ZigBee和模糊控制的智能胎壓監(jiān)測(cè)制動(dòng)系統(tǒng)

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(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，西安 710048)

引 言

隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平和科技水平的不斷提高，汽車已逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢商娲墓ぞ摺ｋS著汽車使用量的不斷增加，汽車引發(fā)的道路交通事故等一系列社會(huì)問(wèn)題也日益突出，汽車安全問(wèn)題在世界各地都有著不同程度的困擾。據(jù)交通局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，目前我國(guó)高速公路上70%的交通事故為輪胎氣壓?jiǎn)栴}引起的，而爆胎是目前汽車交通事故的重大殺手之一。本文設(shè)計(jì)了基于模糊控制帶剎車聯(lián)動(dòng)作用的智能胎壓監(jiān)測(cè)制動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)胎壓胎溫信息和模糊控制輸出制動(dòng)力的大小，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)剎車動(dòng)作，減少事故發(fā)生率[1-2]。

1 胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

基于ZigBee的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架如圖1所示。ZigBee作為一種無(wú)線通信技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[3]。該部分主要分為4個(gè)從節(jié)點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)4個(gè)輪子，一個(gè)主節(jié)點(diǎn)作為主控制器和制動(dòng)系統(tǒng)。傳感器將采集到的胎壓數(shù)據(jù)傳輸給從節(jié)點(diǎn)，然后從節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換處理，再經(jīng)過(guò)ZigBee無(wú)線通信模塊將數(shù)據(jù)傳遞給主控制器，胎壓信息與主控模塊事先設(shè)置的胎壓范圍進(jìn)行比較，進(jìn)而決定對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

圖1 基于ZigBee的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)

目前因?yàn)?LoWPAN無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用了IPv6技術(shù)，使其可以接入龐大的地址空間而受到歡迎，普遍認(rèn)為這種技術(shù)會(huì)成為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。它和ZigBee有很多相似點(diǎn)，表1為ZigBee和6LoWPAN兩種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的簡(jiǎn)單比較。

表1 ZigBee和6LoWPAN技術(shù)比較

由表1可知，ZigBee和6LoWPAN在功耗、網(wǎng)絡(luò)容量、自組網(wǎng)、安全性方面相差不大，但ZigBee的可靠性高于6LoWPAN，因本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可靠性要求較高，所以選擇ZigBee作為傳感器與主控制器之間的通信模塊。

2.2 數(shù)據(jù)采集

為了對(duì)輪胎的壓力和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，本文采用英飛凌SP400胎壓監(jiān)測(cè)傳感器，相較于SP370有如下特點(diǎn)：封裝體積更小；能耗更低，靜態(tài)電流從550 nA降至245 nA；存儲(chǔ)容量更大，F(xiàn)lash增加了一倍；測(cè)量精度更高，只需一個(gè)26 MHz就可同時(shí)支持315 MHz和434 MHz的工作頻率[4]。

2.3 發(fā)射模塊

CC2530是一個(gè)具有IEEE802.15.4協(xié)議的無(wú)線收發(fā)器，同時(shí)具有數(shù)據(jù)包過(guò)濾模塊和地址識(shí)別模塊，從而可以快速定位到各個(gè)車輪的壓力和溫度值。為了降低功耗，在汽車未啟動(dòng)的時(shí)候，收發(fā)模塊處于休眠狀態(tài)。汽車啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)加速度來(lái)喚醒MCU工作。通過(guò)不斷檢測(cè)啟動(dòng)時(shí)的輪胎壓力和溫度，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)濾波、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字解調(diào)后輸出數(shù)字信號(hào)。發(fā)射模塊框圖如圖2所示[5]。

圖2 發(fā)射模塊框圖

2.4 接收模塊

接收模塊主要是通過(guò)天線將發(fā)射過(guò)來(lái)的胎壓、溫度、加速度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)MCU處理，加上模糊控制部分實(shí)現(xiàn)隨著胎壓、溫度的變化，對(duì)制動(dòng)力大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，當(dāng)數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，制動(dòng)力達(dá)到最大值，從而實(shí)現(xiàn)胎壓和制動(dòng)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)作用[6]。接收模塊框圖如圖3所示。

圖3 接收模塊框圖

3 制動(dòng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后對(duì)CC2530和顯示器初始化，首先獲取加速度的值并判斷其是否超過(guò)設(shè)定值，如果超過(guò)這個(gè)值，則獲取胎壓和胎溫的數(shù)據(jù)，然后對(duì)獲取到的數(shù)據(jù)判斷是否有效，如果有效，則在液晶上顯示，同時(shí)進(jìn)入模糊控制環(huán)節(jié)，控制制動(dòng)力的大小。其制動(dòng)系統(tǒng)軟件總體流程如圖4所示[7]。

圖4 制動(dòng)系統(tǒng)軟件總體流程圖

4 制動(dòng)模糊控制器設(shè)計(jì)

4.1 模糊控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模糊控制器是一種基于規(guī)則或知識(shí)的系統(tǒng)。它是由IF-THEN規(guī)則組成的知識(shí)庫(kù)，一個(gè)模糊規(guī)則是用連續(xù)隸屬度函數(shù)對(duì)所描述的相關(guān)句子做出IF-THEN形式的描述，主要用于解決傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜、非線性問(wèn)題。

該模糊控制器的輸入量為輪胎的壓力和溫度，輸出量為制動(dòng)力的大小。首先胎壓和胎溫經(jīng)過(guò)模糊化得到模糊輸入量，再經(jīng)過(guò)模糊推理機(jī)匹配模糊規(guī)則中的規(guī)則，最后再經(jīng)過(guò)解模糊化輸出制動(dòng)力的大小，從而可達(dá)到自動(dòng)控制車輛的行駛速度[8]。其制動(dòng)模糊控制器原理圖如圖5所示。

圖5 制動(dòng)模糊控制器原理圖

4.2 輸入輸出量的確定

(1)

(2)

在式(1)、式(2)中，K為比例因子。設(shè)比例因子K均為0.1，輪胎胎壓F的模糊論域?yàn)閇0,30]，輪胎胎溫T的模糊論域?yàn)閇0,11]，制動(dòng)力Br的模糊論域?yàn)閇0,1.6]。輪胎溫度的語(yǔ)言變量T為很小(VS)代表溫度很低，小(S)代表溫度較低，中(M)代表溫度最佳，大(B)代表溫度較高，很大(VB)代表溫度很高。輪胎胎壓的語(yǔ)言變量F為很小(VS)代表胎壓很低，小(S)代表胎壓較低，中(M)代表胎壓最佳，大(B)代表胎壓較高，很大(VB)代表胎壓很高。輸出語(yǔ)言變量制動(dòng)力Br為很小(VS)代表制動(dòng)力很小，小(S)代表制動(dòng)力較小，中(M)代表制動(dòng)力最佳，大(B)代表制動(dòng)力較大，很大(VB)代表制動(dòng)力很大。輸入輸出變量隸屬度函數(shù)的取值需要根據(jù)控制系統(tǒng)特性進(jìn)行合理的選擇。模糊控制器的變量均成線性變化，因此，在此系統(tǒng)選用三角形隸屬度函數(shù)，使其在整個(gè)論域中均勻分布，其輸入輸出變量隸屬度函數(shù)定義如圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)所示。

圖6 輸入輸出變量隸屬度函數(shù)

4.3 模糊控制規(guī)則的建立

模糊控制規(guī)則是設(shè)計(jì)模糊控制系統(tǒng)的核心，其實(shí)質(zhì)就是將駕駛員的駕駛經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)而得到一個(gè)包含各種模糊條件語(yǔ)句的集合。模糊控制規(guī)則的確立原則是必須保證控制系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動(dòng)靜態(tài)特性能夠達(dá)到最佳。

根據(jù)實(shí)際影響汽車制動(dòng)距離有效參數(shù)的分析，當(dāng)胎溫T超過(guò)正常值范圍時(shí)，制動(dòng)力Br應(yīng)隨著胎溫的增加而增加，當(dāng)胎壓F低于或高于正常情況下的胎壓時(shí)，為避免發(fā)生事故，制動(dòng)力都應(yīng)增加。由這些關(guān)系可得到表2所列的模糊控制規(guī)則,圖7是輸出特性曲線。

表2 模糊控制規(guī)則

圖7 制動(dòng)力輸出特性曲面

結(jié) 語(yǔ)