基于ZigBee的汽車(chē)空調控制系統設計

汽車(chē)空調系統是實(shí)現車(chē)內伺乘空氣環(huán)境調節的專(zhuān)用裝置，用以滿(mǎn)足車(chē)內乘員對乘車(chē)舒適性的要求[1]。車(chē)內乘員的舒適感與車(chē)內空氣相對濕度、溫度以及空氣流速和車(chē)內物品表面溫度等諸多因素相關(guān)[2]。因此,汽車(chē)空調系統需要對車(chē)內外各種環(huán)境參數進(jìn)行感知，并根據要求進(jìn)行相應的調節。而汽車(chē)空調系統由于受到車(chē)輛空間和車(chē)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,因此對控制系統的抗干擾性和穩定性要求較高。一般傳統的汽車(chē)空調系統均采用手動(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(xiàn)路均使用有線(xiàn)方式連接。由于空調控制功能較多,系統控制線(xiàn)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(diǎn)，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(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(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的結合，廣泛應用在環(huán)境監控以及工業(yè)控制等領(lǐng)域。由于其具有低成本、體積小、實(shí)時(shí)性強、功耗低、抗干擾性強、嵌入性好等特點(diǎn)[4]，特別適用于工作現場(chǎng)惡劣、數據傳輸量小、實(shí)時(shí)性強、傳輸距離短且布線(xiàn)不方便的場(chǎng)合。在汽車(chē)空調控制系統中，使用ZigBee技術(shù)進(jìn)行空調系統的環(huán)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(yè)現場(chǎng)環(huán)境對有線(xiàn)傳輸方式的干擾和影響（如電磁干擾、潮濕、振動(dòng)等），提高了控制系統的可靠性和抗干擾能力，對降低汽車(chē)空調系統的能耗和提高乘員乘車(chē)舒適性等具有一定意義。

本文結合汽車(chē)對空調系統的要求，設計了一種基于ZigBee的汽車(chē)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(chē)空調控制系統原理如圖1所示，系統由傳感器節點(diǎn)、系統主控制節點(diǎn)、動(dòng)作節點(diǎn)等組成。傳感器節點(diǎn)有車(chē)內溫濕度傳感器、車(chē)外溫度傳感器、CO2濃度傳感器、光照傳感器、各種風(fēng)門(mén)傳感器等節點(diǎn)。動(dòng)作控制節點(diǎn)有壓縮機控制節點(diǎn)、送風(fēng)機控制節點(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)控制節點(diǎn)、暖水閥以及加濕器控制節點(diǎn)。系統將監測到的溫度、濕度、CO2濃度車(chē)內外環(huán)境等數據通過(guò)傳感器節點(diǎn)的處理，轉換成數字信號后發(fā)送至主控制節點(diǎn)，由主節點(diǎn)進(jìn)行相應的處理，然后將相應的指令輸送到動(dòng)作節點(diǎn)，使車(chē)內的溫度、濕度和空氣質(zhì)量控制在設定范圍內。

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

1．2 系統電路設計
汽車(chē)空調控制系統電路設計有:(1)環(huán)境數據采集電路，包括車(chē)內溫度、濕度以及CO2濃度采集節點(diǎn)、光照采集節點(diǎn)、車(chē)外溫度采集節點(diǎn)、風(fēng)門(mén)位置檢測節點(diǎn)等；(2)空調系統工作和控制電路，包括壓縮機工作控制節點(diǎn)、蒸發(fā)器及冷凝器風(fēng)機控制節點(diǎn)、風(fēng)門(mén)位置控制節點(diǎn)、除霜控制節點(diǎn)、加濕控制節點(diǎn)、采暖控制節點(diǎn)等電路；(3)主控制節點(diǎn)電路，主要包括控制及顯示電路、操作控制電路等。

車(chē)內環(huán)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(cháng)、選擇性和穩定性好等特點(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)換氣系統或對CO2氣體的長(cháng)期監測等應用場(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(jìn)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(jiǎn)單可靠、價(jià)格低、數字輸出、免調試、免標定及互換性強等特點(diǎn)，集成A/D轉換器和存儲器，在測量過(guò)程中可對相對濕度自動(dòng)進(jìn)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(jīng)U4放大器輸入到U5的P0_3進(jìn)行A/D轉換。蒸發(fā)器、冷凝器、換氣風(fēng)扇電機以及壓縮機控制節點(diǎn)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(jīng)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(fēng)電機的轉速。

系統主控制節點(diǎn)電路如圖5所示，電路主要由主節點(diǎn)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(wǎng)絡(luò )協(xié)議與數據幀設計

通過(guò)對本系統的應用分析，為了節省節點(diǎn)的程序存儲空間，對ZigBee協(xié)議進(jìn)行了精簡(jiǎn)。在系統協(xié)議中省略了安全機制，FFD節點(diǎn)的設備類(lèi)型設置為無(wú)安全機制全功能節點(diǎn)(FFDNS[5])，RFD節點(diǎn)的設備類(lèi)型為無(wú)安全機制簡(jiǎn)化功能節點(diǎn)(RFDNS),并將系統節點(diǎn)中與本應用無(wú)關(guān)的原語(yǔ)省略，以提高協(xié)議效率。傳感器與控制節點(diǎn)協(xié)議與實(shí)現原語(yǔ)如圖6所示。