汽車空調系統是實現車內伺乘空氣環境調節的專用裝置，用以滿足車內乘員對乘車舒適性的要求［1］。車內乘員的舒適感與車內空氣相對濕度、溫度以及空氣流速和車內物品表面溫度等諸多因素相關［2］。因此，汽車空調系統需要對車內外各種環境參數進行感知，并根據要求進行相應的調節。而汽車空調系統由于受到車輛空間和車輛工況等因素的影響，且工作在環境惡劣、工作負荷較大狀態下，因此對控制系統的抗干擾性和穩定性要求較高。一般傳統的汽車空調系統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。由于空調控制功能較多，系統控制線路復雜，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，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［3］是一種新興的智能傳感器與控制技術，是傳感器技術與無線網絡技術的結合，廣泛應用在環境監控以及工業控制等領域。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］，特別適用于工作現場惡劣、數據傳輸量小、實時性強、傳輸距離短且布線不方便的場合。在汽車空調控制系統中，使用ZigBee技術進行空調系統的環境參數采集與傳送、控制信號的傳輸與控制，避免了惡劣的工業現場環境對有線傳輸方式的干擾和影響（如電磁干擾、潮濕、振動等），提高了控制系統的可靠性和抗干擾能力，對降低汽車空調系統的能耗和提高乘員乘車舒適性等具有一定意義。

　　本文結合汽車對空調系統的要求，設計了一種基于ZigBee的汽車空調控制系統，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

　　汽車空調控制系統原理如圖1所示，系統由傳感器節點、系統主控制節點、動作節點等組成。傳感器節點有車內溫濕度傳感器、車外溫度傳感器、CO2濃度傳感器、光照傳感器、各種風門傳感器等節點。動作控制節點有壓縮機控制節點、送風機控制節點、除霜風門、混合風門循環風門等各種風門控制節點、暖水閥以及加濕器控制節點。系統將監測到的溫度、濕度、CO2濃度車內外環境等數據通過傳感器節點的處理，轉換成數字信號后發送至主控制節點，由主節點進行相應的處理，然后將相應的指令輸送到動作節點，使車內的溫度、濕度和空氣質量控制在設定范圍內。

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

　　1．2 系統電路設計

　　汽車空調控制系統電路設計有：（1）環境數據采集電路，包括車內溫度、濕度以及CO2濃度采集節點、光照采集節點、車外溫度采集節點、風門位置檢測節點等；（2）空調系統工作和控制電路，包括壓縮機工作控制節點、蒸發器及冷凝器風機控制節點、風門位置控制節點、除霜控制節點、加濕控制節點、采暖控制節點等電路；（3）主控制節點電路，主要包括控制及顯示電路、操作控制電路等。

　　車內環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、選擇性和穩定性好等特點，同時還具有耐高濕和耐低溫的特性，可廣泛用于自動通風換氣系統或對CO2氣體的長期監測等應用場合［5］。CO2傳感器輸出的微弱電壓經放大器U3（LM386）放大后輸出至U5的P0_2進行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、簡單可靠、價格低、數字輸出、免調試、免標定及互換性強等特點，集成A/D轉換器和存儲器，在測量過程中可對相對濕度自動進行標定。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U4放大器輸入到U5的P0_3進行A/D轉換。

　　蒸發器、冷凝器、換氣風扇電機以及壓縮機控制節點基本電路如圖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，從而控制送風電機的轉速。

　　系統主控制節點電路如圖5所示，電路主要由主節點處理器、控制按鍵和參數顯示電路等組成。

　　2 系統軟件設計

　　2.1 網絡協議與數據幀設計

　　通過對本系統的應用分析，為了節省節點的程序存儲空間，對ZigBee協議進行了精簡。在系統協議中省略了安全機制，FFD節點的設備類型設置為無安全機制全功能節點（FFDNS［5］），RFD節點的設備類型為無安全機制簡化功能節點（RFDNS），并將系統節點中與本應用無關的原語省略，以提高協議效率。傳感器與控制節點協議與實現原語如圖6所示。

　　系統數據傳輸的數據幀格式使用ZigBee的MAC層數據包格式［6］，其結構如圖7所示。數據包中幀載荷的定義為：從節點編號+節點類型+檢測參數（或動作指令），其中從節點編號與傳感器或控制節點ID綁定。

　　圖7 數字幀結構

　　2.2系統軟件設計

　　控制系統程序設計使用模塊化程序設計方法，由主控模塊、無線節點模塊組成。系統軟件流程如圖8所示，無線網絡節點流程圖如圖9所示。

　　3 系統測試結果與討論

　　在系統各節點設計完成后，在某型號中巴客車中使用本文設計的系統進行了測試，測試結果如表1所示。測試結果表明，系統各項參數符合要求。由于系統工作現場存在各種電磁干擾，因此，在各節點上需要采取相應的抗干擾措施，如系統供電采取相應的抗干擾措施。

　　無線傳感器網絡作為近年新興的監控技術，在工業自動過程控制中得到廣泛應用。本文所設計的基于ZigBee無線傳感器的汽車空調控制系統，具有低成本、運行可靠、實時性強、布線少等特點，對提高汽車空調控制系統工作的可行性和穩定性、提高控制精度和降低空調系統能耗具有一定的意義。基于ZigBee的空調控制系統由于其成本低、實時性好、嵌入性強，在汽車空調系統中具有較好的應用前景。

　　參考文獻

　　［1］ 張雷。 汽車空調［M］。北京：機械工業出版社，2006:3-10.

　　2］ 賀萍。一種新型汽車空調節能控制器的設計［J］。電子技術應用.2008，34（1）：47.

　　［3］ Zigbee Alliance. Network Specification（Draft Version 1.0），［EB/OL］.2004.http://www.ZigBee.org. 2009-02-13.

　　［4］ 任秀麗，于海斌.ZigBee技術的無線傳感器網絡的安全性研究［J］。 儀器儀表學報，2007，28（12）：2133.

　　［5］ Zigbee Alliance. Network Specification（Draft Version 1.0）， ［EB/OL］.http://www.ZigBee.org. 2004.

　　［6］ IEEE. 802.15.4-2003.pdf ［EB/OL］。 IEEEStandards Association，2003.http://standards.ieee.org/getieee 802/download/802.15.4-2003.pdf.2009-03-16.