桑楠，干為民，周旋，劉帥凱

(常州工學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院，江蘇 常州 213032)

0 引言

酒后駕車是導(dǎo)致交通事故的重要原因之一，特別是對(duì)于一些惡性交通事故[1-3]。我國(guó)從2011年5月1日開始將醉酒駕車納入刑法處罰。但醉駕入刑是一種事后處罰措施，難以從源頭上杜絕酒駕行為。要杜絕酒駕行為還應(yīng)采取事前防范措施，從汽車的設(shè)計(jì)上保證酒后不能駕駛汽車，從而避免因酒駕導(dǎo)致的交通事故。

世界各國(guó)為預(yù)防酒后駕車，從法律上和汽車設(shè)計(jì)上予以控制。美國(guó)和加拿大早在20世紀(jì)90年代中期就開始采用呼氣酒精點(diǎn)火自動(dòng)鎖止裝置，即用酒精鎖(Alcolock)來防止酒后駕駛。2012年美國(guó)50個(gè)州通過法律，駕駛員一旦被發(fā)現(xiàn)酒駕，其車上將強(qiáng)制安裝酒精鎖，否則將坐牢，但酒精鎖不是汽車出廠標(biāo)準(zhǔn)配置。瑞典的Saab在2007年推出名為Alcokey的遙控酒精鎖，駕駛員必須先進(jìn)行酒精測(cè)試，通過后方能啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)時(shí)價(jià)格在400美元左右，成本增加不少，同時(shí)使用不方便，也不能在汽車行駛中進(jìn)行測(cè)試，如果作為汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置仍需較大改進(jìn)。Nissan的酒精辨識(shí)方案則是在駕駛員上車后，通過位于頭枕和排擋桿上的汗液酒精傳感器測(cè)試駕駛員血液酒精含量，如果超標(biāo)，排擋桿就一直鎖定在P檔位置，防止酒后駕駛，該方案優(yōu)點(diǎn)是汽車行駛中一直進(jìn)行酒精測(cè)試。

唐偉翔、蔡博安把酒精檢測(cè)和車鑰匙結(jié)合起來設(shè)計(jì)了Goodriver酒精鑰匙：通過酒精檢測(cè)車鑰匙才會(huì)彈出；如果不能通過檢測(cè)則需要選用呼叫朋友或出租車功能，并可利用車內(nèi)GPS 定位確切位置[4]。黃世強(qiáng)于2009年申請(qǐng)了“從汗液中檢測(cè)酒精濃度的禁駕系統(tǒng)”的專利[5]。在國(guó)外，據(jù)報(bào)道美國(guó)Martin等開發(fā)了貼在人體皮膚上的傳感器，通過汗液精確地測(cè)量血液中的酒精含量[6]，這種傳感器如果能達(dá)到實(shí)時(shí)測(cè)量，便可用于防酒駕。

上述防酒駕系統(tǒng)對(duì)于遏制酒駕具有較好的實(shí)用性，但仍存在一些問題，需要改進(jìn)。一是如何防止檢測(cè)時(shí)作弊；二是如何防止駕駛員行車途中飲酒；三是如何識(shí)別車內(nèi)其他人飲酒，而駕駛員沒有飲酒。

1 防酒駕控制系統(tǒng)工作流程

本控制系統(tǒng)對(duì)駕駛員進(jìn)入車內(nèi)、發(fā)動(dòng)汽車、行駛整個(gè)過程予以連續(xù)監(jiān)控，防止酒后駕駛造成嚴(yán)重事故。其控制流程如圖1所示。

圖1 防酒駕控制流程圖

從駕駛員打開車門開始，先檢測(cè)車內(nèi)空氣中酒精含量，如合格則直接啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，如不合格則對(duì)駕駛員進(jìn)行酒精含量檢測(cè)，該步驟是為防止駕駛員未飲酒而車內(nèi)其他乘員飲酒導(dǎo)致的車內(nèi)酒精含量超標(biāo)。

駕駛員酒精含量超標(biāo)則警告燈閃爍，且系統(tǒng)鎖死發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)和電動(dòng)油泵，汽車不能行駛，有效防止酒后駕車。駕駛員酒精含量檢測(cè)合格則啟動(dòng)車輛，進(jìn)入車內(nèi)信號(hào)檢測(cè)步驟，檢測(cè)駕駛員側(cè)車門是否關(guān)閉、駕駛位上乘員是否離開、駕駛位上的安全帶是否系上等。這些車內(nèi)信號(hào)檢測(cè)均合格，則之前的駕駛員酒精含量檢測(cè)才是有效的。如果發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后車內(nèi)信號(hào)檢測(cè)不合格，表明作為駕駛員進(jìn)行酒精含量檢測(cè)的人離開過駕駛位，需重新進(jìn)入前面的檢測(cè)程序，以防止駕駛員在酒精含量檢測(cè)上作弊。

通過車內(nèi)信號(hào)檢測(cè)的車輛如果長(zhǎng)期處于靜止?fàn)顟B(tài)，車輛將重新進(jìn)入車內(nèi)信號(hào)檢測(cè)狀態(tài)。通過車內(nèi)信號(hào)檢測(cè)并處于行駛狀態(tài)的車輛，每隔半小時(shí)進(jìn)行一次車內(nèi)空氣酒精含量檢測(cè)，合格則繼續(xù)行駛，不合格則車內(nèi)警告燈閃爍，以及語(yǔ)音提示酒精含量超標(biāo)，并將對(duì)車輛駕駛員進(jìn)行酒精含量檢測(cè)，合格則繼續(xù)行駛，不合格將鎖死啟動(dòng)系統(tǒng)和電動(dòng)油泵，車輛無法繼續(xù)行駛。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 防酒駕系統(tǒng)原理

對(duì)于車內(nèi)信號(hào)，如座椅、安全帶、駕駛員側(cè)車門等狀況，直接從汽車ECU(電子控制單元)中提取，用于判斷接受測(cè)試的人員是否為真正的駕駛員，排除酒精含量檢測(cè)中的作弊現(xiàn)象。

鎖死汽車啟動(dòng)系統(tǒng)和電動(dòng)油泵是防止酒后駕車的有效措施，因此本文主要考慮防酒駕啟動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。酒精含量檢測(cè)系統(tǒng)主要采用FX2N系列PLC、FX2N-2AD的模擬量輸入模塊，另外還有酒精傳感器MQ-3及數(shù)據(jù)顯示人機(jī)界面HMI。其中PLC是核心部分，作為整個(gè)系統(tǒng)的控制處理器。傳感器模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)車內(nèi)人員呼出氣體中的酒精含量，并將其轉(zhuǎn)換成所需要的模擬量電流信號(hào)。FX2N-2AD的模擬量輸入模塊功能是把從酒精傳感器模塊獲得的模擬量轉(zhuǎn)換成PLC可操作的數(shù)字量，將轉(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)送給PLC。數(shù)據(jù)顯示人機(jī)界面HMI負(fù)責(zé)檢測(cè)值的設(shè)定、報(bào)警和實(shí)際測(cè)量值的顯示，當(dāng)酒精含量超過設(shè)定值時(shí)亮燈，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。繼電器控制模塊用來控制起動(dòng)機(jī)繼電器，防止駕駛員酒后啟動(dòng)，造成事故。

當(dāng)駕駛員坐到座位上后，酒精含量檢測(cè)裝置啟動(dòng)。當(dāng)酒精傳感器模塊檢測(cè)到酒精氣體時(shí)，將檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至A/D轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)化為PLC可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。PLC根據(jù)接收到的信號(hào)判斷酒精含量是否正常。若不正常，則PLC發(fā)出信號(hào)，HMI顯示屏發(fā)出警報(bào)，并控制發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火裝置以限制汽車的啟動(dòng)。若正常，則汽車正常啟動(dòng)。汽車行駛中，檢測(cè)裝置繼續(xù)工作，若檢測(cè)發(fā)現(xiàn)駕駛員酒精含量超標(biāo)，則發(fā)出警報(bào)[7-8]。

由于汽車副駕駛?cè)藛T、汽車后排座位人員、汽車內(nèi)的空氣流通都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)產(chǎn)生影響，因此本系統(tǒng)采用多傳感器對(duì)比檢測(cè)的方法。

在汽車主駕駛座位前方(A區(qū))、副駕駛座位前方(B區(qū))與后排座位中間(C區(qū))各放置1個(gè)酒精傳感器。如果測(cè)得A區(qū)酒精含量大于B區(qū)酒精含量，同時(shí)大于C區(qū)酒精含量，并且超過標(biāo)準(zhǔn)含量，則傳感器發(fā)出警報(bào)，并啟動(dòng)繼電器斷電[9]。

2.2 防酒駕系統(tǒng)方案

本文主要研究的是呼氣式酒精含量的檢測(cè)。防酒駕系統(tǒng)方案如圖2所示。

圖2 防酒駕系統(tǒng)方案

2.3 傳感器模塊

呼氣式酒精傳感器MQ-3具有較好的穩(wěn)定性、靈敏度、選擇性和抗腐蝕性。MQ-3酒精傳感器輸出模擬電壓量，該信號(hào)較小，需設(shè)計(jì)外圍電路放大。放大電路采用集成運(yùn)算放大器LM393。MQ-3與放大器LM393的連接如圖3所示。outA腳輸出被放大的酒精傳感器信號(hào)。MQ-3傳感器檢測(cè)到被測(cè)氣體后，M、N兩點(diǎn)間的電阻值發(fā)生改變，酒精含量越高，N點(diǎn)的電位就越高，由此經(jīng)過放大后的電壓也就越大[10]。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換模塊與主控芯片模塊

三菱公司FX2N-2AD的模擬輸入有電壓輸入和電流輸入供選擇：2個(gè)模擬輸入通道接受0～10 V、0～5 V的電壓或4～24 mA的電流?？梢哉{(diào)節(jié)模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換特性。模塊有8個(gè)I/O口。使用FROM/TO指令可以便捷地與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本設(shè)計(jì)的PLC采用FX2N-16MR。

2.5 人機(jī)界面HMI模塊

人機(jī)界面HMI是工作人員與機(jī)器設(shè)備之間互相溝通的橋梁，多功能顯示屏可以根據(jù)用戶需求，通過文字、按鈕、圖形、數(shù)字等多種形式來管理隨時(shí)變化的信息。設(shè)計(jì)中采用上海步科自動(dòng)化有限公司的Kinco MT4210T人機(jī)界面。圖4為防酒駕控制系統(tǒng)各模塊連接圖。

圖3 MQ-3傳感器與LM399放大器連接圖

圖4 系統(tǒng)硬件連接圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)原理

當(dāng)駕駛員坐到駕駛位置，按下測(cè)試按鈕X0，系統(tǒng)開始工作，系統(tǒng)將測(cè)得的A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)數(shù)據(jù)，經(jīng)過FX2N-2AD數(shù)字量化分別存儲(chǔ)到PLC的數(shù)據(jù)寄存器D10、D20、D30。

為保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)將20次測(cè)試數(shù)據(jù)取平均值，存儲(chǔ)到PLC的數(shù)據(jù)寄存器D110、D112、D114。

將3個(gè)平均值數(shù)據(jù)分別作比較，如果D110數(shù)據(jù)>D112數(shù)據(jù)，D110數(shù)據(jù)>D114數(shù)據(jù)，且D110數(shù)據(jù)>設(shè)定值(測(cè)試前所設(shè)定的酒駕標(biāo)準(zhǔn))，則判斷該駕駛員酒精含量超標(biāo)，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警，繼電器切斷發(fā)動(dòng)機(jī)引擎電路，不允許汽車發(fā)動(dòng)，人機(jī)界面同時(shí)文本顯示“您的酒精值超標(biāo)，不適合駕駛汽車”。

如果上述測(cè)試條件不成立，那么蜂鳴器與繼電器回路不動(dòng)作，同時(shí)人機(jī)界面會(huì)顯示“您的酒精值在安全范圍，可放心駕駛”。

3.2 PLC程序的編制

采用GX Developer軟件編制三菱PLC程序。PLC程序注釋表見表1。

表1 PLC程序注釋表

3.3 人機(jī)界面HMI

設(shè)定酒精值超標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，將PLC采樣的A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)各20次測(cè)量平均值在人機(jī)界面上顯示，如果超標(biāo)就會(huì)彈出警示畫面，如果不超標(biāo)就顯示可正常駕駛畫面。

4 系統(tǒng)仿真與調(diào)試

將系統(tǒng)按接線圖完整接線，制作PLC與人機(jī)界面之間的串口通信線，然后送電，將編程口旁的小開關(guān)撥至RUN的位置，運(yùn)行燈由暗變亮。打開所編制過的PLC工程文件，選擇菜單欄里的【在線】—【PLC寫入】，這時(shí)彈出通信界面窗口，選擇所需要的通信參數(shù)(FX2N選擇默認(rèn))，點(diǎn)擊窗口中的通信測(cè)試，顯示FX2N通信成功，表明已經(jīng)連接上了PLC。

這時(shí)點(diǎn)擊【確定】按鈕，彈出下載工程的菜單欄，勾選要下載到PLC中的內(nèi)容，點(diǎn)擊執(zhí)行按鈕，窗口會(huì)提示“是否執(zhí)行遠(yuǎn)程STOP操作后，執(zhí)行CPU寫入”，點(diǎn)擊“YES”。

然后軟件會(huì)將所編寫的程序輸入到PLC中，最后會(huì)提醒是否執(zhí)行遠(yuǎn)程運(yùn)行，點(diǎn)擊“YES”，這時(shí)軟件彈出已完成的提示框，表示程序已經(jīng)下載成功。

在編輯好的人機(jī)組態(tài)畫面，點(diǎn)擊菜單欄上的【工具】，選擇第一個(gè)選項(xiàng)，然后kinco軟件會(huì)在編譯信息窗口提示編譯完成，0錯(cuò)誤，0警告。

再選擇【工具】菜單，選擇下載，軟件彈出需要下載的項(xiàng)目類。選擇項(xiàng)目之后，選擇下載，這時(shí)會(huì)看到下載的進(jìn)度條一直往前移動(dòng)(下載前一定要先把USB驅(qū)動(dòng)裝上，系統(tǒng)中的HMI為USB口傳輸模式)，待進(jìn)度條走完以后，可以看見HMI 中已經(jīng)有我們編輯過的工程畫面了。同時(shí)，注意HMI上的COM指示燈是否快速閃動(dòng)：如果是，則表示這時(shí)HMI已經(jīng)與PLC通信成功；如果不是，則表示通信沒有連接上，HMI上會(huì)以英文顯示PLC沒有響應(yīng)，這時(shí)需要重新檢查通信電纜的連接是否正確，設(shè)備之間的通信參數(shù)是否合理。

至此，所需要的程序已經(jīng)全部輸入到相應(yīng)的設(shè)備中。將GX Developer軟件打開，選擇在線菜單中的監(jiān)視模式，所有的數(shù)據(jù)內(nèi)容均可在計(jì)算機(jī)屏幕中顯示出來。這時(shí)，可以在HMI中設(shè)置酒精測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)值。

在車內(nèi)無酒精環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕X0，會(huì)顯示酒精含量為0，然后彈出綠色畫面顯示“您的酒精值在安全范圍，可放心駕駛”。

在駕駛員酒精含量超標(biāo)的情況下測(cè)試，HMI也會(huì)顯示相應(yīng)的酒精含量值，并會(huì)彈出黃色報(bào)警畫面：您的酒精值超標(biāo)，不適合駕駛汽車。

表2為系統(tǒng)模擬試驗(yàn)部分結(jié)果，表明該系統(tǒng)能有效識(shí)別駕駛員酒駕。

5 結(jié)論

本文對(duì)防酒駕控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過對(duì)車內(nèi)信號(hào)的檢測(cè)判斷是否為駕駛員本人進(jìn)行的酒精測(cè)試，同時(shí)在車輛行駛過程中對(duì)駕駛員酒精含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)駕駛員酒精含量超標(biāo)時(shí)通過鎖死車輛啟動(dòng)系統(tǒng)和電動(dòng)油泵，實(shí)現(xiàn)防止駕駛員酒后駕車。

表2 系統(tǒng)在環(huán)仿真結(jié)果