基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能車載新風系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

◆徐棟梁

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能車載新風系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

◆徐棟梁

（重慶工商職業(yè)學院 重慶 401520）

當前越來越多的人選擇“自駕”出行，車主和乘客對駕駛體驗和乘坐舒適性有了新的追求。本文設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能車載新風系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32F103ZET6單片機為控制中心，利用DHT11溫濕度傳感器和MH-Z19B二氧化碳傳感器檢測數(shù)據(jù)，同時包含了加熱器、制冷器和加濕模塊、Wifi傳輸模塊等，可以根據(jù)傳感器所檢測的數(shù)據(jù)自動控制車內(nèi)溫濕度以及二氧化碳濃度，檢測數(shù)據(jù)可以通過Wifi上傳至OneNET云平臺，車主可以通過手機APP訪問云平臺，向各功能模塊下達指令，實現(xiàn)遠程控制。實驗證明，該系統(tǒng)具有明顯改善車主的駕駛體驗和乘客的舒適性的效果。

DHT11溫濕度傳感器；MH-Z19B二氧化碳傳感器；OneNET云平臺；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

1 引言

隨著出行量的增加，人們在車上度過的時間越來越長，多數(shù)情況下車窗是長時間封閉的，時間長了會產(chǎn)生一些問題。一方面車內(nèi)會產(chǎn)生大量二氧化碳，二氧化碳含量上升，以及車內(nèi)配飾產(chǎn)生的污染物都會導致乘客出現(xiàn)胸悶、氣短、頭暈、視力模糊等癥狀；另一方面，二氧化碳含量上升會車內(nèi)氣溫、濕度與車外產(chǎn)生差異，進而導致汽車車窗上面出現(xiàn)結(jié)霧等現(xiàn)象，嚴重影響了駕駛員的視線。此外，在冬天天氣寒冷的情況下，車窗和反光鏡上也會出現(xiàn)結(jié)冰或結(jié)霧的現(xiàn)象，車主在啟動車輛前必須手動除霧和除冰；夏天車內(nèi)氣溫較高，車主往往要開啟空調(diào)并等氣溫下降后才駕駛車輛，在這兩種相對較極端的天氣下，往往車主不能及時啟動并駕駛車輛。目前當車內(nèi)出現(xiàn)以上現(xiàn)象時，現(xiàn)有車輛大多都是靠駕駛員手動或者語音開啟空調(diào)，而空調(diào)從啟動到實際問題的解決需要時間，在此期間駕駛員依舊無法擁有良好的視線和駕駛體驗，乘客無法享受舒適的乘坐體驗。

基于以上分析，本文設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能車載新風系統(tǒng)，該系統(tǒng)能自動調(diào)節(jié)車內(nèi)的溫濕度和二氧化碳濃度，也可以通過手機APP等用戶終端實現(xiàn)遠程控制，能有效改善車主的駕駛體驗和乘客的舒適性。

2 智能車載新風系統(tǒng)方案設計

本文設計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能車載新風系統(tǒng)是以STM32單片機作為主控芯片，由二氧化碳濃度傳感器、溫濕度傳感器、制冷器、加熱器、LED屏、Wifi傳輸模塊等組成，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

智能車載新風系統(tǒng)是以STM32單片機為核心，可以給相應的模塊發(fā)送指令或接收來自其他模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)。溫濕度傳感器被布置在車內(nèi)和車外，用于檢測車內(nèi)外的溫濕度。二氧化碳濃度傳感器主要用于檢測車內(nèi)二氧化碳的含量。加熱器和制冷器主要用于控制車內(nèi)的溫度，加濕模塊主要用于改善車內(nèi)的濕度。LED屏顯示各種檢測數(shù)據(jù)。Wifi傳輸模塊為單片機核心控制模塊建立信息交流和用戶指令的下達。電源模塊為整個智能車載新風系統(tǒng)提供電力。

車窗出現(xiàn)“霧現(xiàn)象”主要有兩種原因，第一是濕度高，當空氣中濕度達到穩(wěn)定狀態(tài)時，車窗溫度不高于露點溫度，在車窗表面上就會出現(xiàn)結(jié)露。所謂的露點溫度是指在空氣中水蒸氣轉(zhuǎn)換為露珠時的溫度，露點溫度本質(zhì)上稱之為溫度值，但一般用于濕度表現(xiàn)。第二個原因是車內(nèi)外的溫差所引起來的，當車身表面水分飽和，蒸汽壓低于四周氛圍的蒸汽壓時，玻璃表面會籌集水汽，形成水珠，最后滲析變成霧氣。在車內(nèi)外設置溫濕度傳感器，可以用于檢測車內(nèi)外的溫濕度，根據(jù)檢測的數(shù)據(jù)判斷是否滿足出現(xiàn)結(jié)霧的條件，若滿足則直接判斷是否開啟加熱器、制冷器，或者是加濕器，同時還可以根據(jù)檢測的數(shù)據(jù)選擇相應的檔位。

根據(jù)美國國家職業(yè)安全衛(wèi)生研究所NIOSH研究顯示，空氣中二氧化碳濃度在350～1000ppm時是適宜的，超過1000ppm時讓人感覺空氣渾濁，并開始覺得昏昏欲睡。車內(nèi)二氧化碳濃度傳感器用于實時檢測車內(nèi)二氧化碳含量，當高于1000ppm時就會自動開啟車窗通風。

各模塊檢測的數(shù)據(jù)可以通過Wifi傳輸模塊上傳至OneNET云平臺，車主可以通過手機APP隨時訪問新風系統(tǒng)，也可能通過APP向系統(tǒng)發(fā)送指令，系統(tǒng)可以根據(jù)指令開啟加熱器、制冷器或加濕器，或選擇相應的檔位，方便用戶通過網(wǎng)絡平臺進行遠程的干預和遙控。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能車載新風系統(tǒng)

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 MH-Z19B二氧化碳傳感器

MH-Z19B二氧化碳氣體傳感器是一個通用智能小型傳感器，利用非色散紅外（NDIR）原理對空氣中存在的CO2進行探測，具有很好的選擇性和無氧氣依賴性，壽命長。工作電壓為4.0～5.5VDC，可以測量0~5000ppm范圍內(nèi)的二氧化碳氣體，高靈敏度、低功耗。

2.2 DHT11溫濕度傳感器

DHT11溫濕度傳感器是數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，如圖2所示，功能上采用特殊數(shù)字模塊的溫濕度傳感技術(shù)，包含了電阻式感濕元件和NTC測溫元件，供電電壓3.3~5.5V DC，精度濕度±5%RH，溫度±2℃，量程濕度20-90%RH，溫度0~50℃。具有體積小、功耗低的特點。

圖2 DHT11溫濕度傳感器

2.3 加熱器

加熱器主要是由硅橡膠發(fā)熱絲所組成的，通過傳感器接收到溫度低于標準值時，通過主控系統(tǒng)下達指令，給硅橡膠發(fā)熱絲供電，使其工作發(fā)熱，最高耐受180度，以達到使車室內(nèi)溫度升高的目的，提高司機和乘客乘車的舒適度。

2.4 STM32F103ZET6單片機

單片機采用STM32F103ZET6型號，是ARM Cortex-M3核心的32位嵌入式微控制器，采用512K片內(nèi)FLASH，64K片內(nèi)RAM。片內(nèi)FLASH允許在線編程（IAP），且能夠到達72M頻率數(shù)據(jù)，可以最大化完成CPU運行速度。

2.5 制冷器

制冷器采用的是TEC1-12705半導體制冷片，工作電壓是12V，不需要任何致冷劑，可連續(xù)工作，沒有污染源沒有旋轉(zhuǎn)部件，不會產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應，沒有滑動部件，是一種固體器件，工作時沒有震動、噪音。壽命長，安裝容易。

圖3 TEC1-12705半導體制冷片

2.6 用戶終端模塊

用戶終端模塊包含Wifi通信模塊、OneNET云平臺、智能手機APP等模塊，其中單片機核心控制模塊通過無線傳輸模塊、 OneNET云平臺與終端手機平臺進行監(jiān)控信息的交互及控制指令下達，可實現(xiàn)智能手機APP實時數(shù)據(jù)查詢，云計算存儲，無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計是以Keil uVision5為開發(fā)平臺，主程序包括通過數(shù)據(jù)初始化完成系統(tǒng)初始狀態(tài)，并利用中斷技術(shù)，結(jié)合不同子模塊完成各種相關(guān)功能。具體流程圖如圖4所示。

當智能車載新風系統(tǒng)接通電源，開始自動工作時，DHT11溫濕度傳感器和MH-Z19B二氧化碳傳感器開始啟動采集數(shù)據(jù)，當DHT11溫濕度傳感器檢測到溫度高于27℃時或低于19℃時，并且濕度高于58%時，智能車載新風系統(tǒng)輸出信號，選擇相應的檔位開啟加濕器、加熱器或者制冷器。當MH-Z19B二氧化碳傳感器檢測到CO2濃度高于1000ppm時，對智能車載新風系統(tǒng)輸出信號做出反應，給兩個電機施加電壓供電，開啟窗戶。同時所有的檢測數(shù)據(jù)都會同步傳輸?shù)絆neNET云平臺，用戶可以通過手機APP直接查看數(shù)據(jù)，并選擇相應的檔位開啟各功能模塊。

圖4 軟件流程圖

4 系統(tǒng)測試

在實際的測試中，讓硬件平臺連續(xù)工作3小時，通過人為改變環(huán)境條件，如降低溫度、增加濕度、增加二氧化碳濃度等，驗證各模塊的功能，最后的結(jié)果顯示，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，各功能模塊運作正常，整體設計符合要求，達到了預期設計目標。

5 結(jié)語

本文設計的智能車載新風系統(tǒng)，是以STM32F103ZET6單片機為控制中心，能自動調(diào)節(jié)車內(nèi)的溫濕度，自動改善車內(nèi)空氣，同時車主還可以通過智能手機APP實現(xiàn)對車內(nèi)溫濕度和空氣進行遠程控制，能有效改善車主的駕駛體驗和乘客的舒適性，同時本系統(tǒng)的研究成果對智慧駕駛也有一定的借鑒意義。

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