基于ZigBee的車(chē)載尾氣實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文通過(guò)對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣的監(jiān)測(cè)研究，提出了一套基于短距離無(wú)線通信ZigBee技術(shù)的車(chē)載尾氣實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案。該方案能實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放濃度，能及時(shí)反映汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)狀況，發(fā)現(xiàn)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的故障，有效避免了因汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)等故障引起的嚴(yán)重的汽車(chē)尾氣污染，通過(guò)GPRS將數(shù)據(jù)上傳至控制中心，也可為尾氣檢測(cè)治理提供重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：ZigBee；CC2530；無(wú)線傳感器；車(chē)載尾氣監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

隨著汽車(chē)保有量的急速增長(zhǎng)，汽車(chē)尾氣污染問(wèn)題已經(jīng)成為城市空氣污染最重要的來(lái)源，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)排放污染進(jìn)行有效控制已成為我國(guó)環(huán)境保護(hù)一項(xiàng)刻不容緩的任務(wù)，尾氣檢測(cè)分析不僅是檢查排放污染物治理效果的唯一途徑，而且還是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況及性能判定的重要手段[1]。尾氣分析是在發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下，通過(guò)檢測(cè)廢氣中不同成分氣體的含量來(lái)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)各系統(tǒng)故障的方法[2]。目前市場(chǎng)上有不少機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣分析儀出現(xiàn)，但主要用于一些監(jiān)測(cè)和維修機(jī)構(gòu)，車(chē)載尾氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目前市場(chǎng)還沒(méi)有較成形的產(chǎn)品，車(chē)載尾氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)連續(xù)的監(jiān)測(cè)尾氣的各項(xiàng)參數(shù)，通過(guò)這些參數(shù)可以反映發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒狀況和對(duì)空氣污染的情況，這樣可及時(shí)發(fā)現(xiàn)汽車(chē)的故障，及早維修從而達(dá)到保證汽車(chē)安全和防止更多的尾氣污染[3]。

ZigBee是一種低速、低功耗、短距離傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，底層采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的媒體存取層和實(shí)體層，ZigBee網(wǎng)絡(luò)層支持星型、樹(shù)型和網(wǎng)狀拓?fù)洹Ｋ绕渌麩o(wú)線技術(shù)性價(jià)比更高、功耗更少，適合用于車(chē)載尾氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

本文主要介紹車(chē)載尾氣實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用，利用無(wú)線尾氣傳感器組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)尾氣濃度的自動(dòng)采集和傳輸，利用嵌入式網(wǎng)關(guān)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)處理，發(fā)現(xiàn)濃度超標(biāo)等異常能及時(shí)報(bào)警。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

車(chē)載尾氣實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)三部分。汽車(chē)尾氣中含有CO、CO2、HC化合物、NOx、SO2、微粒物質(zhì)等污染物。本系統(tǒng)需檢測(cè)CO、CO2、HC化合物、O2和NOx五種尾氣濃度。CO、CO2、HC化合物用紅外傳感器檢測(cè)，O2用氧傳感器檢測(cè)，NOx用氮氧傳感器檢測(cè)。這三種尾氣傳感器內(nèi)置于尾氣排放管中。本文設(shè)計(jì)中選用基于ZigBee無(wú)線通訊協(xié)議的CC2530芯片作為控制器和射頻收發(fā)器，它有不同的運(yùn)行模式，能適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)，運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短，進(jìn)一步確保了低能源消耗，能到達(dá)省電和延長(zhǎng)電池壽命的目的。

為降低總體功耗，系統(tǒng)采用了ZigeBee星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。采用具有良好首發(fā)性能的CC2530芯片作為協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收三個(gè)網(wǎng)絡(luò)底層傳感器節(jié)點(diǎn)的信息，通過(guò)串口與網(wǎng)關(guān)連接傳輸數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)選用處理速度快且穩(wěn)定的ARM11內(nèi)核，穩(wěn)定的WinCE6.0實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

車(chē)載尾氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括無(wú)線傳感器發(fā)射模塊、協(xié)調(diào)器接受模塊和網(wǎng)關(guān)處理模塊。無(wú)線傳感器發(fā)射模塊安裝于尾氣排放管中，主要包括傳感器、射頻發(fā)送器和電源組成，主要用于采集尾氣濃度；協(xié)調(diào)器接受模塊和網(wǎng)關(guān)處理模塊安裝于汽車(chē)主機(jī)中，用CC2530芯片（包含射頻接收器）接受底層傳感器節(jié)點(diǎn)的信息，并將信息通過(guò)串口送至網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)關(guān)處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，當(dāng)數(shù)據(jù)異常時(shí)能及時(shí)報(bào)警提醒駕駛員。

3 具體硬件電路和軟件設(shè)計(jì)

車(chē)載尾氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括無(wú)線傳感器發(fā)射模塊、協(xié)調(diào)器接受模塊和網(wǎng)關(guān)處理模塊。

（1）車(chē)載尾氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所選硬件

CC2530是用于2.4GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8kBRAM和許多其他強(qiáng)大的功能[4]。

紅外氣體傳感器選用固態(tài)多元探測(cè)器Gasboard-2000；NO傳感器選用的是德國(guó)IP公司生產(chǎn)的電化學(xué)傳感器；氧氣傳感器選用OOA101。

網(wǎng)關(guān)選用處理速度快且穩(wěn)定的ARM11內(nèi)核（S3C6410），采用穩(wěn)定的WinCE6.0實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，擁有1GHz主頻，外接7寸觸摸屏，作為整個(gè)網(wǎng)關(guān)的顯示主體，方便用戶的各種演示。

（2）無(wú)線傳感器發(fā)射模塊

尾氣傳感器將采集到的尾氣濃度信息發(fā)送給CC2530，由CC2530轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)幀經(jīng)過(guò)射頻發(fā)送器無(wú)線發(fā)送給協(xié)調(diào)器接受模塊。為降低尾氣傳感器發(fā)射模塊的功耗，系統(tǒng)平時(shí)處于休眠狀態(tài)，操作以中斷服務(wù)程序形式實(shí)現(xiàn)，CC2530中MCU采用定時(shí)喚醒工作方式，定時(shí)信號(hào)由尾氣傳感器提供。無(wú)線傳感器發(fā)射模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（3）協(xié)調(diào)器接受和網(wǎng)關(guān)處理模塊

協(xié)調(diào)器接受模塊仍然采用CC2530芯片，負(fù)責(zé)接收3個(gè)網(wǎng)絡(luò)底層傳感器節(jié)點(diǎn)的信息，通過(guò)串口與網(wǎng)關(guān)連接傳輸數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)處理模塊核心為ARM11內(nèi)核（S3C6410），選用WinCE6.0實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。可用C++設(shè)計(jì)監(jiān)控主程序，對(duì)尾氣濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可通過(guò)外接觸摸屏進(jìn)行輸入與顯示，若遇數(shù)據(jù)異常，則啟動(dòng)報(bào)警功能。協(xié)調(diào)器接受和網(wǎng)關(guān)處理模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

協(xié)調(diào)器接受和網(wǎng)關(guān)處理模塊的程序流程圖如圖4所示。

無(wú)線傳感器發(fā)射模塊以數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)射模塊中的MCU（8051）決定要將采集到的尾氣傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)幀的前導(dǎo)位喚醒協(xié)調(diào)器接受模塊，接著開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

ZigBee通信技術(shù)因其低成本、低功耗，被成功應(yīng)用于汽車(chē)電子產(chǎn)品中，本文將汽車(chē)尾氣濃度檢測(cè)參數(shù)通過(guò)ZigBee無(wú)線傳輸至協(xié)調(diào)器和網(wǎng)關(guān)處理模塊，實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，遇異常情況啟動(dòng)報(bào)警。實(shí)驗(yàn)證明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠比較準(zhǔn)確的測(cè)試出車(chē)輛的真實(shí)排放性能。不同溫度和氣壓下檢測(cè)的尾氣濃度有較小的差異。同時(shí)還可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，通過(guò)GPRS或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將汽車(chē)采集的尾氣濃度數(shù)據(jù)上傳至總控制中心（可由政府部門(mén)搭建），為尾氣檢測(cè)治理提供重要真實(shí)的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王子華，陳原生，王青.汽車(chē)尾氣治理與發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)系[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2004（5）：31-33.

[2] 趙英勛，劉明.汽車(chē)檢測(cè)與診斷技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：23-28.

[3] 荀啟峰.嵌入式車(chē)載尾氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D].江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008（6）.

[4] CC2530數(shù)據(jù)手冊(cè)[EB/OL].http：//www.zigbee-sh.cn/zigbee_info.asp.2011.

作者簡(jiǎn)介：

荀啟峰（1980—），男，碩士，講師.研究方向：嵌入式系統(tǒng)

設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)體系構(gòu)領(lǐng)域.