基于ZigBee的汽车空调控制系统设计

　　摘  要： 针对汽车空调系统的实时性要求，提出了一种基于ZigBee技术的汽车空调控制系统，给出了控制系统的网络结构、传感器节点和系统主节点电路，设计了控制系统的网络协议和传感器节点以及主控制节点的程序流程。为汽车空调控制提供了一种新的技术。

汽车空调系统是汽车空调系统是实现对车厢内空气进行制冷、加热、换气和空气净化的装置。它可以为乘车人员提供舒适的乘车环境，降低驾驶员的疲劳强度，提高行车安全。空调装置已成为衡量汽车功能是否齐全的标志之一。车内乘员的舒适感与车内空气相对湿度、温度以及空气流速和车内物品表面温度等诸多因素相关[2]。因此，汽车空调系统需要对车内外各种环境参数进行感知，并根据要求进行相应的调节。而汽车空调系统由于受到车辆空间和车辆工况等因素的影响，且工作在环境恶劣、工作负荷较大状态下，因此对控制系统的抗干扰性和稳定性要求较高。一般传统的汽车空调系统均采用手动方式或自动方式进行控制，而这些控制方式的控制线路均使用有线方式连接。由于空调控制功能较多，系统控制线路复杂，控制也较低，且存在成本高、监控系统复杂、抗干扰性较差等缺点，使空调控制系统的可行性和控制仍然受到较大影响。

ZigBee技术[3]是一种新兴的智能传感器与控制技术，是传感器技术与无线网络技术的结合，广泛应用在环境监控以及工业控制等领域。由于其具有低成本、体积小、实时性强、功耗低、抗干扰性强、嵌入性好等特点[4]，特别适用于工作现场恶劣、数据传输量小、实时性强、传输距离短且布线不方便的场合。在汽车空调控制系统中，使用ZigBee技术进行空调系统的环境参数采集与传送、控制信号的传输与控制，避免了恶劣的工业现场环境对有线传输方式的干扰和影响，提高了控制系统的可靠性和抗干扰能力，对降低汽车空调系统的能耗和提高乘员乘车舒适性等具有一定意义。

Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

简单的说，ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。

本文结合汽车对空调系统的要求，设计了一种基于ZigBee的汽车空调控制系统，大大减少了控制系统的成本和复杂性，降低了系统的能耗，提高了系统控制和可行性。

　　1 系统设计

　　1.1控制系统设计

汽车空调控制系统原理，系统由传感器节点、系统主控制节点、动作节点等组成。传感器节点有车内温湿度传感器、车外温度传感器、CO2浓度传感器、光照传感器、各种风门传感器等节点。动作控制节点有压缩机控制节点、送风机控制节点、除霜风门、混合风门循环风门等各种风门控制节点、暖水阀以及加湿器控制节点。系统将监测到的温度、湿度、CO2浓度车内外环境等数据通过传感器节点的处理，转换成数字信号后发送至主控制节点，由主节点进行相应的处理，然后将相应的指令输送到动作节点，使车内的温度、湿度和空气质量控制在设定范围内。

在系统设计时，系统网络结构为星形拓扑结构，系统主控制节点为网络控制器，其他节点均为从节点，网络拓扑结构。将主节点设置为全功能节点（FFD），负责系统的管理与控制；传感器和控制节点设置为简化功能节点（RFD），负责环境参数数据采集和空调系统控制。

　　1.2 系统电路设计

汽车空调控制系统电路设计有：（1）环境数据采集电路，包括车内温度、湿度以及CO2浓度采集节点、光照采集节点、车外温度采集节点、风门位置检测节点等；（2）空调系统工作和控制电路，包括压缩机工作控制节点、蒸发器及冷凝器风机控制节点、风门位置控制节点、除霜控制节点、加湿控制节点、采暖控制节点等电路；（3）主控制节点电路，主要包括控制及显示电路、操作控制电路等。

车内环境参数传感器基本电路。传感器电路由CO2浓度传感器及信号放大电路、温湿度传感器、电源供电电路、CC2430处理器等组成。电源电压分别为5 V和3 V。CO2浓度检测使用TGS4161传感器，该传感器具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特点，同时还具有耐高湿和耐低温的特性，可广泛用于自动通风换气系统或对CO2气体的长期监测等应用场合[5]。CO2传感器输出的微弱电压经放大器U3放大后输出至U5的P0_2进行A/D转换并存储到CC2430 指定的存储单元。PR1调整放大器的增益，使浓度输出信号电压在0～3 V之间变化。为了使该传感器保持在敏感的温度上，需要给加热器提供加热电压进行加热。

温度、湿度检测使用数字温度/湿度传感器SHT75[6]（U6），该传感器具有体积小、简单可靠、价格低、数字输出、免调试、免标定及互换性强等特点，集成A/D转换器和存储器，在测量过程中可对相对湿度自动进行标定。U6的DATA、SCK引脚分别与U5的P0_0、P0_1引脚相连，由U5的P0_1控制U6的SCK引脚，决定从U6的存储器中读出温度或湿度数据，然后将温/湿度参数存储到CC2430指定的存储单元。光照度检测使用光电二极管组成的照度测量电路，光敏元件D1经U4放大器输入到U5的P0_3进行A/D转换。

蒸发器、冷凝器、换气风扇电机以及压缩机控制节点基本电路。U2接收到主控制器的控制信号后，调用处理器中的电机调速中断程序，从P0_0经光电耦合器U3输出一定占空比的控制信号，控制Q1的导通电流大小，从而控制送风电机的转速。

系统主控制节点电路，主要由主节点处理器、控制按键和参数显示电路等组成。

　　2 系统软件设计

　　2.1 网络协议与数据帧设计

通过对本系统的应用分析，为了节省节点的程序存储空间，对ZigBee协议进行了精简。在系统协议中省略了安全机制，FFD节点的设备类型设置为无安全机制全功能节点，RFD节点的设备类型为无安全机制简化功能节点，并将系统节点中与本应用无关的原语省略，以提高协议效率。传感器与控制节点协议与实现原语所示。

系统数据传输的数据帧格式使用ZigBee的MAC层数据包格式[6]。数据包中帧载荷的定义为：从节点编号+节点类型+检测参数，其中从节点编号与传感器或控制节点ID绑定。

　　2.2系统软件设计

控制系统程序设计使用模块化程序设计方法，由主控模块、无线节点模块组成。系统软件流程，无线网络节点流程所示。

　　3 系统测试结果与讨论

在系统各节点设计完成后，在某型号中巴客车中使用本文设计的系统进行了测试，测试结果如表1所示。测试结果表明，系统各项参数符合要求。由于系统工作现场存在各种电磁干扰，因此，在各节点上需要采取相应的抗干扰措施，如系统供电采取相应的抗干扰措施。

无线传感器网络作为近年新兴的监控技术，在工业自动过程控制中得到广泛应用。本文所设计的基于ZigBee无线传感器的汽车空调控制系统，具有低成本、运行可靠、实时性强、布线少等特点，对提高汽车空调控制系统工作的可行性和稳定性、提高控制和降低空调系统能耗具有一定的意义。基于ZigBee的空调控制系统由于其成本低、实时性好、嵌入性强，在汽车空调系统中具有较好的应用前景。