ZigBee和模糊控制的智能胎壓監測制動系統

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(西安工程大學 電子信息學院，西安 710048)

引 言

隨著人類社會經濟水平和科技水平的不斷提高，汽車已逐漸成為人們日常生活中不可替代的工具。隨著汽車使用量的不斷增加，汽車引發的道路交通事故等一系列社會問題也日益突出，汽車安全問題在世界各地都有著不同程度的困擾。據交通局統計數據，目前我國高速公路上70%的交通事故為輪胎氣壓問題引起的，而爆胎是目前汽車交通事故的重大殺手之一。本文設計了基于模糊控制帶剎車聯動作用的智能胎壓監測制動系統，通過胎壓胎溫信息和模糊控制輸出制動力的大小，實現自動剎車動作，減少事故發生率[1-2]。

1 胎壓監測系統框架設計

基于ZigBee的胎壓監測系統框架如圖1所示。ZigBee作為一種無線通信技術，被廣泛應用于工業領域[3]。該部分主要分為4個從節點，分別對應4個輪子，一個主節點作為主控制器和制動系統。傳感器將采集到的胎壓數據傳輸給從節點，然后從節點將數據經過A/D轉換處理，再經過ZigBee無線通信模塊將數據傳遞給主控制器，胎壓信息與主控模塊事先設置的胎壓范圍進行比較，進而決定對制動系統進行控制。

圖1 基于ZigBee的胎壓監測系統框架

2 系統硬件設計

2.1 無線通信網絡

目前因為6LoWPAN無線傳感網絡技術使用了IPv6技術，使其可以接入龐大的地址空間而受到歡迎，普遍認為這種技術會成為物聯網領域的事實標準。它和ZigBee有很多相似點，表1為ZigBee和6LoWPAN兩種技術標準的簡單比較。

表1 ZigBee和6LoWPAN技術比較

由表1可知，ZigBee和6LoWPAN在功耗、網絡容量、自組網、安全性方面相差不大，但ZigBee的可靠性高于6LoWPAN，因本文設計的系統可靠性要求較高，所以選擇ZigBee作為傳感器與主控制器之間的通信模塊。

2.2 數據采集

為了對輪胎的壓力和溫度進行實時采集，本文采用英飛凌SP400胎壓監測傳感器，相較于SP370有如下特點：封裝體積更??；能耗更低，靜態電流從550 nA降至245 nA；存儲容量更大，Flash增加了一倍；測量精度更高，只需一個26 MHz就可同時支持315 MHz和434 MHz的工作頻率[4]。

2.3 發射模塊

CC2530是一個具有IEEE802.15.4協議的無線收發器，同時具有數據包過濾模塊和地址識別模塊，從而可以快速定位到各個車輪的壓力和溫度值。為了降低功耗，在汽車未啟動的時候，收發模塊處于休眠狀態。汽車啟動時，通過加速度來喚醒MCU工作。通過不斷檢測啟動時的輪胎壓力和溫度，將采集到的數據經濾波、A/D轉換、數字解調后輸出數字信號。發射模塊框圖如圖2所示[5]。

圖2 發射模塊框圖

2.4 接收模塊

接收模塊主要是通過天線將發射過來的胎壓、溫度、加速度數據經過MCU處理，加上模糊控制部分實現隨著胎壓、溫度的變化，對制動力大小進行自動調節，當數據超過設定的閾值時，制動力達到最大值，從而實現胎壓和制動系統的聯動作用[6]。接收模塊框圖如圖3所示。

圖3 接收模塊框圖

3 制動系統軟件設計

系統上電后對CC2530和顯示器初始化，首先獲取加速度的值并判斷其是否超過設定值，如果超過這個值，則獲取胎壓和胎溫的數據，然后對獲取到的數據判斷是否有效，如果有效，則在液晶上顯示，同時進入模糊控制環節，控制制動力的大小。其制動系統軟件總體流程如圖4所示[7]。

圖4 制動系統軟件總體流程圖

4 制動模糊控制器設計

4.1 模糊控制結構設計

模糊控制器是一種基于規則或知識的系統。它是由IF-THEN規則組成的知識庫，一個模糊規則是用連續隸屬度函數對所描述的相關句子做出IF-THEN形式的描述，主要用于解決傳統方法難以解決的復雜、非線性問題。

該模糊控制器的輸入量為輪胎的壓力和溫度，輸出量為制動力的大小。首先胎壓和胎溫經過模糊化得到模糊輸入量，再經過模糊推理機匹配模糊規則中的規則，最后再經過解模糊化輸出制動力的大小，從而可達到自動控制車輛的行駛速度[8]。其制動模糊控制器原理圖如圖5所示。

圖5 制動模糊控制器原理圖

4.2 輸入輸出量的確定

(1)

(2)

在式(1)、式(2)中，K為比例因子。設比例因子K均為0.1，輪胎胎壓F的模糊論域為[0,30]，輪胎胎溫T的模糊論域為[0,11]，制動力Br的模糊論域為[0,1.6]。輪胎溫度的語言變量T為很小(VS)代表溫度很低，小(S)代表溫度較低，中(M)代表溫度最佳，大(B)代表溫度較高，很大(VB)代表溫度很高。輪胎胎壓的語言變量F為很小(VS)代表胎壓很低，小(S)代表胎壓較低，中(M)代表胎壓最佳，大(B)代表胎壓較高，很大(VB)代表胎壓很高。輸出語言變量制動力Br為很小(VS)代表制動力很小，小(S)代表制動力較小，中(M)代表制動力最佳，大(B)代表制動力較大，很大(VB)代表制動力很大。輸入輸出變量隸屬度函數的取值需要根據控制系統特性進行合理的選擇。模糊控制器的變量均成線性變化，因此，在此系統選用三角形隸屬度函數，使其在整個論域中均勻分布，其輸入輸出變量隸屬度函數定義如圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)所示。

圖6 輸入輸出變量隸屬度函數

4.3 模糊控制規則的建立

模糊控制規則是設計模糊控制系統的核心，其實質就是將駕駛員的駕駛經驗加以總結而得到一個包含各種模糊條件語句的集合。模糊控制規則的確立原則是必須保證控制系統輸出響應的動靜態特性能夠達到最佳。

根據實際影響汽車制動距離有效參數的分析，當胎溫T超過正常值范圍時，制動力Br應隨著胎溫的增加而增加，當胎壓F低于或高于正常情況下的胎壓時，為避免發生事故，制動力都應增加。由這些關系可得到表2所列的模糊控制規則,圖7是輸出特性曲線。

表2 模糊控制規則

圖7 制動力輸出特性曲面

結 語