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)是汽車空調(diào)系統(tǒng)是實現(xiàn)對車廂內(nèi)空氣進行制冷、加熱、換氣和空氣凈化的裝置。它可以為乘車人員提供舒適的乘車環(huán)境，降低駕駛員的疲勞強度，提高行車安全?？照{(diào)裝置已成為衡量汽車功能是否齊全的標(biāo)志之一。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，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。

Zigbee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。

簡單的說，ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。ZigBee是一個由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無限擴展。

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，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)為星形拓撲結(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)拓撲結(jié)構(gòu)。將主節(jié)點設(shè)置為全功能節(jié)點（FFD），負責(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。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。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，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，RFD節(jié)點的設(shè)備類型為無安全機制簡化功能節(jié)點，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]。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)，其中從節(jié)點編號與傳感器或控制節(jié)點ID綁定。

　　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，無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點流程所示。

　　3 系統(tǒng)測試結(jié)果與討論

在系統(tǒng)各節(jié)點設(shè)計完成后，在某型號中巴客車中使用本文設(shè)計的系統(tǒng)進行了測試，測試結(jié)果如表1所示。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)各項參數(shù)符合要求。由于系統(tǒng)工作現(xiàn)場存在各種電磁干擾，因此，在各節(jié)點上需要采取相應(yīng)的抗干擾措施，如系統(tǒng)供電采取相應(yīng)的抗干擾措施。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為近年新興的監(jiān)控技術(shù)，在工業(yè)自動過程控制中得到廣泛應(yīng)用。本文所設(shè)計的基于ZigBee無線傳感器的汽車空調(diào)控制系統(tǒng)，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(diào)控制系統(tǒng)工作的可行性和穩(wěn)定性、提高控制和降低空調(diào)系統(tǒng)能耗具有一定的意義?；赯igBee的空調(diào)控制系統(tǒng)由于其成本低、實時性好、嵌入性強，在汽車空調(diào)系統(tǒng)中具有較好的應(yīng)用前景。