基于ZigBee的车载尾气实时监测系统设计

摘要：本文通过对机动车尾气的监测研究，提出了一套基于短距离无线通信ZigBee技术的车载尾气实时监测设计方案。该方案能实时监控机动车尾气排放浓度，能及时反映汽车发动机的技术状况，发现汽车发动机的故障，有效避免了因汽车发动机等故障引起的严重的汽车尾气污染，通过GPRS将数据上传至控制中心，也可为尾气检测治理提供重要依据。

关键词：ZigBee；CC2530；无线传感器；车载尾气监测

中图分类号：TP274.5 文献标识码：A

1 引言

随着汽车保有量的急速增长，汽车尾气污染问题已经成为城市空气污染最重要的来源，实现对汽车排放污染进行有效控制已成为我国环境保护一项刻不容缓的任务，尾气检测分析不仅是检查排放污染物治理效果的唯一途径，而且还是对发动机工作状况及性能判定的重要手段[1]。尾气分析是在发动机不同工况下，通过检测废气中不同成分气体的含量来判断发动机各系统故障的方法[2]。目前市场上有不少机动车尾气分析仪出现，但主要用于一些监测和维修机构，车载尾气监测系统目前市场还没有较成形的产品，车载尾气监测系统可以实时连续的监测尾气的各项参数，通过这些参数可以反映发动机的燃烧状况和对空气污染的情况，这样可及时发现汽车的故障，及早维修从而达到保证汽车安全和防止更多的尾气污染[3]。

ZigBee是一种低速、低功耗、短距离传输的无线网络通讯协议，底层采用IEEE802.15.4标准规范的媒体存取层和实体层，ZigBee网络层支持星型、树型和网状拓扑。它比其他无线技术性价比更高、功耗更少，适合用于车载尾气监测系统。

本文主要介绍车载尾气实时监测系统的设计应用，利用无线尾气传感器组建ZigBee网络，实现汽车尾气浓度的自动采集和传输，利用嵌入式网关对数据进行实时监测处理，发现浓度超标等异常能及时报警。

2 系统总体设计

车载尾气实时监测系统的设计主要分为系统总体设计、硬件电路设计和软件设计三部分。汽车尾气中含有CO、CO2、HC化合物、NOx、SO2、微粒物质等污染物。本系统需检测CO、CO2、HC化合物、O2和NOx五种尾气浓度。CO、CO2、HC化合物用红外传感器检测，O2用氧传感器检测，NOx用氮氧传感器检测。这三种尾气传感器内置于尾气排放管中。本文设计中选用基于ZigBee无线通讯协议的CC2530芯片作为控制器和射频收发器，它有不同的运行模式，能适应超低功耗要求的系统，运行模式之间的转换时间短，进一步确保了低能源消耗，能到达省电和延长电池寿命的目的。

为降低总体功耗，系统采用了ZigeBee星型网络拓扑结构，如图1所示。采用具有良好首发性能的CC2530芯片作为协调器负责接收三个网络底层传感器节点的信息，通过串口与网关连接传输数据。网关选用处理速度快且稳定的ARM11内核，稳定的WinCE6.0实时操作系统。

车载尾气监测系统主要包括无线传感器发射模块、协调器接受模块和网关处理模块。无线传感器发射模块安装于尾气排放管中，主要包括传感器、射频发送器和电源组成，主要用于采集尾气浓度；协调器接受模块和网关处理模块安装于汽车主机中，用CC2530芯片（包含射频接收器）接受底层传感器节点的信息，并将信息通过串口送至网关；网关处理模块负责对数据进行相关处理，当数据异常时能及时报警提醒驾驶员。

3 具体硬件电路和软件设计

车载尾气监测系统主要包括无线传感器发射模块、协调器接受模块和网关处理模块。

（1）车载尾气监测系统所选硬件

CC2530是用于2.4GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8kBRAM和许多其他强大的功能[4]。

红外气体传感器选用固态多元探测器Gasboard-2000；NO传感器选用的是德国IP公司生产的电化学传感器；氧气传感器选用OOA101。

网关选用处理速度快且稳定的ARM11内核（S3C6410），采用稳定的WinCE6.0实时操作系统，拥有1GHz主频，外接7寸触摸屏，作为整个网关的显示主体，方便用户的各种演示。

（2）无线传感器发射模块

尾气传感器将采集到的尾气浓度信息发送给CC2530，由CC2530转换成数据帧经过射频发送器无线发送给协调器接受模块。为降低尾气传感器发射模块的功耗，系统平时处于休眠状态，操作以中断服务程序形式实现，CC2530中MCU采用定时唤醒工作方式，定时信号由尾气传感器提供。无线传感器发射模块结构如图2所示。

（3）协调器接受和网关处理模块

协调器接受模块仍然采用CC2530芯片，负责接收3个网络底层传感器节点的信息，通过串口与网关连接传输数据。网关处理模块核心为ARM11内核（S3C6410），选用WinCE6.0实时操作系统。可用C++设计监控主程序，对尾气浓度数据进行实时监控，并可通过外接触摸屏进行输入与显示，若遇数据异常，则启动报警功能。协调器接受和网关处理模块结构如图4所示。

协调器接受和网关处理模块的程序流程图如图4所示。

无线传感器发射模块以数据帧的形式发送数据，当发射模块中的MCU（8051）决定要将采集到的尾气传感器数据发送时，通过数据帧的前导位唤醒协调器接受模块，接着开始发送数据帧，数据帧格式如表1所示。

4 结束语

ZigBee通信技术因其低成本、低功耗，被成功应用于汽车电子产品中，本文将汽车尾气浓度检测参数通过ZigBee无线传输至协调器和网关处理模块，实时显示数据，遇异常情况启动报警。实验证明监测系统能够比较准确的测试出车辆的真实排放性能。不同温度和气压下检测的尾气浓度有较小的差异。同时还可以在此基础上进一步改进，通过GPRS或无线网络将汽车采集的尾气浓度数据上传至总控制中心（可由政府部门搭建），为尾气检测治理提供重要真实的依据。

参考文献：

[1] 王子华，陈原生，王青.汽车尾气治理与发动机性能的关系[J].机械管理开发，2004（5）：31-33.

[2] 赵英勋，刘明.汽车检测与诊断技术[M].北京：机械工业出版社，2003：23-28.

[3] 荀启峰.嵌入式车载尾气监测系统的研究[D].江苏大学硕士学位论文，2008（6）.

[4] CC2530数据手册[EB/OL].http：///zigbee_info.asp.2011.

作者简介：

荀启峰（1980—），男，硕士，讲师.研究方向：嵌入式系统

设计、计算机体系构领域.