基于ZigBee的汽车空调控制系统设计

汽车空调系统是实现车内伺乘空气环境调节的专用装置，用以满足车内乘员对乘车舒适性的要求[1]。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,控制精度也较低，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精度仍然受到较大影响。

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（如电磁干扰、潮湿、振动等），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。

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，提高了系统控制精度和可行性。

1 系统设计

1．1控制系统设计

汽车空调控制系统原理如图1所示，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，网络拓扑结构如图2所示。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如图3所示。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(LM386)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最敏感的温度上，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如图4所示。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如图5所示，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(FFDNS[5])，RFD节点的设备类型为无安全机制简化功能节点(RFDNS),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如图6所示。

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      系统数据传输的数据帧格式使用ZigBee的MAC层数据包格式[6]，其结构如图7所示。数据包中帧载荷的定义为:从节点编号+节点类型+检测参数(或动作指令)，其中从节点编号与传感器或控制节点ID绑定。

图7 数字帧结构

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。系统软件流程如图8所示,无线网络节点流程图如图9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、提高控制精度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。