基于ZigBee的車載尾氣實時監測系統設計

摘要：本文通過對機動車尾氣的監測研究，提出了一套基于短距離無線通信ZigBee技術的車載尾氣實時監測設計方案。該方案能實時監控機動車尾氣排放濃度，能及時反映汽車發動機的技術狀況，發現汽車發動機的故障，有效避免了因汽車發動機等故障引起的嚴重的汽車尾氣污染，通過GPRS將數據上傳至控制中心，也可為尾氣檢測治理提供重要依據。

關鍵詞：ZigBee；CC2530；無線傳感器；車載尾氣監測

中圖分類號：TP274.5 文獻標識碼：A

1 引言

隨著汽車保有量的急速增長，汽車尾氣污染問題已經成為城市空氣污染最重要的來源，實現對汽車排放污染進行有效控制已成為我國環境保護一項刻不容緩的任務，尾氣檢測分析不僅是檢查排放污染物治理效果的唯一途徑，而且還是對發動機工作狀況及性能判定的重要手段[1]。尾氣分析是在發動機不同工況下，通過檢測廢氣中不同成分氣體的含量來判斷發動機各系統故障的方法[2]。目前市場上有不少機動車尾氣分析儀出現，但主要用于一些監測和維修機構，車載尾氣監測系統目前市場還沒有較成形的產品，車載尾氣監測系統可以實時連續的監測尾氣的各項參數，通過這些參數可以反映發動機的燃燒狀況和對空氣污染的情況，這樣可及時發現汽車的故障，及早維修從而達到保證汽車安全和防止更多的尾氣污染[3]。

ZigBee是一種低速、低功耗、短距離傳輸的無線網絡通訊協議，底層采用IEEE802.15.4標準規范的媒體存取層和實體層，ZigBee網絡層支持星型、樹型和網狀拓撲。它比其他無線技術性價比更高、功耗更少，適合用于車載尾氣監測系統。

本文主要介紹車載尾氣實時監測系統的設計應用，利用無線尾氣傳感器組建ZigBee網絡，實現汽車尾氣濃度的自動采集和傳輸，利用嵌入式網關對數據進行實時監測處理，發現濃度超標等異常能及時報警。

2 系統總體設計

車載尾氣實時監測系統的設計主要分為系統總體設計、硬件電路設計和軟件設計三部分。汽車尾氣中含有CO、CO2、HC化合物、NOx、SO2、微粒物質等污染物。本系統需檢測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，O2用氧傳感器檢測，NOx用氮氧傳感器檢測。這三種尾氣傳感器內置于尾氣排放管中。本文設計中選用基于ZigBee無線通訊協議的CC2530芯片作為控制器和射頻收發器，它有不同的運行模式，能適應超低功耗要求的系統，運行模式之間的轉換時間短，進一步確保了低能源消耗，能到達省電和延長電池壽命的目的。

為降低總體功耗，系統采用了ZigeBee星型網絡拓撲結構，如圖1所示。采用具有良好首發性能的CC2530芯片作為協調器負責接收三個網絡底層傳感器節點的信息，通過串口與網關連接傳輸數據。網關選用處理速度快且穩定的ARM11內核，穩定的WinCE6.0實時操作系統。

車載尾氣監測系統主要包括無線傳感器發射模塊、協調器接受模塊和網關處理模塊。無線傳感器發射模塊安裝于尾氣排放管中，主要包括傳感器、射頻發送器和電源組成，主要用于采集尾氣濃度；協調器接受模塊和網關處理模塊安裝于汽車主機中，用CC2530芯片（包含射頻接收器）接受底層傳感器節點的信息，并將信息通過串口送至網關；網關處理模塊負責對數據進行相關處理，當數據異常時能及時報警提醒駕駛員。

3 具體硬件電路和軟件設計

車載尾氣監測系統主要包括無線傳感器發射模塊、協調器接受模塊和網關處理模塊。

（1）車載尾氣監測系統所選硬件

CC2530是用于2.4GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節點。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051 CPU，系統內可編程閃存，8kBRAM和許多其他強大的功能[4]。

紅外氣體傳感器選用固態多元探測器Gasboard-2000；NO傳感器選用的是德國IP公司生產的電化學傳感器；氧氣傳感器選用OOA101。

網關選用處理速度快且穩定的ARM11內核（S3C6410），采用穩定的WinCE6.0實時操作系統，擁有1GHz主頻，外接7寸觸摸屏，作為整個網關的顯示主體，方便用戶的各種演示。

（2）無線傳感器發射模塊

尾氣傳感器將采集到的尾氣濃度信息發送給CC2530，由CC2530轉換成數據幀經過射頻發送器無線發送給協調器接受模塊。為降低尾氣傳感器發射模塊的功耗，系統平時處于休眠狀態，操作以中斷服務程序形式實現，CC2530中MCU采用定時喚醒工作方式，定時信號由尾氣傳感器提供。無線傳感器發射模塊結構如圖2所示。

（3）協調器接受和網關處理模塊

協調器接受模塊仍然采用CC2530芯片，負責接收3個網絡底層傳感器節點的信息，通過串口與網關連接傳輸數據。網關處理模塊核心為ARM11內核（S3C6410），選用WinCE6.0實時操作系統。可用C++設計監控主程序，對尾氣濃度數據進行實時監控，并可通過外接觸摸屏進行輸入與顯示，若遇數據異常，則啟動報警功能。協調器接受和網關處理模塊結構如圖4所示。

協調器接受和網關處理模塊的程序流程圖如圖4所示。

無線傳感器發射模塊以數據幀的形式發送數據，當發射模塊中的MCU（8051）決定要將采集到的尾氣傳感器數據發送時，通過數據幀的前導位喚醒協調器接受模塊，接著開始發送數據幀，數據幀格式如表1所示。

4 結束語

ZigBee通信技術因其低成本、低功耗，被成功應用于汽車電子產品中，本文將汽車尾氣濃度檢測參數通過ZigBee無線傳輸至協調器和網關處理模塊，實時顯示數據，遇異常情況啟動報警。實驗證明監測系統能夠比較準確的測試出車輛的真實排放性能。不同溫度和氣壓下檢測的尾氣濃度有較小的差異。同時還可以在此基礎上進一步改進，通過GPRS或無線網絡將汽車采集的尾氣濃度數據上傳至總控制中心（可由政府部門搭建），為尾氣檢測治理提供重要真實的依據。

參考文獻：

[1] 王子華，陳原生，王青.汽車尾氣治理與發動機性能的關系[J].機械管理開發，2004（5）：31-33.

[2] 趙英勛，劉明.汽車檢測與診斷技術[M].北京：機械工業出版社，2003：23-28.

[3] 荀啟峰.嵌入式車載尾氣監測系統的研究[D].江蘇大學碩士學位論文，2008（6）.

[4] CC2530數據手冊[EB/OL].http：//www.zigbee-sh.cn/zigbee_info.asp.2011.

作者簡介：

荀啟峰（1980—），男，碩士，講師.研究方向：嵌入式系統

設計、計算機體系構領域.