基于ZigBee的汽車空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計

      摘  要： 針對汽車空調(diào)系統(tǒng)的實時性要求，提出了一種基于ZigBee技術(shù)的汽車空調(diào)控制系統(tǒng)，給出了控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、傳感器節(jié)點和系統(tǒng)主節(jié)點電路，設(shè)計了控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和傳感器節(jié)點以及主控制節(jié)點的程序流程。為汽車空調(diào)控制提供了一種新的技術(shù)。

      汽車空調(diào)系統(tǒng)是實現(xiàn)車內(nèi)伺乘空氣環(huán)境調(diào)節(jié)的專用裝置，用以滿足車內(nèi)乘員對乘車舒適性的要求[1]。車內(nèi)乘員的舒適感與車內(nèi)空氣相對濕度、溫度以及空氣流速和車內(nèi)物品表面溫度等諸多因素相關(guān)[2]。因此,汽車空調(diào)系統(tǒng)需要對車內(nèi)外各種環(huán)境參數(shù)進行感知，并根據(jù)要求進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。而汽車空調(diào)系統(tǒng)由于受到車輛空間和車輛工況等因素的影響，且工作在環(huán)境惡劣、工作負(fù)荷較大狀態(tài)下,因此對控制系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性要求較高。一般傳統(tǒng)的汽車空調(diào)系統(tǒng)均采用手動方式或自動方式進行控制，而這些控制方式的控制線路均使用有線方式連接。由于空調(diào)控制功能較多,系統(tǒng)控制線路復(fù)雜,控制精度也較低，且存在成本高、監(jiān)控系統(tǒng)復(fù)雜、抗干擾性較差等缺點，使空調(diào)控制系統(tǒng)的可行性和控制精度仍然受到較大影響。

　　ZigBee技術(shù)[3]是一種新興的智能傳感器與控制技術(shù)，是傳感器技術(shù)與無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，廣泛應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)控以及工業(yè)控制等領(lǐng)域。由于其具有低成本、體積小、實時性強、功耗低、抗干擾性強、嵌入性好等特點[4]，特別適用于工作現(xiàn)場惡劣、數(shù)據(jù)傳輸量小、實時性強、傳輸距離短且布線不方便的場合。在汽車空調(diào)控制系統(tǒng)中，使用ZigBee技術(shù)進行空調(diào)系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)采集與傳送、控制信號的傳輸與控制，避免了惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境對有線傳輸方式的干擾和影響（如電磁干擾、潮濕、振動等），提高了控制系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，對降低汽車空調(diào)系統(tǒng)的能耗和提高乘員乘車舒適性等具有一定意義。

　　本文結(jié)合汽車對空調(diào)系統(tǒng)的要求，設(shè)計了一種基于ZigBee的汽車空調(diào)控制系統(tǒng)，大大減少了控制系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)的能耗，提高了系統(tǒng)控制精度和可行性。

1 系統(tǒng)設(shè)計

　　1．1控制系統(tǒng)設(shè)計

　　汽車空調(diào)控制系統(tǒng)原理如圖1所示，系統(tǒng)由傳感器節(jié)點、系統(tǒng)主控制節(jié)點、動作節(jié)點等組成。傳感器節(jié)點有車內(nèi)溫濕度傳感器、車外溫度傳感器、CO2濃度傳感器、光照傳感器、各種風(fēng)門傳感器等節(jié)點。動作控制節(jié)點有壓縮機控制節(jié)點、送風(fēng)機控制節(jié)點、除霜風(fēng)門、混合風(fēng)門循環(huán)風(fēng)門等各種風(fēng)門控制節(jié)點、暖水閥以及加濕器控制節(jié)點。系統(tǒng)將監(jiān)測到的溫度、濕度、CO2濃度車內(nèi)外環(huán)境等數(shù)據(jù)通過傳感器節(jié)點的處理，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后發(fā)送至主控制節(jié)點，由主節(jié)點進行相應(yīng)的處理，然后將相應(yīng)的指令輸送到動作節(jié)點，使車內(nèi)的溫度、濕度和空氣質(zhì)量控制在設(shè)定范圍內(nèi)。

　　在系統(tǒng)設(shè)計時，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)主控制節(jié)點為網(wǎng)絡(luò)控制器，其他節(jié)點均為從節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。將主節(jié)點設(shè)置為全功能節(jié)點（FFD），負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理與控制；傳感器和控制節(jié)點設(shè)置為簡化功能節(jié)點（RFD），負(fù)責(zé)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)采集和空調(diào)系統(tǒng)控制。

　　1．2 系統(tǒng)電路設(shè)計

      汽車空調(diào)控制系統(tǒng)電路設(shè)計有:(1)環(huán)境數(shù)據(jù)采集電路，包括車內(nèi)溫度、濕度以及CO2濃度采集節(jié)點、光照采集節(jié)點、車外溫度采集節(jié)點、風(fēng)門位置檢測節(jié)點等；(2)空調(diào)系統(tǒng)工作和控制電路，包括壓縮機工作控制節(jié)點、蒸發(fā)器及冷凝器風(fēng)機控制節(jié)點、風(fēng)門位置控制節(jié)點、除霜控制節(jié)點、加濕控制節(jié)點、采暖控制節(jié)點等電路；(3)主控制節(jié)點電路，主要包括控制及顯示電路、操作控制電路等。

　　車內(nèi)環(huán)境參數(shù)傳感器基本電路如圖3所示。傳感器電路由CO2濃度傳感器及信號放大電路、溫濕度傳感器、電源供電電路、CC2430處理器等組成。電源電壓分別為5 V和3 V。CO2濃度檢測使用TGS4161傳感器，該傳感器具有體積小、壽命長、選擇性和穩(wěn)定性好等特點，同時還具有耐高濕和耐低溫的特性,可廣泛用于自動通風(fēng)換氣系統(tǒng)或?qū)O2氣體的長期監(jiān)測等應(yīng)用場合[5]。CO2傳感器輸出的微弱電壓經(jīng)放大器U3(LM386)放大后輸出至U5的P0_2進行A/D轉(zhuǎn)換并存儲到CC2430 指定的存儲單元。PR1調(diào)整放大器的增益，使?jié)舛容敵鲂盘栯妷涸?～3 V之間變化。為了使該傳感器保持在最敏感的溫度上，需要給加熱器提供加熱電壓進行加熱。

　　溫度、濕度檢測使用數(shù)字溫度/濕度傳感器SHT75[6](U6)，該傳感器具有體積小、簡單可靠、價格低、數(shù)字輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定及互換性強等特點，集成A/D轉(zhuǎn)換器和存儲器，在測量過程中可對相對濕度自動進行標(biāo)定。U6的DATA、SCK引腳分別與U5的P0_0、P0_1引腳相連，由U5的P0_1控制U6的SCK引腳，決定從U6的存儲器中讀出溫度或濕度數(shù)據(jù),然后將溫/濕度參數(shù)存儲到CC2430指定的存儲單元。光照度檢測使用光電二極管組成的照度測量電路,光敏元件D1經(jīng)U4放大器輸入到U5的P0_3進行A/D轉(zhuǎn)換。

　　蒸發(fā)器、冷凝器、換氣風(fēng)扇電機以及壓縮機控制節(jié)點基本電路如圖4所示。U2接收到主控制器的控制信號后,調(diào)用處理器中的電機調(diào)速中斷程序,從P0_0經(jīng)光電耦合器U3輸出一定占空比的控制信號,控制Q1的導(dǎo)通電流大小，從而控制送風(fēng)電機的轉(zhuǎn)速。

　　系統(tǒng)主控制節(jié)點電路如圖5所示，電路主要由主節(jié)點處理器、控制按鍵和參數(shù)顯示電路等組成。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　2.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與數(shù)據(jù)幀設(shè)計

　　通過對本系統(tǒng)的應(yīng)用分析，為了節(jié)省節(jié)點的程序存儲空間，對ZigBee協(xié)議進行了精簡。在系統(tǒng)協(xié)議中省略了安全機制，F(xiàn)FD節(jié)點的設(shè)備類型設(shè)置為無安全機制全功能節(jié)點(FFDNS[5])，RFD節(jié)點的設(shè)備類型為無安全機制簡化功能節(jié)點(RFDNS),并將系統(tǒng)節(jié)點中與本應(yīng)用無關(guān)的原語省略，以提高協(xié)議效率。傳感器與控制節(jié)點協(xié)議與實現(xiàn)原語如圖6所示。

      系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀格式使用ZigBee的MAC層數(shù)據(jù)包格式[6]，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。數(shù)據(jù)包中幀載荷的定義為:從節(jié)點編號+節(jié)點類型+檢測參數(shù)(或動作指令)，其中從節(jié)點編號與傳感器或控制節(jié)點ID綁定。

圖7  數(shù)字幀結(jié)構(gòu)

　　2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　控制系統(tǒng)程序設(shè)計使用模塊化程序設(shè)計方法，由主控模塊、無線節(jié)點模塊組成。系統(tǒng)軟件流程如圖8所示,無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點流程圖如圖9所示。