简述基于ZigBee的汽车智能电器研究现状

郑迎华

作为汽车工业与电子工业的结合，汽车电子产业得到了快速发展。目前，欧美发达国家的电子产品在轿车整车制造价格中所占份量已经达到16%～22%，预计到 2014 年将达到 26%～38%。尤其是近几年各种燃油经济性能、排放性能和安全性能等法规的强制性要求和实施，极大推动了电子技术在汽车领域的推广和使用，使汽车电子化密度不断提高，性能不断加强。汽车电子技术不仅推动了汽车工业的发展，而且也极大地促进了电子产品市場的发展。现代汽车电子技术在改善汽车经济性、动力性、安全性、乘坐舒适性和行驶稳定性等方面发挥着不可替代的作用。随着更加先进的智能型传感器、高性能 ECU、先进的控制策略、快速响应的执行器、信息网络技术、雷达技术以及移动通讯技术在汽车上的广泛应用，现代汽车正朝着更加自动化、信息化和智能化的机电一体化方向发展，以达到“人—汽车—环境”的完美协调，使得汽车这一消费品成为更具有人性化的产品。

一、课题研究背景与研究现状

车电器发展所面临的问题汽车电子化是现代汽车发展的一个重要标志。现代汽车电子技术的应用不仅提高了汽车的经济性、动力性和安全性，改善了汽车行驶的舒适性和稳定性，推动了汽车工业的发展，而且还为电子产品拓宽了市场，从而推动了电子产业的发展。总之，汽车电气系统所面临的诸多问题是一个系统性的问题集合，它们相互之间联系非常紧密：操控模式多样化必然要求电器功能更加复杂，电器的增加必然导致线束增加，基于导线的协调机制越多，则线束也越多，电器的增加，对查找故障电器越不利；同时线束的增加，使得电器故障诊断不得不考虑线束故障的因素。这一系列问题将是整车厂和汽车电子电器供应商共同面临的挑战。

二、汽车智能电器的发展

在电气工程领域，人们在配电系统中开始将开关电器智能化，以解决电力系统中配电的短路故障识别、自动保护和电源质量控制等问题，出现了智能电器。在工业控制领域出现了智能化仪表等各种智能仪器，建筑工程领域，也出现了各种智能建筑，智能住宅等，智能交通系统中出现的智能车辆、智能收费站，甚至在我们生活中涌现出如智能手机、智能卡等大量的智能器件。智能电器从其功能来说是具有一种或多种敏感功能，能够完成对信号的探测、逻辑判断、变换处理、功能计算、双向通讯后处理，电器本身可以实现自检查、自校验、自补偿、自诊断等具备以上相关功能的器件。国内有人将汽车智能电器从信息采集、信息输出、信息处理、信息传输以及电器系统逻辑控制方面将汽车智能电器划分为汽车智能传感器、智能化执行器和总成、车载微机、数字信号传输技术以及智能控制系统。比如智能雨刮系统，它是一种机械雨刮和智能光电产品的合成。它通过雨量传感器感应汽车挡风玻璃上的降雨情况而自动调整刮雨速，省去了手动调整雨刷速度的麻烦。安装有智能雨刮的车辆，无疑更舒适更安全。

OnStar 的出现让人和汽车之间的交互性越来越强，由此智能车载微机使得汽车为人的提供的服务更加智能化、人性化。清华大学在全电子汽车项目上对汽车智能电器做了很好的解释，因此本课题的研究也是基于清华大学全电子汽车项目而进行的升级。根据该项目可以了解到智能电器系统的关键是利用车载网络对电器系统做全分布式设计，每个电器都是网络的节点。相比目前的汽车电子控制系统，智能电器系统节点数量庞大，因此采用局域网对局域电器先进行网络化组织，再将整车电器利用骨干网连接起来，骨干网和局域网组成了整车的信息网。通过给电器添加控制器的方式，使智能电器具备标准的电气接口，因此可以得到一种与电器无关的并且更加简化的线束；并基于中央协调器实现电子协调机制，实现电器间的协调控制，并通过中央微机作对电器实现多种模式的操控。通过这个项目实现了吉利 EC718 车型车身电器的智能化改造，使得原本单一而孤立的电器变成了网络化、智能化的电器。

三、ZigBee 在汽车领域内的发展

无线通信技术在汽车产业中一直是提升汽车产品安全性、人性化、舒适性以及更具有科技含量方面性价比的重要技术力量。在过去不算长久的几十年中，无线技术领域中的红外、蓝牙、移动通信以及卫星通信等技术都一个个闪亮登场，为人们在汽车生活中获得更高的人生惬意和更新享受。ZigBee 技术是基于 IEEE802.15.4 标准，与 802.11b（WiFi）和 802.15.1（蓝牙）一样工作在 2.4GHz 频段，有效传输范围在 10～1000 米，支持的最高数据传输速率为 250kbps。它的最大优势是低功耗和低成本，从 2004 年起 ZigBee 就开始引起许多公司的关注，这些公司从事家庭自动化、工业控制和商业建筑控制等领域，几乎涉及了从核电厂到酒店的所有领域。

不仅如此，ZigBee 在汽车传感网络上也有运用，比如，已经发展很成熟的胎压监测系统。胎压监测系统由轮胎压力传感器、微控制单元、射频收发器和接收器组成。安装在轮胎里的传感器采集轮胎内部温度和压力信息，并将其转换为电信号，通过相应数据处理后，由射频收发器将信号帧发送给位于驾驶舱内的主机接收器，驾驶员即可了解各个轮胎内部的温度、压力情况。如轮胎内部的气压、温度发生超出相应阀值时，主机接收器就会通过相应报警装置提醒驾驶员采取相应的措施，使得胎压保持在正常的运行状态，从而保证车辆行驶的安全性。同其他无线技术相比，ZigBee 耗能更少、成本更低、传输信号稳定可靠，非常适合用于胎压监测系统，而且由于 ZigBee 设备的地址是全球惟一的，所以能使监控报警端快速识别出工作异常的轮胎，而不会在车辆与车辆之间造成信号干扰。此外有将 ZigBee 运用于蓄电池检测以及非敏感类传感器或者开关信号的传递，用于减少线束的安装和降低汽车信号传输的负载。汽车的供电系统由汽车发电机和蓄电池两个设备构成，汽车在启动时蓄电池为起动机提供大电流。通过发动机运转带动发电机运行来实现对蓄电池的充电，此时，发电机与蓄电池一起对车身上的所有电气设备供电，当汽车发动机不工作时，即发电机不工作，由蓄电池对整个电气系统进行供电。由于蓄电池为化学储能方式，电池电量和电压必然受到环境及外部供电条件等诸多因素的影响，而且蓄电池和发电机共同作用为汽车供电，尤其是在长时间停车条件下，这都会使蓄电池的自身性能变化较大。因此对蓄电池进行电压检测成为全电子汽车系统必要的具备功能，也是本课题延伸的一个应用方向之一。