基于STM32单片机的酒驾监控系统设计

基于STM32单片机的酒驾监控系统设计摘要酒驾监控系统可监测及防范酒驾行为的出现，它利用安装在车辆里面的传感器，探测驾驶员呼出气体的酒精含量。一旦发现酒精含量超过法定标准，系统会马上发出警报，同时记录相关的数据，为执法部门提供证据。本系统采用STM32单片机实现的一款酒驾监控系统，系统运转期间，MQ3酒精传感器实时核查驾驶员呼出气体的酒精含量，把采集的数据传至STM32单片机。单片机对数据处理分析后在OLED显示模块显示酒精含量。若酒精含量超过法定标准，用以模拟车辆行驶的电机马上停止运行，蜂鸣器响起警报进行提醒，同时WIFI模块把GPS定位获取的车辆位置和酒精含量上传到OneNet云平台，以便执法部门后续收集证据，实现酒驾监测与防范。关键词：STM32单片机MQ3酒精传感器GPS定位模块OneNet云平台AbstractThesystemformonitoringandpreventingdrunkdrivingisdesignedtodetectanddeterinstancesofdrivingundertheinfluence.Byutilizingsensorsplacedwithinthevehicle,itmeasuresthealcoholconcentrationinthedriver'sbreath.Ifthedetectedalcohollevelsurpassesthelegalthreshold,thesystemwillpromptlytriggeranalarmandlogpertinentdata,whichcanlaterserveasevidenceforlegalauthorities.ThismechanismisbuiltaroundanSTM32microcontroller,formingacomprehensivedrunkdrivingpreventionsystem.Duringitsoperation,theMQ3alcoholsensorcontinuouslymonitorsthealcohollevelsinthedriver'sexhaledbreathandsendsthegatheredinformationtotheSTM32microcontroller.Followingtheanalysisandprocessingofthisdata,themicrocontrollerpresentsthealcoholconcentrationonanOLEDdisplaymodule.Incaseswherethealcohollevelexceedsthepermissiblelimit,themotorsimulatingvehiclemotionhaltsinstantly,whileabuzzeremitsawarningsoundtonotifythedriver.Concurrently,theWIFImoduletransmitsthevehicle’sGPS-determinedlocationandalcoholreadingstotheOneNetcloudplatform.Thisenableslawenforcementagenciestogathernecessaryevidencesubsequently,therebyfacilitatingtheeffectivemonitoringandpreventionofdrunkdrivingincidents.Keywords:STM32microcontrollerMQ3AlcoholsensorGPSpositioningmoduleOneNetcloudplatform[24]。图3.1软件程序流程图3.1STM32主控程序STM32主控程序是整个系统的核心，负责协理各个模块的工作，实现系统的全部功能。主要由系统初始化、主循环和中断处理三个部分构成。系统初始化程序掌管系统上电后的初始化工作。主要是将延时函数、串口通信、ADC采样、OLED等外设进行初始化操作，之后去配置GPIO引脚与按键，然后让OLED显示出“酒精浓度:”字样，最后进行WiFi初始化和与OneNet平台相连。系统主体部分由主循环程序组成，保障系统顺利运行且实现相关功能。其关键环节是酒精浓度检测与阈值的判定。系统利用ADC采样得到MQ-3传感器的电压值，之后借助公式转换为酒精浓度值。若检测到的酒精浓度超出设定阈值，系统自动关闭电机，同时触发蜂鸣器报警。系统同样支持借助按键手动控制电机开关。中断处理程序承担处理系统各种中断事件的工作，尤其是GPS模块跟WiFi模块传送的数据，串口中断处理程序一旦接收到数据就触发，把接收到的数据放到缓冲区里面，而后在主循环里着手处理数据，系统凭借串口中断达成了同GPS模块、WiFi模块的通信，保证能及时接收和处理这些模块所发出的数据。3.2酒精浓度检测程序本设计的核心功能之一是酒精浓度检测，承担实时检测酒精浓度的任务，并根据检测结果触发相应的报警及控制机制。酒精浓度检测程序主要包含ADC采样、数据处理以及阈值判断三个部分，其原理的框架图如图3.2所示。ADC采样程序的任务是从MQ-3酒精传感器采集模拟信号，并把模拟信号转化为数字信号。系统利用多次采样取平均值的手段，降低随机噪声的干扰，提高测量稳定性和可靠水平。系统选用较长的采样时长，保证ADC采样的精确性。数据处理算法要把ADC采样值转换成为酒精浓度值，还进行必要的滤波与校准处理。算法首先取得10次ADC采样的平均数值，然后把ADC值转换为对应的电压值，计算公式为：电压值=ADC值×(3300/4096)，其中3300表示参考电压3300mV，4096表示12位ADC的满量程数值，把所测电压值转换为酒精浓度值，其计算公式为：酒精浓度=(电压值×400)/22500，此公式是依照MQ-3传感器的特性曲线和实验数据计算得出的。系统采用简便的线性转换公式，把电压值转换成酒精浓度值。阈值判断逻辑负责把检测到的酒精浓度跟预设阈值进行比较，并触发对应的报警与控制机制。为使该系统在测试时能方便触发危险阈值，阈值判断逻辑把危险阈值设为2mg/L，若检测到的酒精浓度超出该阈值时，系统自动关闭电机之后触发蜂鸣器报警，系统也支持借由按键手动控制电机的开关。系统采用简便的阈值判断逻辑，按照酒精浓度的高低触发不同的报警及控制机制。在实际应用的时候，可设置若干个阈值，达成更精确的分级报警及管控。图3.2酒精浓度检测程序原理框架图3.3GPS数据处理程序GPS数据处理模块可实时获取车辆的位置信息。此模块由数据接收、协议解析加上位置提取三部分组成，保证定位数据精准且实时可用，其原理的框架图如图3.3所示。采用串口中断的方式接收数据，把收到的GPS数据存入缓冲区内，设置数据已就绪标志，保证主程序及时处理好完整数据包，防止数据遗失。协议解析主要是针对GPRMC语句开展，提取UTC时间、经纬度、半球标记和定位状态等信息。系统通过字符串分割及校验机制验证数据是否可用，仅处理那些定位成功的信号，以提高数据的可靠性。位置信息提取针对解析后的数据进行坐标变换，并依照半球标志调整正负值大小。若酒精浓度超过设定阈值，系统借助WiFi模块把处理后的位置信息发送至云平台，给远程监控提供精准的数据保障。图3.3GPS数据处理模块原理框架图3.4电机控制程序电机控制程序要对模拟汽车发动机的电机实施控制，实现酒精浓度超出阈值时切断车辆电源的作用。电机控制程序主要是由GPIO配置、电机启停控制以及安全保护机制三部分组成，其原理的框架图如图3.4所示。系统初始化阶段，GPIO配置程序开启GPIOB端口的时钟，把PB5（电机控制）和PB6（蜂鸣器控制）引脚设置成50MHz推挽输出模式。该设计既保障了驱动电流需求，又依靠统一配置对代码结构做了优化。电机启停控制程序里定义了三个函数：DJ_Toggle（状态更替）、DJ_On（开启电机运转）和DJ_Off（关闭电机运转）三个控制函数，借助调节PB5引脚的电平达成对电机的精准控制。主循环里会调用这些函数，依照实时检测结果开展相应操作。安全保护机制设置了两个条件：当按下按键2或酒精浓度超过2mg/L时，自动关闭电机；若按下按键1，且酒精浓度处于2mg/L以下，才可开启电机。系统可在检测到驾驶员酒精浓度超出安全阈值时，自动把车辆电源断开，制止发动机发动，保证车辆行车安全。图3.4电机控制程序原理框架图3.5报警控制程序当酒精浓度高过阈值时，报警管理程序会运行蜂鸣器传出警报，提示司机和附近人留意，其原理的框架图如图3.5所示。这个程序根据GPIO接口和阈值判断逻辑来实现方案，采用与电机控制系统同样的GPIO配置方案，借助引脚控制蜂鸣器的开关状态。系统将2mg/L设成报警阈值，在循环系统里一直监测酒精浓度。假如接收到的数据超出阈值，蜂鸣器就会马上传来持续警报，直至酒精浓度降至2mg/L以下，警报才能自动解除。这种基于单一阈值的报警方法确保了警报的及时性和准确性。图3.5报警控制程序原理框架图3.6OLED显示程序OLED显示程序负责在OLED12864屏上展现系统状态和酒精浓度数据信息，带给用户直观的信息展现，其原理的框架图如图3.6所示。程序一开始便完成了GPIO配置显示屏初始化，调节对比度、扫描方向等数据以保证显示实际效果。系统可以显示中英文、数字及其带一位小数的浮点型。页面设计选用左右分栏构造，左侧固定不动显示“酒精浓度：”，右侧动态更新浓度值并标注“mg/L”单位，设计布局简洁明了。该方案不但体现出了关键信息，还保留了拓展的空间，可以根据实际情况添加GPS定位等协助信息的显示区域。程序根据显示缓存体制确保具体内容更新流畅，为用户提供清晰可靠的数据可视化页面。图3.6OLED显示程序原理框架图3.7WiFi通信程序ESP8266WiFi通讯程序用于实现系统和OneNet云平台间的数据上传，其原理的框架图如图3.7所示。程序一开始会发送命令把控制模块调整至Station方式，这样就可以连接到另一个无线路由器发出来的WIFI数据信号。然后，程序连接到指定的WiFi互联网，并与OneNet网络服务器创建TCP连接。系统用透传模式来让数据传送更方便，在最开始连接时，推送设备认证信息，进行在平台中申请注册。如果检测出酒精浓度，程序就会启动数据上传机制，把设备ID、酒精浓度、经纬度定位数据这些信息发送至云平台。这种设计既保证了重要数据的可靠传输（基于TCP协议），也能让代码维持简约，运行效率也会提高。图3.7WiFi通信程序原理框架图

4调试与分析4.1硬件测试4.1.1PCB电路板裸板测试如图4.1所示，在拿到自己设计的PCB电路板之后，首先进行电路板裸板的测试，防止出现短路或者断路的情况，这是硬件测试的第一步，也是不可或缺的一步，在进行原理图的设计与PCB的绘制过程中极有可能出现一些低级的细节上的漏洞，嘉立创打板时并不会检测出来存在电气问题，比如断路是不会被检测出来的。所以需要先进行裸板线路的测试，防止焊接后出现不必要的麻烦。经过测试，这一套PCB样板所有线路均没有问题。图4.1PCB电路板裸板测试4.1.2外设模块硬件测试表4.1外设模块硬件测试测试模块描述功能（是否正常）STM32核心板的输入电压为3.3V是MQ3酒精传感器的输入电压为5V是NEO-6MGPS定位模块的输入电压为5V是ESP8266WIFI模块的输入电压为3.3V是直流风扇电机的输入电压为5V是OLED显示屏的输入电压为3.3V是经过硬件测试，并且通过软件调试检测出表4.1中的所有外设模块均可以正常使用。4.2软件测试4.2.1传感器获取酒精浓度测试表4.2酒精浓度测试测试次数实际浓度（mg/L）采集浓度（mg/L）误差12mg/L2mg/L0%22mg/L2mg/L0%33mg/L4mg/L10%43mg/L3mg/L0%54mg/L4mg/L0%64mg/L5mg/L10%从上表4.2中得知，酒精浓度采集与实际温湿度基本吻合，存在一定误差是由于传感器精度还不够以及受密闭环境所导致的。4.2.2驱动与报警测试表4.3电机启停测试参数测试次数电机响应是否成功开启相应状态成功次数测试成功率按下按键120启动是20100%按下按键220停止是20100%酒精浓度≤2mg/L20启动是20100%酒精浓度＞2mg/L20停止是20100%表4.4蜂鸣器报警测试参数测试次数蜂鸣器响应是否成功开启相应状态成功次数测试成功率酒精浓度≤2mg/L20关闭是20100%酒精浓度＞2mg/L20报警是20100%就表4.3和表4.4详细列出的数据而言，系统在不同状态的时候，都可精准地与设备的设定保持完全一致。无论采用手动按键控制，还是周围环境的酒精浓度有所变化，系统都可以精准执行，而且系统的状态显示跟控制指令相一致。该表现证明了该系统有高精度和可靠的特性，为用户提供了稳定又安全的使用体验。4.2.3GPS定位测试表4.5GPS定位测试测试次数实际位置（°E/°N）上传位置（°E/°N）误差(KM)1113.46/23.18（室外）113.46/23.170.72113.46/23.18（室内）113.49/23.172.63114.42/23.04（室外）114.43/23.040.84114.42/23.04（室外）114.43/23.040.85114.42/23.04（室内）114.43/23.012.56114.42/23.04（室内）114.44/23.012.8根据表4.5实测数据得到，GPS定位模块上传位置与实际位置大致吻合，能基本满足该系统对定位的要求，存在一定误差的原因是NEO-6MGPS定位模块的定位性能还还不够，仅支持GPS单系统定位，且室内与室外的信号强度影响很大。4.2.4WIFI模块功能测试如表4.6所示，经过反复多次的测试ESP-NOW协议通信的稳定性，可以实时获取子设备的酒精浓度以及GPS定位信息等参数，各项功能均按照预期进行，数据采集也准确无误。这充分证明了该设计在数据接收与输出方面的卓越性能，为用户提供了高效且可靠的使用体验。图4.6APP各参数以及功能测试项目测试次数成功次数准确率/成功率获取系统时间数据2020100%获取系统酒精浓度2020100%获取系统定位信息2020100%

5总结与展望以STM32为基础的酒驾监控系统设计与实现，基本上能契合市场和科研的要求。本设计在技术实现这件事上有几点创新：一是设计出主动防护的机制，跟传统的被动监测系统不同，若本系统检测到酒精浓度超标，就会自动把车辆电源切断，从根源杜绝酒后驾车这一现象；二是采用多维度的报警策略，将本地蜂鸣器报警跟云平台报警整合在一起，保证报警信息能及时传递；三是创新性地集成了OneNet云平台，实现了对酒精浓度以及GPS位置数据的远程管控，给家人赋予了实时监控的能力。鉴于我目前掌握知识的水平有限，设计存在较大的提升与改进空间：一是采用温湿度补偿算法优化MQ-3酒精传感器的灵敏度和稳定性，从而降低环境因素对测量结果的干扰；二是优化GPS模块的选型，让系统于密闭空间内也可实现精准定位以减少误差，同时可在地图上呈现具体位置与运动轨迹，不只是局限于经纬度显示；三是还能增添几个附加模块，以此提升用户的使用体验，如：疲劳驾驶探测、驾驶行为审查、车辆状态检查等功能，构筑更全面的安全保障系统。此次设计，从最初的确定选题任务到检索资料、查阅文献，再到确定构思、选定方案，随后着手硬件电路设计，进行程序代码编译，以及与云平台的对接，还有论文的撰写等等，这些经历使得我初步具有了嵌入式系统设计的思维、物联网应用开发的能力和学术性研究的态度。过程中也遇到很多问题，如传感器数据漂移、GPS信号不稳定、WiFi通信中断等，每一次卡住都不断督促着我去思考分析问题并尝试去解决问题。不过，正因如此，每天都会更有目标，工作更投入，在解决问题之后更有成就感，并且在良性循环中不断积累和形成学习习惯。在物联网、人工智能、大数据等技术的迅速发展下，酒驾监控也会有更多的进化方向，我相信在未来，智能交通安全系统将会在更多的场景和领域得到应用，为驾驶者和社会带来更安全的出行环境！

参考文献潘光明.基于深度学习与STM32的车载防酒驾系统研究[D].燕山大学,2023.董正帮.酒后驾驶检测系统的设计与实现[J].福建电脑,2021,37(09):83-86.田大玮.基于物联网技术的汽车防酒驾系统设计与实现[D].山东科技大学,2018.王秀,刘保罗,刘永鹏,等.汽车行止安全智能监控系统[J].计算机应用与软件,2024,41(02):340-344.李艳红.基于单片机的GPS定位系统的设计[J].自动化应用,2024,65(12):117-119.LuTao,etal.Thealcohollockbuiltoncarbon-basedfield-effecttransistorsensorwithPd/ZnOfloatinggatestructureusedfordrunkdrivingsurveillance.SensorsandActuators:B.Chemical419.(2024):136393-136393.MosheRavAcha,etal.ImportanceofRaw-DataAnalysisWhenDeterminingtheCauseofPauseAlertsTransmittedbyanImplantableLoopRecorderRemoteMonitoringDevices..Journalofcardiovascularelectrophysiology(2025):SmartStart;Dallas-basedAlcoholMonitoringCompanySmartStartPassesOneMillionCustomerMilestoneAfter25Years.JournalofEngineering(2017):189-.李楠,苏航,张安莉,等.基于OneNET云平台的智慧消防远程监控系统