駕，該裝置將進行語音警告。

4.1 硬件電路

該防酒駕裝置的系統模塊電路如圖1所示。該裝置的主要構成部分有數據采集模塊、模數轉換模塊、單片機控制系統以及信號輸出模塊。

圖1 系統結構框圖

數據采集模塊包括多個傳感器，有氣敏酒精傳感器、加速度傳感器和車輪轉向角傳感器[3-4]。這些傳感器分別進行數據采集，提供判斷駕駛員是否酒駕的原始參數。模數轉換模塊把調理后的模擬信號轉換成數字信號，為單片機實現控制算法作準備。單片機控制系統對多個傳感器送來的數據融合計算，做出是否酒駕的判斷，并根據計算結果對顯示模塊及語音報警模塊作出下一步將執行的動作命令。

4.1.1 數據采集模塊

數據采集模塊的組成采用采集酒精濃度數據的MQ-3氣敏傳感器、采集駕駛員踩踏油門行為的MMA7260 加速度傳感器以及采集車輪轉向角的TLE5012傳感器。

酒精濃度采集單元在整個數據采集模塊起著重要的作用，主要采集駕駛位空氣中酒精濃度，作為判斷駕駛員呼出的氣體中所含酒精濃度依據。由于汽車內部空間有限，傳感器的存在不能影響駕駛員，因此所選傳感器必須具有體積小的特點。MQ-3 傳感器是一款高精度、高靈敏度的傳感器。其工作范圍是10～1000 ppm的酒精氣體濃度，響應速度快，小于10 s，恢復時間小于30 s，展現出了極佳的性能。汽車在行駛過程中，車內空氣流動較快，會稀釋駕駛員呼出的氣體。因此，傳感器采集到的酒精濃度信號會減弱，從而影響主控芯片的數據處理。為了解決這項問題，在數據被送到單片機控制系統之前，首先經過調理電路，將信號進行放大。

駕駛員腳踏加速度檢測電路采用MMA7260 傳感器,見圖2。它是一款體積小、低功耗并具有溫度補償技術的傳感器，同時它融合了信號調理電路。其內部結構由電容傳感極板構成兩個平板電容。當測試目標發生了某個方向的加速度時，在慣性作用下，中間的電容極板會分別發生位移，靠近一側，遠離另一側。如此一來兩側平板電容值分別發生了變化，也產生了數據度量，這便是它的測量原理。此數據量便可以用于評估駕駛員操作能力是否降低，從而作為判斷駕駛員是否酒駕的指標之一。

圖2 MMA7260傳感器測量原理圖

車輪轉向角檢測電路采用TLE5012 傳感器。在正常情況下，駕駛員在駕駛過程中不會頻繁改變轉向角。通過測量轉向角可以為判斷車輛是否處于穩定駕駛的過程，車身有無偏離正常運行軌跡提供有力的依據。TLE5012角度傳感器在汽車工業領域廣泛應用，其具有高精度的特點，最大測量誤差≤1.0°，且不易受灰塵、油污等污染，不會受到抖動的影響，非常適合于車載系統。車輛轉向軸帶動傳感器的編碼盤轉動，從而引起其阻值改變，為方向盤轉向角的位置信息提供了數據。

4.1.2 單片機控制系統

各個傳感器采集到所需數據，經過調理電路將獲取到的電信號進行放大和處理之后，經過模數轉換模塊，將數字信號送至單片機。單片機的主要工作即是整合多個傳感器送來的數據，作出融合判斷。若計算結果判定為酒駕，便啟動語音報警模塊，警示駕駛員停止酒駕行為。同時，在顯示模塊中顯示出空氣中的酒精濃度含量。

4.1.3 語音報警及顯示模塊

當檢測到車內的空氣中酒精濃度超過設定的最小值（該值可以進行修改）時，單片機控制語音報警模塊進行提示：“請勿酒后駕車！”并在LED屏幕中顯示出酒精濃度值，該值通過閃爍顯示，給駕駛員警示作用。

4.2 軟件設計

該車載防酒駕裝置的軟件設計流程如圖3所示。當汽車啟動后同時開啟防酒駕測試裝置，數據采集模塊中的各個傳感器監測數據信息。調理后的電信號轉換成數字信號后送至單片機進行融合計算，得出是否酒駕的判斷結果。如果判定為酒駕則進行語音提示“請勿酒后駕車！”并顯示空氣中酒精濃度值。

圖3 主程序設計流程

5 結論

基于多個傳感器，多個數據證據的防酒駕裝置，其判斷結果相對單一酒精濃度測量儀的防酒駕裝置，系統判別的準確性大大的提高了，也對駕駛員起到了警示作用。同時，本裝置具有較大的功能拓展空間，如當系統判定為酒駕時，除了進行聲光報警，同時并對發動機進行繼電控制，限定汽車在某個時間范圍內停車，以制止駕駛員的酒駕行為。