基于多传感器融合的车载酒精检测系统设计.pdf

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1、2 0 1 0 年 第7 期 仪表技术与传或器 I n s t r u m e n t T e c h n i q u ea n d S e n s o r 2 0 l O N 0 7 基于多传感器融合的车载酒精检测系统设计 徐京莲1 ，韩峻峰2 ，潘盛辉1 ，童启武1 ( 1 广西工学院电子信息与控制工程系，广西柳州5 4 5 0 0 6 ；2 广西机电职业技术学院电气工程系，广西南宁5 3 0 0 0 7 ) 摘要：为了能有效防惠因驾驶员酒后驾车而遣成的事故发生，设计出一种以A R M 系列微控制器L P C 2 2 9 4 作为核心控 制器，并采用高灵敏度电化学酒精传感器M E 3 A

2、C ：H ，O H 和半导体酒精传感器M Q 一3 多个传感器进行数据采集，利用 模糊控制算法融合多传感器信号的车载酒精检测系统。该系统能提供检测、显示、报警、控制、记录等多种功能，具有成本 低、体积小、智能化强的特点。通过仿真知其有较高的精确度。 关键词：多传感器；车载；酒精检测；模糊控制；融合；A R M 中图分类号：T V 2 1 6 2文献标识码：B文章编号：1 0 0 2 1 8 4 1 ( 2 0 1 0 ) 0 7 0 1 0 5 一0 3 D e s i g no fC a rA l c o h o lT e s tS y s t e mB a s e do nM u l t

3、i - s e n s o rD a t aF u s i o n X UJ i n g - l i a n 。，H A NJ u n - f e n 9 2 ，P A NS h e n g h u i l ，T O N GQ i w U l ( 1 D e p a r t m e n to fI n f o r m a t i o na n dC o n t r o lE a g m m 恤，G u a n g x tU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，L i u z h o u5 4 5 0 0 6 ，C h i n a ； 2 D e p

4、 a r t m e n to fE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g G u a n g 菇T e c h n o l o g i c a lC o l l e g eo fM a c h i n e r ya n dE l e c t r i d t y ，N m m i n g5 3 0 0 0 7 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：I no r d e rt oh e d g ea g a i n s tt h ea c c i d e n t sb e c a u s eo fd r u n kd r i v i

5、n ge f f e c t i v d y ，av e h i c l ea l c o h o ld e t e c t i o ns y s t e mw a s d 镐i g n e dw i t hA R Mm i c r o c o n t r o l l e r sL P C 2 2 9 48 8t h ec o r ec o n t r o l l e r A n di tu s e dm u l t i p l eh i g h - s e n s i t i v i t ye l e c t r o c h e m i c a la l c o h d 圯n s o rM

6、E 3 A C 2 H 5 0 H ，a n ds e m i c o n d u c t o ra l c o h o ls e n s o rM Q - 3 辩1 1 s o 鹅f o rd a mc o l l e c t i o n I th a st h ed i s p l a y ，a l a r m ，r e c o r d i n ga n do t h e rf e a t u r e s 。a n di th a st h eh i g ha c c u r a c y ，l o wc o s t ，s m a l ls i z e ，i n t e l l i g e

7、n ts t r o n g ，u 鸵卜衔e n d l yc h a r a c t e r i s t i c s T h es i m - u l a t i o nr e s u l ti th a sh i g h e ra g c u r a c yc o m p a r e dt oo t h e ra l c o h o ld e t e c t i o ns y s t e m s K e yw o r d s ：m u l t i s e n s o r ；c a r ；a l c o h o ld e t e c t i o n ；f u z z yc o n t r o

8、 l ；f u s i o n ；A R M 0 引言 酒后驾车是引发交通事故的主要原因之一，国内公安交管 部门主要采用便携呼吸式酒精测试仪检测司机是否酒后驾车， 但是这种酒精检测仪必须由执法人员对驾驶员强制检测，只能 针对部分车辆抽样检测，无法实时监控驾驶员酒后驾车情 况。之前设计的车载酒精检测系统多采用单个传感器，不能 充分考虑车内气流实际情况，干扰大而难以很好推广。随着多 传感器数据融合技术发展，设计出一种车载酒精检测系统，在 车内多处布点采集信息，通过将多个酒精传感器酒精浓度信息 进行融合，给出驾驶员提示和警示，从而有效防患因驾驶员酒 后驾车造成的事故。 1 整体系统设计 该车载酒精检

9、测系统采用超低功耗的A R M 芯片L P c 2 2 9 4 和多个高灵敏度酒精传感器，自动探测酒精浓度，检测驾驶员 饮酒状况。该检测系统主控部分可以放置在汽车仪表盘位置， 当司机发动汽车时，各酒精传感器开始检测车内酒精气体浓度 信号，经信号调理和A D 转换，进入数据融合系统，处理判断 后，通过液晶显示屏和声光报警告知驾驶员饮酒程度。假如酒 精浓度超标，则液晶显示酒精浓度并提出警告，同时报警器呜 叫。为防范有些驾驶员酒后强行开车，在充电电瓶与点火装置 基金项目：广西自然科学基金项目( 桂科自0 8 3 2 0 6 6 ) ；广西工学院科学 基金项目( 院科0 6 1 4 0 4 ) 收稿日

10、期：2 0 0 9 1 0 一l l 收修改稿日期：2 0 1 0 一0 4 一1 4 之间设计一继电器开关。若驾驶员酒后强行开车，检测系统则 切断点火装置的电源，禁止汽车启动，为避免遇到不方便停车 的情况，报警后延时3 0s 发出控制信号，待报警解除后1 08 内 控制信号即消失，汽车便可重新启动；假如酒精含量没有超标， 液晶屏幕显示当前酒精浓度，汽车随之启动。 2 系统硬件设计 系统硬件电路框图如图l 所示，包含最小系统、电源、传感 器信号调理、键盘、控制驱动、液晶显示、串口、U S B 接口电路及 其他辅助电路。 汽车供电系统 一电压变换电路 I 外部存储lI 串口 I lt j s B

11、 接口 内置A D A R M 内置A D 内置A D 信 息 融 合 控制装置 键盘设定 液晶显示 J T A G 接 圈1 系统硬件电路框图 2 1 主控电路 采用A R M 7 系列单片1 6 3 2 位微控制器1 2 K ：2 2 9 4 作为主 控芯片。L P C 2 2 9 4 具有极低功耗，超高性能，并含有多个定时 悭匝匝蕊 圆圆圆 万方数据 1 0 6I n s t r u m e n tT e c h n i q u ea n dS e n s o r J u L2 0 1 0 器、8 路1 0 位A D C 、4 路C A N 、多达9 个外部中断使它特别适用 于汽车、工业

12、控制等应用。L P C 2 2 9 4 在系统中主要负责多个传 感器采集信息的融合，判断处理及总的功能调度。它包含晶振 电路、复位电路和J T A G 接口电路等。 2 2 传感器信号采集电路 人饮酒后，呼出的气体含有酒精分子，通过检测被测人呼 气中酒精浓度，就可判定其饮酒程度，且气体浓度检测简单易 行，因此选用气敏式酒精传感器。 目前普遍使用的气敏酒精传感器有燃料电池型和半导体 型2 种。半导体气敏酒精传感器价格低廉，可以用于自我检测 c 口 和一般的定性检测，燃料电池型酒精传感器价格相对较高，但 在精度、线性度以及死区范围都远远优于半导体型传感器B 1 。 根据设计的精度和成本要求，该设计

13、中在车内不同的采集点分 别选用了M Q 一3 半导体酒精气敏传感器和M F _ 3 A c ：H ，O H 燃料电池型酒精传感器来采集酒精气体浓度。经过调查研究 发现，在汽车内部，主驾驶员的呼气酒精浓度检测时容易受到 副驾驶员和乘员的影响，因此靠近主驾驶员的传感器选用灵敏 度高的M E 3 A C ，H ，O H 酒精传感器，靠近副驾驶员和乘客的 传感器则选用M Q 一3 半导体酒精传感器。所采用的电路如图 2 所示。 圈2M E 3 A c 2 1 1 5 0 H 酒精传感器的电路圈 23其他电路仃丙 键盘可以设定酒精检测系统的参数，如设定报警酒精浓度r 界限。采用蜂鸣器作为报警器，当酒精含

14、量超标时，发出禁止口堕 行车篝告音。I 茎茎薹 液晶显示L C D 采用低功耗的T l Z l 4 2 6 7 真彩色液晶，用来显 示酒精的浓度及警示信息。 电源变换电路包括2 4V 1 2V 转5V 和3 3V 的电路。鉴 于C A N 总线在汽车上的广泛应用，该系统C A N 总线接口使其 能和汽车内众多的C A N 节点通信。 3 系统软件设计 按照系统所要实现的功能，软件主要包括几个子程序：初 始化程序、数据检测程序、数据信息融合、液晶显示、通信程序、 控制驱动程序等。其中A R M 操作系统选用U c o s 一精简版操 作系统。 系统上电后，先进行初始化，然后检测有没有设定参数按

15、键的中断来设定报警界限，为防止驾驶员随意改动，报警参数 的设定需进行密码验证，该密码仅提供给有权限设定的部门。 数据信息融合部分采用模糊控制算法进行传感信息数据 融合。融合后的输出值和设定的报警参数进行比较，如果高于 设定值，则延时3 08 后给出继电器开关的关断控制信号，启动 蜂鸣器呜叫，显示当前酒精浓度及警示信息，并记录数据。如 果检测值正常，则直接记录数据。系统主程序的软件流程图3 所示。 4 数据信息融合参数估计 为区分车室内酒精气体浓度是驾驶员还是乘客饮酒所致， 根据车室内空气流场实际情况，选取车内的3 个检测点检测酒 精浓度，通过模糊控制算法p 1 进行传感信息数据融合。选用三 培

16、出控翻信号 = r l 声光报l = = 量示酒精旅度 及譬示信息 = 二 记录敬据 = 1 教据发送l 掣 n 稠 。1 一 r 莉n 曼示酒精浓窿 及蕾示信息 二 二 记录敛据 主 数据发送 串口验证 二二 怔功耗 圈3 系统主程序漉程图 输入单输出的模糊控制器，控制器的输入为各检测点传感器的 酒精检测浓度，输出为判断驾驶员饮酒状态。安装在主驾驶员 的靠背处的传感器l 在检测驾驶员呼气酒精的浓度起关键作 用，安装于副驾驶员旁的传感器2 和乘员旁的传感器3 在检测 过程中起辅助判断作用。 在报警界限选定时，考虑到身体中的酒精浓度限制由于人 种的不同，再加上各不同地域和民族的饮酒习惯等也不尽相

17、 同，制定的标准也不完全一样。表l 是国内几大城市法定酒精 浓度限制卜J 。 表l国内几大城市驾车气体酒精浓度限制m g L 省酒后驾酒醉驾省酒后驾酒醉驾 ( 直辖市)驶标准驶标准( 直辖市)驶标准驶标准 上海0 1 00 4 5四川一0 1 40 4 5 浙江0 0 90 4 5重庆0 0 5 0 4 5 首先设计模糊控制器，定义输入、输出模糊集。将各输入 霉 万方数据 第7 期徐京莲等：基于多传感器融合的车载酒精检测系统设计 1 0 7 分为9 个模糊集；N ( 无饮酒) ，V s ( 饮酒很少) ，S ( 饮酒少) ，S M ( 饮酒中) ，M ( 醉酒较轻) ，L M ( 醉酒中) ，

18、S L ( 醉酒较重) ，L ( 醉 酒严重) ，V L ( 无法开车) ；将输出也设定为9 个级别：N ，V S ，S ， S M ，M ，L M ，S L ，L ，V L 。根据国内驾驶员酒精浓度限制，及表2 中显示的身体酒精浓度与肇事率H 1 的关系，最终把隶属函数的 界限参数设定为4 4p p m = 1 0 ，1 2 0p p m = 1 0 一，1 6 0p p m = 1 0 6 ，2 1 9p p m = 1 0 6 ，2 6 7p p m = 1 0 。6 ，3 1 0p p m = 1 0 。，3 6 5p p m = 1 0 一，4 1 4p p m 饮酒程度界限如图4

19、所示。 表2 身体酒精浓度与肇事率的关系 无饮酒饮酒很少饮酒少饮酒中醉酒醉酒中醉酒重醉酒无法开车 步进行，先融合传感器l 和2 ，再与传感器3 融合。模糊控制规 则库如表3 所示。 表3 模糊控制规则库 反模糊化时选用最大隶属度面积中心法引，得出驾驶员的 饮酒程度。表4 是几组不同条件下仿真给出的传感器酒精浓 度值和经过模糊算法融合后输出的酒精浓度值。经对比，可知 采用多个传感器融合方式获得的酒精浓度值能比较充分考虑 车内实际环境，能更真实的反应驾驶员饮酒程度。 衰4 几组数据酒精传感器测试浓度值和融合输出值p p m )5 结束语 圈4 驾驶员饮酒驾车程度界限 然后定义隶属函数，为了工程实现

20、方便，输入和输出均选 用三角形隶属函数厂来实现洒精浓度的模糊化，如式( 1 ) 所示， 其中口，b ，C ，为某个区间的中心值和边界值。 ，= ( 茗，口，b ，c ) = 0 茹 a x ，- a _ ，口茗6 0 一口 ( 1 ) 譬，6 髫c C D 0 c 茗 接着建立模糊规则。信号调理后的各传感器数据具有很 高的相似性，它们共同支持一个模糊命题的结论。传感器l 在 测量时起着关键作用，它对命题支持度的权重较高，传感器2 和3 的对命题支持度权重相对要小一些。具体规则首先根据 人的直觉思维推理，经过多次矫正选取较好的规则库。当传感 器l 的检测值很高而其他2 个传感器值较低时，即认定此

21、浓度 即是驾驶员的呼气酒精浓度，而当其中传感器2 或3 的值很高 传感器l 的值较低时，则可以认定非主驾驶员饮酒。融合时分 该车载酒精检测系统是为预防因饮酒驾驶而导致的交通 事故，文中对各个部分的电路功能和整体软件流程进行了阐 述。由于该系统属于车载安装，能够自行检测报警，体积小，成 本低，智能化程度高，通过仿真可知该系统采用传感器数据模 糊控制算法融合具有更高的精确度，对汽车的安全性能提升具 有较大作用，有较好的应用价值。 参考文献： 【1 王安琦汽车安全新技术的应用及发展趋势交通科技与经济 2 0 0 8 4 8 ( 4 ) ：6 6 6 7 2 岳睿警用呼气式酒精传感器的研究进展化学传感

22、器，2 0 0 6 ( 9 ) ： 6 一1 1 3 张玲娟模糊推理型嵌入式智能甲烷传感器的设计与实现仪表 技术与传感器，2 0 0 8 ，( 4 ) ：8 1 0 4 邓荣进T E N GT e r r yD r 酒后驾车酒精测试含量的标准。 E B O L 】【2 0 0 6 - 5 3 h a p ：x i 2 o y n e t r o b 1 R e a d N e , a s a s p ? N e w a l D = 4 7 4 3 0 8 作者简介：徐京莲( 1 9 8 4 一) 硕士研究生，研究方向为智能控制。 E m a i l ：z h a o s h i t i a n

23、 x i a 1 6 3 咖 万方数据 基于多传感器融合的车载酒精检测系统设计基于多传感器融合的车载酒精检测系统设计 作者：徐京莲， 韩峻峰， 潘盛辉， 童启武， XU Jing-lian， HAN Jun-feng， PAN Sheng-hui ， TONG Qi-wu 作者单位：徐京莲,潘盛辉,童启武,XU Jing-lian,PAN Sheng-hui,TONG Qi-wu(广西工学院电子信息与 控制工程系,广西柳州,545006)， 韩峻峰,HAN Jun-feng(广西机电职业技术学院电气工程系 ,广西南宁,530007) 刊名： 仪表技术与传感器 英文刊名：INSTRUMENT T

24、ECHNIQUE AND SENSOR 年，卷(期)：2010(7) 被引用次数：14次 参考文献(4条)参考文献(4条) 1.王安琦 汽车安全新技术的应用及发展趋势期刊论文-交通科技与经济 2008(4) 2.岳睿 警用呼气式酒精传感器的研究进展期刊论文-化学传感器 2006(3) 3.张玲娟 模糊推理型嵌入式智能甲烷传感器的设计与实现期刊论文-仪表技术与传感器 2008(4) 4.邓荣进;TENG Terry Dr 酒后驾车酒精测试含量的标准 2006 本文读者也读过(5条)本文读者也读过(5条) 1. 葛毓 基于GORS/GPS的车载酒精检测和控制电路的设计学位论文2009 2. 林放.

25、周立平.LIN Fang.ZHOU Li-ping 电子酒精检测装置简述期刊论文-科技情报开发与经济2011,21(2) 3. 李娜.李欣.王晶 基于GPRS传输的车载酒精监测系统的设计期刊论文-数字技术与应用2010(11) 4. 马圣乾.王龄辉.曾凡宗 车载即时测健康防酒驾智能检测器的设计期刊论文-泰山学院学报2011(3) 5. 李宗睿.许振忠.LI Zong-rui.XU Zhen-zhong 基于单片机的车载酒精探测及安全控制系统的设计与实现期刊论 文-北华航天工业学院学报2008,18(2) 引证文献(14条)引证文献(14条) 1.莫德华,刘朝阳,叶栋水,张水利 车载酒驾报警器-

26、软件设计期刊论文-商业故事 2015(9) 2.莫德华,张水利,崔祖超,马林博 车载酒驾报警器-硬件设计电路期刊论文-商业故事 2015(7) 3.崔艳斌,杨嵩,陈俊梅 基于单片机ATmega16的智能酒精探测仪期刊论文-自动化应用 2014(12) 4.黄晖 非接触式酒驾检测系统的硬件设计期刊论文-电子测量技术 2013(07) 5.朱明,王亚坤,宋莉莉,曹玉鹏,匡阳杰 基于MC55i的车载酒精检测系统期刊论文-仪表技术与传感器 2012(06) 6.王谦,张涛 基于STC89C52单片机的酒精检测系统设计期刊论文-科技信息 2012(22) 7.李海涛 基于QNX的远程车载酒驾智能监控系统

27、期刊论文-电子技术应用 2014(8) 8.芦芝萍 基于物联网的嵌入式酒驾自动检测系统设计期刊论文-物联网技术 2014(07) 9.芦芝萍 基于物联网的嵌入式酒驾智能辨识系统设计期刊论文-计算机时代 2014(06) 10.方卫东,蔡耀锋,王淮名,李倩敏 一种无线多功能酒精监测系统设计与实现期刊论文-广东通信技术 2012(12) 11.赵霞,柏逢明 基于模糊控制的车内酒精检测系统期刊论文-长春理工大学学报（自然科学版） 2014(01) 12.路敬祎,王冬梅,段志伟,殷海双,刘霞 基于LabVIEW的多点温度采集实验开发系统设计期刊论文-电子设计工程 2013(23) 13.邵婷婷,董军堂,王卓 基于单片机ADuC842的酒精测试仪设计期刊论文-现代电子技术 2015(12) 14.黄晖 酒后驾车检测技术的现状与发展期刊论文-中国科技信息 2013(12) 引用本文格式：徐京莲.韩峻峰.潘盛辉.童启武.XU Jing-lian.HAN Jun-feng.PAN Sheng-hui.TONG Qi-wu 基于多 传感器融合的车载酒精检测系统设计期刊论文-仪表技术与传感器 2010(7)