根據(jù)ZigBee的汽車空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略

摘 要： 針對(duì)汽車空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(diǎn)和系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)電路，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和傳感器節(jié)點(diǎn)以及主控制節(jié)點(diǎn)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(shí)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(duì)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(duì)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(duì)車內(nèi)外各種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行感知，并根據(jù)要求進(jìn)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(duì)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(dòng)方式或自動(dòng)方式進(jìn)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(diǎn)，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(wú)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(shí)時(shí)性強(qiáng)、功耗低、抗干擾性強(qiáng)、嵌入性好等特點(diǎn)[4]，特別適用于工作現(xiàn)場(chǎng)惡劣、數(shù)據(jù)傳輸量小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離短且布線不方便的場(chǎng)合。在汽車空調(diào)控制系統(tǒng)中，使用ZigBee技術(shù)進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)采集與傳送、控制信號(hào)的傳輸與控制，避免了惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)有線傳輸方式的干擾和影響（如電磁干擾、潮濕、振動(dòng)等），提高了控制系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，對(duì)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(duì)空調(diào)系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)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(jì)

　　1．1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　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(diǎn)、系統(tǒng)主控制節(jié)點(diǎn)、動(dòng)作節(jié)點(diǎn)等組成。傳感器節(jié)點(diǎn)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(mén)傳感器等節(jié)點(diǎn)。動(dòng)作控制節(jié)點(diǎn)有壓縮機(jī)控制節(jié)點(diǎn)、送風(fēng)機(jī)控制節(jié)點(diǎn)、除霜風(fēng)門(mén)、混合風(fēng)門(mén)循環(huán)風(fēng)門(mén)等各種風(fēng)門(mén)控制節(jié)點(diǎn)、暖水閥以及加濕器控制節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)到的溫度、濕度、CO2濃度車內(nèi)外環(huán)境等數(shù)據(jù)通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)的處理，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后發(fā)送至主控制節(jié)點(diǎn)，由主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的處理，然后將相應(yīng)的指令輸送到動(dòng)作節(jié)點(diǎn)，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(jì)時(shí)，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(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)控制器，其他節(jié)點(diǎn)均為從節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。將主節(jié)點(diǎn)設(shè)置為全功能節(jié)點(diǎn)（FFD），負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理與控制；傳感器和控制節(jié)點(diǎn)設(shè)置為簡(jiǎn)化功能節(jié)點(diǎn)（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(jì)

汽車空調(diào)控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)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(diǎn)、光照采集節(jié)點(diǎn)、車外溫度采集節(jié)點(diǎn)、風(fēng)門(mén)位置檢測(cè)節(jié)點(diǎn)等；(2)空調(diào)系統(tǒng)工作和控制電路，包括壓縮機(jī)工作控制節(jié)點(diǎn)、蒸發(fā)器及冷凝器風(fēng)機(jī)控制節(jié)點(diǎn)、風(fēng)門(mén)位置控制節(jié)點(diǎn)、除霜控制節(jié)點(diǎn)、加濕控制節(jié)點(diǎn)、采暖控制節(jié)點(diǎn)等電路；(3)主控制節(jié)點(diǎn)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(hào)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(cè)使用TGS4161傳感器，該傳感器具有體積小、壽命長(zhǎng)、選擇性和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，同時(shí)還具有耐高濕和耐低溫的特性,可廣泛用于自動(dòng)通風(fēng)換氣系統(tǒng)或?qū)O2氣體的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)到CC2430 指定的存儲(chǔ)單元。PR1調(diào)整放大器的增益，使?jié)舛容敵鲂盘?hào)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(jìn)行加熱。