簡述基于ZigBee的汽車智能電器研究現(xiàn)狀

鄭迎華

作為汽車工業(yè)與電子工業(yè)的結合，汽車電子產業(yè)得到了快速發(fā)展。目前，歐美發(fā)達國家的電子產品在轎車整車制造價格中所占份量已經達到16%～22%，預計到 2014 年將達到 26%～38%。尤其是近幾年各種燃油經濟性能、排放性能和安全性能等法規(guī)的強制性要求和實施，極大推動了電子技術在汽車領域的推廣和使用，使汽車電子化密度不斷提高，性能不斷加強。汽車電子技術不僅推動了汽車工業(yè)的發(fā)展，而且也極大地促進了電子產品市場的發(fā)展?，F(xiàn)代汽車電子技術在改善汽車經濟性、動力性、安全性、乘坐舒適性和行駛穩(wěn)定性等方面發(fā)揮著不可替代的作用。隨著更加先進的智能型傳感器、高性能 ECU、先進的控制策略、快速響應的執(zhí)行器、信息網絡技術、雷達技術以及移動通訊技術在汽車上的廣泛應用，現(xiàn)代汽車正朝著更加自動化、信息化和智能化的機電一體化方向發(fā)展，以達到“人—汽車—環(huán)境”的完美協(xié)調，使得汽車這一消費品成為更具有人性化的產品。

一、課題研究背景與研究現(xiàn)狀

車電器發(fā)展所面臨的問題汽車電子化是現(xiàn)代汽車發(fā)展的一個重要標志?，F(xiàn)代汽車電子技術的應用不僅提高了汽車的經濟性、動力性和安全性，改善了汽車行駛的舒適性和穩(wěn)定性，推動了汽車工業(yè)的發(fā)展，而且還為電子產品拓寬了市場，從而推動了電子產業(yè)的發(fā)展。總之，汽車電氣系統(tǒng)所面臨的諸多問題是一個系統(tǒng)性的問題集合，它們相互之間聯(lián)系非常緊密：操控模式多樣化必然要求電器功能更加復雜，電器的增加必然導致線束增加，基于導線的協(xié)調機制越多，則線束也越多，電器的增加，對查找故障電器越不利；同時線束的增加，使得電器故障診斷不得不考慮線束故障的因素。這一系列問題將是整車廠和汽車電子電器供應商共同面臨的挑戰(zhàn)。

二、汽車智能電器的發(fā)展

在電氣工程領域，人們在配電系統(tǒng)中開始將開關電器智能化，以解決電力系統(tǒng)中配電的短路故障識別、自動保護和電源質量控制等問題，出現(xiàn)了智能電器。在工業(yè)控制領域出現(xiàn)了智能化儀表等各種智能儀器，建筑工程領域，也出現(xiàn)了各種智能建筑，智能住宅等，智能交通系統(tǒng)中出現(xiàn)的智能車輛、智能收費站，甚至在我們生活中涌現(xiàn)出如智能手機、智能卡等大量的智能器件。智能電器從其功能來說是具有一種或多種敏感功能，能夠完成對信號的探測、邏輯判斷、變換處理、功能計算、雙向通訊后處理，電器本身可以實現(xiàn)自檢查、自校驗、自補償、自診斷等具備以上相關功能的器件。國內有人將汽車智能電器從信息采集、信息輸出、信息處理、信息傳輸以及電器系統(tǒng)邏輯控制方面將汽車智能電器劃分為汽車智能傳感器、智能化執(zhí)行器和總成、車載微機、數(shù)字信號傳輸技術以及智能控制系統(tǒng)。比如智能雨刮系統(tǒng)，它是一種機械雨刮和智能光電產品的合成。它通過雨量傳感器感應汽車擋風玻璃上的降雨情況而自動調整刮雨速，省去了手動調整雨刷速度的麻煩。安裝有智能雨刮的車輛，無疑更舒適更安全。

OnStar 的出現(xiàn)讓人和汽車之間的交互性越來越強，由此智能車載微機使得汽車為人的提供的服務更加智能化、人性化。清華大學在全電子汽車項目上對汽車智能電器做了很好的解釋，因此本課題的研究也是基于清華大學全電子汽車項目而進行的升級。根據(jù)該項目可以了解到智能電器系統(tǒng)的關鍵是利用車載網絡對電器系統(tǒng)做全分布式設計，每個電器都是網絡的節(jié)點。相比目前的汽車電子控制系統(tǒng)，智能電器系統(tǒng)節(jié)點數(shù)量龐大，因此采用局域網對局域電器先進行網絡化組織，再將整車電器利用骨干網連接起來，骨干網和局域網組成了整車的信息網。通過給電器添加控制器的方式，使智能電器具備標準的電氣接口，因此可以得到一種與電器無關的并且更加簡化的線束；并基于中央?yún)f(xié)調器實現(xiàn)電子協(xié)調機制，實現(xiàn)電器間的協(xié)調控制，并通過中央微機作對電器實現(xiàn)多種模式的操控。通過這個項目實現(xiàn)了吉利 EC718 車型車身電器的智能化改造，使得原本單一而孤立的電器變成了網絡化、智能化的電器。

三、ZigBee 在汽車領域內的發(fā)展

無線通信技術在汽車產業(yè)中一直是提升汽車產品安全性、人性化、舒適性以及更具有科技含量方面性價比的重要技術力量。在過去不算長久的幾十年中，無線技術領域中的紅外、藍牙、移動通信以及衛(wèi)星通信等技術都一個個閃亮登場，為人們在汽車生活中獲得更高的人生愜意和更新享受。ZigBee 技術是基于 IEEE802.15.4 標準，與 802.11b（WiFi）和 802.15.1（藍牙）一樣工作在 2.4GHz 頻段，有效傳輸范圍在 10～1000 米，支持的最高數(shù)據(jù)傳輸速率為 250kbps。它的最大優(yōu)勢是低功耗和低成本，從 2004 年起 ZigBee 就開始引起許多公司的關注，這些公司從事家庭自動化、工業(yè)控制和商業(yè)建筑控制等領域，幾乎涉及了從核電廠到酒店的所有領域。

不僅如此，ZigBee 在汽車傳感網絡上也有運用，比如，已經發(fā)展很成熟的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)。胎壓監(jiān)測系統(tǒng)由輪胎壓力傳感器、微控制單元、射頻收發(fā)器和接收器組成。安裝在輪胎里的傳感器采集輪胎內部溫度和壓力信息，并將其轉換為電信號，通過相應數(shù)據(jù)處理后，由射頻收發(fā)器將信號幀發(fā)送給位于駕駛艙內的主機接收器，駕駛員即可了解各個輪胎內部的溫度、壓力情況。如輪胎內部的氣壓、溫度發(fā)生超出相應閥值時，主機接收器就會通過相應報警裝置提醒駕駛員采取相應的措施，使得胎壓保持在正常的運行狀態(tài)，從而保證車輛行駛的安全性。同其他無線技術相比，ZigBee 耗能更少、成本更低、傳輸信號穩(wěn)定可靠，非常適合用于胎壓監(jiān)測系統(tǒng)，而且由于 ZigBee 設備的地址是全球惟一的，所以能使監(jiān)控報警端快速識別出工作異常的輪胎，而不會在車輛與車輛之間造成信號干擾。此外有將 ZigBee 運用于蓄電池檢測以及非敏感類傳感器或者開關信號的傳遞，用于減少線束的安裝和降低汽車信號傳輸?shù)呢撦d。汽車的供電系統(tǒng)由汽車發(fā)電機和蓄電池兩個設備構成，汽車在啟動時蓄電池為起動機提供大電流。通過發(fā)動機運轉帶動發(fā)電機運行來實現(xiàn)對蓄電池的充電，此時，發(fā)電機與蓄電池一起對車身上的所有電氣設備供電，當汽車發(fā)動機不工作時，即發(fā)電機不工作，由蓄電池對整個電氣系統(tǒng)進行供電。由于蓄電池為化學儲能方式，電池電量和電壓必然受到環(huán)境及外部供電條件等諸多因素的影響，而且蓄電池和發(fā)電機共同作用為汽車供電，尤其是在長時間停車條件下，這都會使蓄電池的自身性能變化較大。因此對蓄電池進行電壓檢測成為全電子汽車系統(tǒng)必要的具備功能，也是本課題延伸的一個應用方向之一。