摘要：本文通過對機動車尾氣的監(jiān)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(jiān)測設計方案。該方案能實時監(jiān)控機動車尾氣排放濃度，能及時反映汽車發(fā)動機的技術狀況，發(fā)現(xiàn)汽車發(fā)動機的故障，有效避免了因汽車發(fā)動機等故障引起的嚴重的汽車尾氣污染，通過GPRS將數(shù)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(jiān)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(xiàn)對汽車排放污染進行有效控制已成為我國環(huán)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(fā)動機工作狀況及性能判定的重要手段[1]。尾氣分析是在發(fā)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(fā)動機各系統(tǒng)故障的方法[2]。目前市場上有不少機動車尾氣分析儀出現(xiàn)，但主要用于一些監(jiān)測和維修機構，車載尾氣監(jiān)測系統(tǒng)目前市場還沒有較成形的產品，車載尾氣監(jiān)測系統(tǒng)可以實時連續(xù)的監(jiān)測尾氣的各項參數(shù)，通過這些參數(shù)可以反映發(fā)動機的燃燒狀況和對空氣污染的情況，這樣可及時發(fā)現(xiàn)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?shù)臒o線網絡通訊協(xié)議，底層采用IEEE802.15.4標準規(guī)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(jiān)測系統(tǒng)。

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

2 系統(tǒng)總體設計

車載尾氣實時監(jiān)測系統(tǒng)的設計主要分為系統(tǒng)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(tǒng)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(xié)議的CC2530芯片作為控制器和射頻收發(fā)器，它有不同的運行模式，能適應超低功耗要求的系統(tǒng)，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(tǒng)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(fā)性能的CC2530芯片作為協(xié)調器負責接收三個網絡底層傳感器節(jié)點的信息，通過串口與網關連接傳輸數(shù)據。網關選用處理速度快且穩(wěn)定的ARM11內核，穩(wěn)定的WinCE6.0實時操作系統(tǒng)。

車載尾氣監(jiān)測系統(tǒng)主要包括無線傳感器發(fā)射模塊、協(xié)調器接受模塊和網關處理模塊。無線傳感器發(fā)射模塊安裝于尾氣排放管中，主要包括傳感器、射頻發(fā)送器和電源組成，主要用于采集尾氣濃度；協(xié)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(jié)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(shù)據進行相關處理，當數(shù)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(jiān)測系統(tǒng)主要包括無線傳感器發(fā)射模塊、協(xié)調器接受模塊和網關處理模塊。

（1）車載尾氣監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)（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(jié)點。CC2530結合了領先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051 CPU，系統(tǒng)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(tài)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(wěn)定的ARM11內核（S3C6410），采用穩(wěn)定的WinCE6.0實時操作系統(tǒng)，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(fā)射模塊

尾氣傳感器將采集到的尾氣濃度信息發(fā)送給CC2530，由CC2530轉換成數(shù)據幀經過射頻發(fā)送器無線發(fā)送給協(xié)調器接受模塊。為降低尾氣傳感器發(fā)射模塊的功耗，系統(tǒng)平時處于休眠狀態(tài)，操作以中斷服務程序形式實現(xiàn)，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(fā)射模塊結構如圖2所示。

（3）協(xié)調器接受和網關處理模塊

協(xié)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(jié)點的信息，通過串口與網關連接傳輸數(shù)據。網關處理模塊核心為ARM11內核（S3C6410），選用WinCE6.0實時操作系統(tǒng)?？捎肅++設計監(jiān)控主程序，對尾氣濃度數(shù)據進行實時監(jiān)控，并可通過外接觸摸屏進行輸入與顯示，若遇數(shù)據異常，則啟動報警功能。協(xié)調器接受和網關處理模塊結構如圖4所示。

協(xié)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(fā)射模塊以數(shù)據幀的形式發(fā)送數(shù)據，當發(fā)射模塊中的MCU（8051）決定要將采集到的尾氣傳感器數(shù)據發(fā)送時，通過數(shù)據幀的前導位喚醒協(xié)調器接受模塊，接著開始發(fā)送數(shù)據幀，數(shù)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(shù)通過ZigBee無線傳輸至協(xié)調器和網關處理模塊，實時顯示數(shù)據，遇異常情況啟動報警。實驗證明監(jiān)測系統(tǒng)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(shù)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(fā)動機性能的關系[J].機械管理開發(fā)，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(yè)出版社，2003：23-28.

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

[4] CC2530數(shù)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(tǒng)

設計、計算機體系構領域.