汽车智能防盗防酒驾系统研究

摘 要：本文提出了一种基于ARM单片机的防盗防酒驾智能系统。汽车使用者首先进行指纹识别，与预先录入指纹库中的指纹对照来判断其是否为合法用户，若判为真，再对该使用者进行酒精检测，若判为酒驾，蜂鸣器发出警报，通过液晶显示屏给出被检测人血液酒精浓度；两项检测均合格，汽车才能正常起动；否则，锁闭发动机起动系统。实验证明，本系统简单可靠、反应迅速灵敏，在汽车上的应用能够很好的提高汽车安全性。

关键词：防盗防酒驾； 指纹识别； 酒精检测 ；驾驶安全性

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1006-3315（2014）04-175-002

为防止汽车被盗，许多汽车设置了防盗装置。据统计，装有防盗装置的汽车被盗率仅为万分之四，而未装的高达万分之四十[1]。目前，市场上的汽车防盗系统主要有四种形式：机械式、电子式、芯片式和网络式[1-8]。机械式防盗锁是最早使用的一种，其结构相对简单，防盗性能较低，现在已很少使用。电子式防盗器是目前应用最广泛的防盗器之一，可进行自动报警，但其致命缺点在于当车主操纵遥控器时，偷车贼可以用接收器或扫描器盗取遥控器发射的无线电波或红外线，经解码就可以开启汽车的防盗系统。网络防盗器只能用于有GSM网络覆盖的地方，车主可以通过网络搜寻车子所在的位置，但其在没有GSM网络覆盖的区域就无法使用，具有局限性且生产成本较高[1]。芯片式数码防盗器是现在汽车防盗器发展的重点，基本原理是锁住汽车的马达、电路和油路，杜绝了被扫描的弊病。指纹具有唯一性，便携性和终身不变性等优点，采用“指纹芯片”技术，将指纹作为汽车“钥匙”具有得天独厚的优点。

2013年的统计数据显示，全世界每年因为道路交通事故而死亡的人数约为124万。在这其中，因为酒驾导致的交通事故进而致人死亡的数量占了不小比率，仅仅在中国大约每天有5人因为酒驾丧命。酒后驾驶已被世界卫生组织列为交通事故的主要原因之一。为了避免交通悲剧的发生，一种有效地防止民众酒后驾驶的系统的出现就成了现实中的迫切要求。

据此，笔者提出了一种基于ARM单片机的防盗防酒驾智能系统。汽车使用者首先进行指纹识别，与预先录入指纹库中的指纹对照来判断其是否为合法用户，若判为真，再对该使用者进行酒精检测，将酒精传感器设置在驾驶室中，对驾驶者进行强制酒精检测，采用酒后驾驶闭锁技术提高驾驶安全性。

一、检测原理

人体指纹拥有唯一性，通过辨析采集的指纹图像就可以进行身份判别，因此，本系统采用“基于指纹识别”的防盗技术。指纹识别技术主要涉及四个功能：读取指纹图像、提取特征、保存数据和比对。光源发出的光线照射到压有指纹的玻璃表面，反射出明暗不一的光线，CMOS或CCD的光学器件收集这些光线，形成灰度图。根据灰度图中包含的特征进行指纹的验证，对比存储库中的指纹信息即可判断是否为合法用户，以此获得访问权。

将指纹识别系统安装于汽车的起动系统中，在起动车辆之前，首先要求使用者录入指纹信息，系统将对使用者进行指纹识别身份验证，如是未授权者使用车辆，汽车则无法启动。凭车主事先录入的指纹才能发动汽车，指纹具有唯一性，决不会丢失，也无法复制，可以从技术上杜绝解密的可能性。

人体饮酒和不饮酒的情况下血液中的酒精含量不同，呼出的气体中酒精含量也有差别，根据国家标准，人体血液中的酒精浓度（BAC）与呼气浓度（BrAC）的比值约为2200，血液中酒精含量大于20ppm小于80ppm为饮酒驾驶，大于80ppm为醉酒驾驶[2-3]。因此只要对汽车使用者进行吹气检验便可判定其是否属于酒驾。

在起动汽车前，汽车使用者需要先向检测设备里吹气。该设备分析汽车使用者呼出的气体，如果通过吹入气体检测到血液酒精浓度超过标准，发动机将无法起动。

二、系统方案设计

1.系统硬件组成

本系统将指纹防盗和酒后驾驶闭锁两种功能组合在一起，以ArduinoMEGA2560单片机为核心，组合ZYM-MQ3酒精传感器、FM-206光学指纹传感器模块、LCD12864液晶显示模块、蜂鸣器HYD-4261等实现对汽车起动的控制。系统硬件结构如图1所示。

图1 系统结构

FM-206光学指纹模块以高性能高速DSP处理器AS601为核心，无需上位机参与管理，具有指纹录入、图像处理、指纹比对、搜索和模板储存等功能。指纹图像录入时间小于1.0秒，指纹图像读取过程中，对干、湿手指都有较好的成像质量，适用人群广泛，用户根据FM-206 模块提供的丰富控制指令，可自行开发出功能强大的指纹识别应用系统，二次开发应用简单。

本系统选用ZYM-MQ3酒精气体传感器，它对乙醇蒸汽具有很高的灵敏度、良好的选择性和快速的响应恢复特性。检测不同浓度的乙醇蒸汽时，传感器输出不同的电压值。因此采集其端口输出电压值，通过适当换算便可获得驾驶员血液酒精含量。ZYM-MQ3气敏元件的浓度探测范围为10ppm～1000ppm酒精浓度，传感器检测到的酒精浓度与管脚的输出电压成正比例关系，具体来说就是检测到的浓度每升高20ppm，端口输出电压会增加0.1V。

LCD12864液晶显示模块是一种具有4位/8位，2线或3线串行多接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块，其外形如图4所示。其显示分辨率为128×64，内部置8192个16×16点汉字和128个16×8点ASCLL字符集。该模块接口方式简单方便，可构成全中文人机交互图形界面。与同类型液晶显示模块相比，其硬件结构及显示程序简单，且价格也略低于相同点阵图形模块。利用模块显示指纹合法性及酒精浓度，操作简单方便。

系统采用电磁式有源蜂鸣器，接通电源后，可根据单片机发出的指令产生变化的电流，带动电磁线圈产生磁场振动，膜片在电磁场和磁铁的作用下周期性发出震动，发出声音。其内部装有集成电路，不需音频驱动电路，只要接通直流电就可连续发出声响，操作及其简单，适合于酒驾警报器。

ArduinoMEGA2560单片机是系统核心，采用USB接口的核心电路板，具有54路数字输入输出，适合需要大量接口IO接口的设计。处理器核心是Atmega2560，同时具有54路数字输入输出口（其中16路可以作为PWM输出），16路模拟输入，4路UART接口，一个16MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSP header和一个复位按钮。ArduinoMEGA2560有三种供电方式，外部直流电源通过电源插座供电，电池连接VIN和GND 引脚，USB接口直接供电，可产生5V和3.3V两种电压为板上其他芯片供电。

ArduinoMEGA2560单片机控制器接收光学指纹模块和酒精气体传感器传来的信号，并向液晶显示模块和蜂鸣器发出工作指令。

2.系统软件设计

该系统实现防盗和防酒驾两种功能。使用者欲起动汽车必须进行指纹检测和酒精检测，若都检测合格方可正常起动。系统检测工作流程图如图2所示。

系统首先对驾驶员进行指纹检测，与预先存入指纹库中指纹信息对比，如果其为该车的合法拥有者，则会看到液晶屏上显示“指纹检测通过”，然后就可对其进行酒精检测，若检测为非酒驾则汽车可以正常起动，若检测到为酒驾或醉驾则汽车不可正常起动，此时蜂鸣器会发出“嘀嘀”的声音且液晶屏上会显示出驾驶者血液中酒精浓度。

三、实验

将系统硬件串联在电动小车上进行实验，如图3。

1.指纹检测

指纹检测系统共有三种模式：录入、检测、删除。若需录入指纹，按下录入按钮即可进行录入模式中，按钮按下时会听到“嘀”的一声，这时检测屏下方的灯会亮起来录入被检测人的指纹信息，再听到嘀的一声录入完毕。指纹录入时记录被录入者的顺序，并赋予ID号，便于后续操作。

指纹检测时同录入方法，检测完成后液晶屏上会显示检测结果，如果为合法用户，液晶屏幕会显示“该用户合法”。一个系统中只允许有一位第一用户，第一用户具有添加其他用户的权限，也可以通过删除某用户指纹信息ID号的方法取消汽车使用权限。

本次实验在指纹模块录入模式下共采集了5个人左、右手共计50枚指纹图像信息存入指纹库中，在识别模式下进行检测验证，测试结果准确度达到100%。

2.酒精检测

本实验的目的是为了检测酒精控制装置的可靠性，因此将系统酒精测试结果与标准酒精检测仪的结果对比，根据两者的误差度进行判断。检测时，驾驶员需对着传感器测试口连续呼气3~5秒，等待约5秒后，显示屏会自动显示当前驾驶者血液中的酒精含量，若超过酒驾标准，蜂鸣器会发出嘀嘀的报警声，电动小车启动系统锁止。

Arduino MEGA 2560单片机自带10位A/D转换，端口采集到的数字信息为0—1023，对应的电压值为0—5V，测试过程中，单片机串口实时显示检测的结果。人体血液中的酒精浓度与呼吸浓度的比值约为2200，因此人体血液酒精浓度每升高20ppm，测得的电压值将会升高0.1。由此，便可得到测试结果。

抽取2014年1月7号的串口输出检测数据，如表1所示，采集频率5秒/次，时长为60秒/次（共10次）。

酒精检测实验中，对5名用户进行吹气实验。酒精测试中测量浓度与测量者吹气时间、力度的大小及装置的密封性有关，为验证检测的准确性，将系统检测输出数据与高精度酒精测试仪输出值进行对比，本系统的测量准确度在80%—100%范围内。

表1 2014年1月7号的串口检测数据

各物理量所表示的含义：

串口X1：该温湿度下空气中的测量值（基本无酒精浓度）；

串口X2：该温湿度下一定酒精浓度的测量值（吹气时串口输出值）；

电压Y1：空气中采集得到的电压值（由串口1得到）；

电压Y2：一定酒精浓度下采集得到的电压值（由串口2得到）；

测量浓度M：一定酒精浓度下用高精度酒精测试仪得到的酒精浓度；

换算浓度N：通过测量原理换算得到的酒精浓度；

准确度：准确度=换算浓度/测量浓度。

四、结论与展望

笔者提出了一种汽车智能防盗防酒驾系统，并通过实验验证了该系统的可靠性。通过“基于指纹识别”的防盗技术和酒后驾驶闭锁技术，能够实现非法驾驶时汽车自锁的功能。将其与汽车电控起动系统结合，能够提高整车的安全性，具有较好的发展前景。

基金项目：江苏省大学生实践创新训练计划项目“基于嵌入式的智能防盗防醉驾控制系统的设计研究”(201311276063X)

参考文献：

[1]陈勇,杨婧文,许红军等．汽车中控门锁及防盗系统结构原理与维修[M]江苏:江苏科学技术出版社,2007:1-4

[2]道路安全法律小全书[M]北京:中国法制出版社,2007:337

[3]高万云,牛学军,杨润凯等．道路交通安全知识[M]北京:中国检察出版社,2007:157

[4]李春明,魏崴,袁笑虎等．汽车电器设备与维修[M]西安:西安电子科技大学出版社.2006:76-88

[5]Tom Denton(英)，鲁植雄译．汽车电气与电子系统[M](第二版)，江苏科学技术出版社,2005:154-168

[6]蒋建平,蒋晶等．关于现代酒驾安全控制技术推行的探讨[J]南宁市:轻工科技:2012:1-2

[7]张会娟,朱瑞祥,吴峰．汽车防盗控制装置的现状及展望[J]公路与汽运,2005(6):4-5

[8]朱华.现代汽车防盗系统[J]公安交通科技窗,2007(4):11-13