根據ZigBee的汽車空調控制系統設計策略

摘? 要： 針對汽車空調系統的實時性要求，提出了一種基于ZigBee技術的汽車空調控制系統，給出了控制系統的網絡結構、傳感器節點和系統主節點電路，設計了控制系統的網絡協議和傳感器節點以及主控制節點的程序流程。為汽車空調控制提供了一種新的技術。

????? 汽車空調系統是實現車內伺乘空氣環境調節的專用裝置，用以滿足車內乘員對乘車舒適性的要求[1]。車內乘員的舒適感與車內空氣相對濕度、溫度以及空氣流速和車內物品表面溫度等諸多因素相關[2]。因此,汽車空調系統需要對車內外各種環境參數進行感知，并根據要求進行相應的調節。而汽車空調系統由于受到車輛空間和車輛工況等因素的影響，且工作在環境惡劣、工作負荷較大狀態下,因此對控制系統的抗干擾性和穩定性要求較高。一般傳統的汽車空調系統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。由于空調控制功能較多,系統控制線路復雜,控制精度也較低，且存在成本高、監控系統復雜、抗干擾性較差等缺點，使空調控制系統的可行性和控制精度仍然受到較大影響。

　　ZigBee技術[3]是一種新興的智能傳感器與控制技術，是傳感器技術與無線網絡技術的結合，廣泛應用在環境監控以及工業控制等領域。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]，特別適用于工作現場惡劣、數據傳輸量小、實時性強、傳輸距離短且布線不方便的場合。在汽車空調控制系統中，使用ZigBee技術進行空調系統的環境參數采集與傳送、控制信號的傳輸與控制，避免了惡劣的工業現場環境對有線傳輸方式的干擾和影響（如電磁干擾、潮濕、振動等），提高了控制系統的可靠性和抗干擾能力，對降低汽車空調系統的能耗和提高乘員乘車舒適性等具有一定意義。

　　本文結合汽車對空調系統的要求，設計了一種基于ZigBee的汽車空調控制系統，大大減少了控制系統的成本和復雜性，降低了系統的能耗，提高了系統控制精度和可行性。

1 系統設計

　　1．1控制系統設計

　　汽車空調控制系統原理如圖1所示，系統由傳感器節點、系統主控制節點、動作節點等組成。傳感器節點有車內溫濕度傳感器、車外溫度傳感器、CO2濃度傳感器、光照傳感器、各種風門傳感器等節點。動作控制節點有壓縮機控制節點、送風機控制節點、除霜風門、混合風門循環風門等各種風門控制節點、暖水閥以及加濕器控制節點。系統將監測到的溫度、濕度、CO2濃度車內外環境等數據通過傳感器節點的處理，轉換成數字信號后發送至主控制節點，由主節點進行相應的處理，然后將相應的指令輸送到動作節點，使車內的溫度、濕度和空氣質量控制在設定范圍內。

　　在系統設計時，系統網絡結構為星形拓撲結構，系統主控制節點為網絡控制器，其他節點均為從節點，網絡拓撲結構如圖2所示。將主節點設置為全功能節點（FFD），負責系統的管理與控制；傳感器和控制節點設置為簡化功能節點（RFD），負責環境參數數據采集和空調系統控制。

　　1．2 系統電路設計

汽車空調控制系統電路設計有:(1)環境數據采集電路，包括車內溫度、濕度以及CO2濃度采集節點、光照采集節點、車外溫度采集節點、風門位置檢測節點等；(2)空調系統工作和控制電路，包括壓縮機工作控制節點、蒸發器及冷凝器風機控制節點、風門位置控制節點、除霜控制節點、加濕控制節點、采暖控制節點等電路；(3)主控制節點電路，主要包括控制及顯示電路、操作控制電路等。

　　車內環境參數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換氣系統或對CO2氣體的長期監測等應用場合[5]。CO2傳感器輸出的微弱電壓經放大器U3(LM386)放大后輸出至U5的P0_2進行A/D轉換并存儲到CC2430 指定的存儲單元。PR1調整放大器的增益，使濃度輸出信號電壓在0～3 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、數字輸出、免調試、免標定及互換性強等特點，集成A/D轉換器和存儲器，在測量過程中可對相對濕度自動進行標定。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據,然后將溫/濕度參數存儲到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U4放大器輸入到U5的P0_3進行A/D轉換。

　　蒸發器、冷凝器、換氣風扇電機以及壓縮機控制節點基本電路如圖4所示。U2接收到主控制器的控制信號后,調用處理器中的電機調速中斷程序,從P0_0經光電耦合器U3輸出一定占空比的控制信號,控制Q1的導通電流大小，從而控制送風電機的轉速。

　　系統主控制節點電路如圖5所示，電路主要由主節點處理器、控制按鍵和參數顯示電路等組成。

2 系統軟件設計

　　2.1 網絡協議與數據幀設計

　　通過對本系統的應用分析，為了節省節點的程序存儲空間，對ZigBee協議進行了精簡。在系統協議中省略了安全機制，FFD節點的設備類型設置為無安全機制全功能節點(FFDNS[5])，RFD節點的設備類型為無安全機制簡化功能節點(RFDNS),并將系統節點中與本應用無關的原語省略，以提高協議效率。傳感器與控制節點協議與實現原語如圖6所示。

系統數據傳輸的數據幀格式使用ZigBee的MAC層數據包格式[6]，其結構如圖7所示。數據包中幀載荷的定義為:從節點編號+節點類型+檢測參數(或動作指令)，其中從節點編號與傳感器或控制節點ID綁定。

圖7? 數字幀結構

　　2.2系統軟件設計

　　控制系統程序設計使用模塊化程序設計方法，由主控模塊、無線節點模塊組成。系統軟件流程如圖8所示,無線網絡節點流程圖如圖9所示。

3 系統測試結果與討論

　　在系統各節點設計完成后，在某型號中巴客車中使用本文設計的系統進行了測試，測試結果如表1所示。測試結果表明，系統各項參數符合要求。由于系統工作現場存在各種電磁干擾，因此，在各節點上需要采取相應的抗干擾措施，如系統供電采取相應的抗干擾措施。

　　無線傳感器網絡作為近年新興的監控技術，在工業自動過程控制中得到廣泛應用。本文所設計的基于ZigBee無線傳感器的汽車空調控制系統，具有低成本、運行可靠、實時性強、布線少等特點，對提高汽車空調控制系統工作的可行性和穩定性、提高控制精度和降低空調系統能耗具有一定的意義。基于ZigBee的空調控制系統由于其成本低、實時性好、嵌入性強，在汽車空調系統中具有較好的應用前景。