基于ZigBee的汽車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

常書林,盧　峰,仇成群

(鹽城師范學(xué)院 物理科學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院,江蘇 鹽城　224051)

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基于ZigBee的汽車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

常書林,盧峰,仇成群

(鹽城師范學(xué)院 物理科學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院,江蘇 鹽城224051)

摘要設(shè)計了一種汽車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)以ZigBee無線通信技術(shù)為核心,采用TI公司的CC2530芯片,通過ZigBee進行數(shù)據(jù)傳輸,采用串口連接電腦接收數(shù)據(jù),在IAR軟件中,使用C語言編寫的嵌入式程序進行編譯和調(diào)試,在上位機程序顯示接收的數(shù)據(jù)值及變化量,通過無線網(wǎng)絡(luò)智能監(jiān)測汽車內(nèi)環(huán)境,包括瓦斯苯類氣體含量、光照強度和溫度。通過試驗,驗證了該系統(tǒng)可靠,可以較好地滿足汽車車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測需求。

關(guān)鍵詞ZigBee;無線通信;IAR;監(jiān)測系統(tǒng)

人體的舒適溫度范圍是22～27 ℃,光照強度會影響駕駛員的視線,汽車內(nèi)部空間環(huán)境污染會對駕乘者健康造成危害。中國室內(nèi)裝飾協(xié)會室內(nèi)空氣監(jiān)測中心曾對200輛汽車進行了檢測,結(jié)果發(fā)現(xiàn),參照室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),有近九成的汽車都存在車內(nèi)空氣甲醛或瓦斯苯含量超標(biāo)問題,而且大部分車輛甲醛超標(biāo)都在5～6倍以上,其中新車內(nèi)的空氣質(zhì)量最差,國外研究測試發(fā)現(xiàn),新車出廠后,車內(nèi)有害氣體濃度很高,揮發(fā)時間可持續(xù)6個月以上,從而使在此期間開車的駕駛員身體不適,甚至釀成車禍,因此,對汽車內(nèi)環(huán)境檢測是必要的[1-5]。近年來,4G、WLAN、ZigBee、藍牙等無線通信技術(shù)迅速發(fā)展到各行業(yè),ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議,是一種便宜且低耗能的短距離無線通信協(xié)議,其廣闊的適用性正受到業(yè)界矚目。本文設(shè)計主要采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò),完成對汽車車內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測。

1監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)與硬件設(shè)計

本系統(tǒng)采用美國德州儀器的CC2530模塊開發(fā)板作為解決方案,CC2530支持ZigBee/ZigBee RF4CE應(yīng)用,能夠以低成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,適應(yīng)超低功耗要求。系統(tǒng)充分利用ZigBee模塊組建成一個車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),通過實時監(jiān)控汽車內(nèi)部的瓦斯苯類氣體含量、光強和溫度變化,可以為用戶提供車內(nèi)環(huán)境參數(shù)變化,方便用戶采取相應(yīng)措施改善車內(nèi)環(huán)境。

1.1ZigBee技術(shù)

ZigBee是一種雙線無線通信技術(shù),是一組基于IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)。ZigBee協(xié)議規(guī)范使用了IEEE 802.15.4定義的物理層(PHY)和媒體介質(zhì)訪問層(MAC),并在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層(NMK)和應(yīng)用層(APL)架構(gòu)。ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)采用分層結(jié)構(gòu),每一層為上層提供一系列的特殊服務(wù);數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù);管理實體則提供所有其他服務(wù)。所有的服務(wù)實體都通過服務(wù)接入點SAP為上層提供接口,每個SAP都支持一定數(shù)量的服務(wù)原語來實現(xiàn)所需的功能。ZigBee協(xié)議在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層(Network Layer,NWK),應(yīng)用層(Application Layer,APS)架構(gòu)[4-6]。

1.2CC2530芯片的應(yīng)用

系統(tǒng)設(shè)計主要采用CC2530芯片進行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計,CC2530結(jié)合了一個射頻收發(fā)器核心和一個8051控制器,能滿足ZigBee節(jié)點結(jié)構(gòu)設(shè)計和以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHz ISM頻段應(yīng)用的低成本、低功耗要求,CC2530不同模式下的功耗如表1所示[4]。

表1　不同模式下的功耗

CC2530具有寬電源電壓范圍(2.0～3.6 V),強大的五通道 DMA。以CC2530為芯片組設(shè)計的系統(tǒng)實物圖如圖1所示,系統(tǒng)通過ZigBee技術(shù)傳輸給接收裝置,實時測量瓦斯苯類氣體含量、溫度和光強值。

圖1　CC2530實物圖

2系統(tǒng)軟件平臺設(shè)計與實現(xiàn)

2.1軟件開發(fā)環(huán)境

IAR Embedded Workbench是一套開發(fā)工具,用于對匯編,C和C++編寫的嵌入式程序進行編譯和調(diào)試。IAR Embedded Workbench是一套精密且使用方便的編程開發(fā)工具。可以為ARM芯片生成高效的Flash代碼[3]。IAR Embedded Workbench軟件操作界面如圖2所示。

圖2　IAR軟件操作界面

圖3　IAR程序的用戶界面

IAR程序的用戶界面如圖3所示,設(shè)計IAR軟件時完成對系統(tǒng)的模擬仿真使用方法:(1)通過使用匯編或C語言完成對程序源代碼的編譯;(2)運行程序,當(dāng)程序運行過程中出現(xiàn)錯誤,需要對程序進行相應(yīng)的調(diào)試;(3)當(dāng)程序成功運行,將生成的二進制文件(·hex)下載到硬件中。

2.2Z-Stack軟件架構(gòu)

TI的Z-Stack協(xié)議棧是一個基于輪轉(zhuǎn)查詢的操作系統(tǒng),它的main函數(shù)一共做了兩件事:一是系統(tǒng)初始化;二是開始操作系統(tǒng)實體。任務(wù)初始化的部分代碼[3-7],當(dāng)協(xié)議棧中有任何事件發(fā)生時,可以通過設(shè)event_flag來標(biāo)記有事件發(fā)生,以便主循環(huán)函數(shù)能夠及時加以處理,協(xié)議棧設(shè)計程序流程如圖4所示。

圖4　協(xié)議棧設(shè)計程序流程圖

設(shè)計協(xié)議棧時,對請求(Request)、響應(yīng)(Response)原語可以直接使用函數(shù)調(diào)用來實現(xiàn),向目標(biāo)任務(wù)發(fā)送消息的這個函數(shù)主要用來將原語操作的結(jié)果以消息的形式向上層任務(wù)發(fā)送,并產(chǎn)生一個系統(tǒng)事件來通知調(diào)度程序。

2.3ZigBee終端節(jié)點程序設(shè)計

終端節(jié)點包含了溫度傳感器,光強傳感器,氣體傳感器,LED顯示屏等模塊。在溫度傳感器模塊設(shè)計時,將傳感節(jié)點將記錄的溫度值和電壓值發(fā)送到網(wǎng)關(guān),以便進行分析和處理[8]。

每個設(shè)備都有一組能被配置的參數(shù),整個配置參數(shù)在代碼中已經(jīng)定義了默認值。協(xié)調(diào)器將掃描DEFAULT_CHANLIST指定的通道門,通過調(diào)用ZDO_StartDevice()函數(shù)來啟動設(shè)備。

只有建立了網(wǎng)絡(luò),ZigBee設(shè)備才可以傳輸數(shù)據(jù)。在溫度傳感器模塊中,采集節(jié)點和傳感節(jié)點首先建立了綁定關(guān)系,然后將采集的溫度值和電壓值發(fā)送到采集節(jié)點。傳感節(jié)點向采集節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的函數(shù)為myApp_StartReporting()。

myApp_StartReporting代碼:

void myApp_StartReporting(void)

{

myTempReportPeriod=5000;//每5 s發(fā)送一次溫度數(shù)據(jù)

osal_start_timerEx(sapi_TaskID,MY_REPORT_TEMP_EVT,myTempReportPeriod);

myBatteryCheckPeriod=21000;//每隔21 s發(fā)送電壓數(shù)據(jù)

osal_start_timerEx(sapi_TaskID,MY_REPORT_BATA_EVT,myBatteryCheckPeriod);

HalLedSet(HAL_LED_1,HAL_LED_MODE_ON);

}

在采集節(jié)點中,當(dāng)其接收到傳感節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)后,將觸發(fā)SYS_EVENT_MSG事件,并對AF_INCOMINF_MSG_CMD信息作出處理,此時調(diào)用的是zb_ReceiveData-Indication函數(shù),zb_ReceiveDataIndication函數(shù)代碼:

void zb_ReceiveDataIndication(uint16 souce,uint16 command,uint16 len,uint8 *pData)

{

……

if(command==SENSOR_REPORT_CMD_ID)

{

sensorReading=pData[1];//接收數(shù)據(jù)

//數(shù)據(jù)寫入串口

tmLen=(uint8)osal_strlen((char*)strDevice);

pBuf=osal_memcpy(buf,strDevice,tmLen);

_ltoa(souce,pBuf,16);

pBuf+=4;

pBuf++=‘’;

if(pData[0]==BATTERY_REPORT)

{

tmLen=(uint8)osal_strlen((char*)strBattery);

pBuf=osal_memcpy(pBuf,strBattery,tmLen);

*pBuf++=(sensorReading/10)+0;//高位轉(zhuǎn)換

*pBuf++=‘’;//進制

*pBuf++=(sensorReading%10)+0;//低位轉(zhuǎn)換

*pBuf++=‘’;

*pBuf++=‘’;

}

……

#if defined(MT_TASK)

debug_str((uint8 *)buf);

#endif

最后調(diào)用debug_str函數(shù),將收集到的溫度值發(fā)送到串口。采集節(jié)點中,當(dāng)其接收到節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)后,將觸發(fā)SYS_EVENT_MSG事件,并對AF_INCOMINF_MSG_CMD信息作出處理,此時調(diào)用的是zb_ReceiveData-Indication函數(shù)。

其它模塊的設(shè)計與溫度傳感器模塊設(shè)計類似。為驗證本系統(tǒng)的可行性,需要在上位機上面進行數(shù)據(jù)監(jiān)測,觀察整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)。通信是通過主從方式實現(xiàn)的,為避免雙方發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生矛盾,主機采用查詢方式接收發(fā)送數(shù)據(jù),從機采用中斷方式接收發(fā)送數(shù)據(jù),通信過程均由上位機發(fā)起,下位機應(yīng)答。協(xié)議規(guī)定了上位機與下位機的通訊要求,并規(guī)定了通訊協(xié)議的基本數(shù)據(jù)和參數(shù)格式。協(xié)議采用異步串口通訊方式,串口通信協(xié)議格式如表2所示。

表2　串口通信協(xié)議格式

3系統(tǒng)監(jiān)控試驗

3.1試驗過程

確定系統(tǒng)無線組網(wǎng)方式后,根據(jù)系統(tǒng)要求選擇CC2530芯片作為系統(tǒng)開發(fā)的主要芯片,并在此基礎(chǔ)上對網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備以及遙控器進行設(shè)計。系統(tǒng)采用CC2530芯片,通過ZigBee協(xié)議進行數(shù)據(jù)采集與接收,數(shù)據(jù)接收模塊通過串口連接到上位機程序,以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集和傳輸,并使最終的結(jié)果顯示在上位機程序中,系統(tǒng)核心程序的流程如圖5所示,系統(tǒng)試驗選擇上海大眾帕薩特2.0T作為測試車輛,室外為1.0標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

圖5　系統(tǒng)核心程序的流程圖

3.2試驗結(jié)果分析

苯類氣體對空氣的相對密度是0.554,在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下密度為0.716 kg,滲透能力是空氣的1.6倍,難溶于水,不助燃也不能維持呼吸,達到一定濃度時,能使人因缺氧而窒息,也可能發(fā)生燃燒或爆炸[3]。汽車內(nèi)飾當(dāng)中特別在新車中含有一定量的苯類氣體,會對人體造成一定的危害,所以對汽車內(nèi)的瓦斯苯類氣體含量測試是必要的。上位機程序如圖6所示,顯示了實測的氣體含量變化。

圖6　上機位程序界面

實測的光強變化圖如圖7所示。光照強度是指單位面積上所接受可見光的能量,簡稱照度,用于指示光照的強弱和物體表面積被照明程度的量。照度E=dΦ/dS。被光均勻照射的物體,在1 m2面積上所得的光通量是1流明時,它的照度是1勒克斯,可通過照度計來測量[3]。

圖7　光強測試變化圖

系統(tǒng)實測的溫度變化圖如圖8所示,為更加有效的對比出實時系統(tǒng)測量溫度變化的可信度,試驗中,通過采用創(chuàng)新儀器儀表有限公司的科艦HTC-1型溫度計測量車內(nèi)溫度參考值對比系統(tǒng)測量溫度值。系統(tǒng)測量值與電子溫度計測量參考值的結(jié)果繪制成的數(shù)據(jù)統(tǒng)計表如表3所示。系統(tǒng)測試出的溫度曲線在第1組～第4組數(shù)據(jù)時間段是平穩(wěn)過渡的,溫度保持為22.0 ℃,進行到第5組時,溫度變?yōu)?3.0 ℃,然后在第5組～第10組數(shù)據(jù)時間段內(nèi)繼續(xù)平穩(wěn)過渡,溫度保持不變,持續(xù)保持約在23.0 ℃,各時刻的溫度隨著時間有不同的改變,通過數(shù)據(jù)對比可以得出,受溫度傳感器精度、零漂、累積誤差等影響,監(jiān)測系統(tǒng)存在一定的誤差,相對誤差為-4.4%～2.2%,但系統(tǒng)測量的溫度變化符合實際溫度變化過程,且相對誤差較小,可以作為汽車監(jiān)測系統(tǒng)使用。

圖8　溫度變化圖

數(shù)據(jù)采集組別系統(tǒng)測量值/℃電子溫度計參考值/℃相對誤差/%122.021.90.5222.022.5-2.2322.022.4-1.8422.023.0-4.4523.023.00.0623.023.4-1.7723.023.6-2.5823.022.90.4923.023.2-0.91023.022.52.2

根據(jù)汽車相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn),如果本系統(tǒng)通過增加傳感器模塊,還可以測試汽車上的車速里程表、水溫表、機油壓力表、電流表、燃油表、氣壓表等各種儀表和信號裝置,可以監(jiān)測到汽車各項運行狀態(tài)。在汽車領(lǐng)域,利用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)傳感器傳遞各種信息,可以推動汽車的智能化和低成本化發(fā)展,可以作為決策輔助安全系統(tǒng)的重要組成部分。

4結(jié)束語

對汽車內(nèi)環(huán)境系統(tǒng)和ZigBee技術(shù)進行了相關(guān)研究,設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)具有良好性能。該設(shè)計在需求分析和軟件搭建做了相關(guān)研究工作,進行了基于ZigBee技術(shù)的對汽車內(nèi)部溫度、光強、瓦斯苯類氣體含量的檢測,給出了程序總體框圖,并分析了部分功能的具體程序?qū)崿F(xiàn),通過試驗,驗證了本次設(shè)計的可行性。

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Design of Vehicle Interior Environment Monitoring System Based on ZigBee

CHANG Shulin,LU Feng,QIU Chengqun

(School of Physics and Electronic Technology,Yancheng Teachers University,Yancheng 224051,China)

AbstractA vehicle interior environment monitoring system based on ZigBee is designed.The monitoring system is established on the wireless communication technology to set up a wireless communication network.The CC2530’s TI chip data transmit through the IAR software.The C language program compiled and debugged on IAR displays the received data value and quantity for intelligent monitoring of the vehicle interior environment,such as the real-time light intensity and temperature on wireless network.The experiment indicates that the design system reduces the error effectively with rapid response.

KeywordsZigBee;wireless communication;IAR;monitoring system

中圖分類號TP277.2

文獻標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)04-066-05

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.018

通訊作者:仇成群(1980—),男,博士,講師。研究方向:智能檢測與控制,汽車電子技術(shù)應(yīng)用。

基金項目:江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃省級重點基金資助項目(201510324001Z)

收稿日期:2015- 09- 16