（光学工程专业论文）基于zigbee的汽车尾气检测系统研究与设计.pdf

摘要 近年来，随着汽车在我国的普遍使用，汽车尾气所造成的环境污染问题也口 益突出。为了改善环境、达到排放限制，我国相继制定了越来越严格的汽车尾气 排放标准。同时，汽车尾气检测技术也受到了各级环保部门的重视。然而，目前 由于技术条件的制约，国内环保部门通常采用年检方式对汽车尾气排放情况进行 检测。 针对年检方式对汽车尾气排放情况进行检测不灵活的缺点，本文设计了一套 基于z i g b e e 无线传感网络技术的汽车尾气在线检测无线传输系统，以提高汽车 尾气检测的灵活性，能够实时掌握汽车的尾气排放情况。最终实现及时制止超标 车辆上路，最大程度上减少尾气对空气的污染的目标。 本课题以工程应用研究为目标，主要开展了以下方而的工作： 第一，详细地介绍了系统的开发背景和开发意义，在对汽车尾气检测法规 和检测方法了解的基础上，对系统进行全面分析最终确定了本系统的整体设计方 案以及一些系统实现的技术细节。 第二，系统的硬件设计：通过选用t i 公司生产的c c 2 4 3 0 无线单片机作为 节点装置的硬件核心，结合传感器技术以及相应的z 遮b e e 软件开发包，完成了 无线传感网络传感器节点与终端采集节点模块的软硬件设计，最终实现对汽车尾 气数据信息的在线采集和无线传输。通过选用p r o l i f i c 公司生产的一种高度集成 的r s 2 3 2 u s b 接口转换芯片p l 2 3 0 3 ，完成终端采集节点与p c 机的串口通信模 块的设计。 、 第三，系统的软件设计：包括下位机软件( 无线传感网络) 与上位机软件( 监 测计算机系统) 设计两部分。在简要介绍无线传感器网络及节点的基本原理后， 系统选用i a rw o r l 她n c h 软件对终端采集节点和传感器节点进行编程0 利用 v i s u a lc + + 6 0 进行了串口软件设计，编写了串口收发程序，以实现对汽车尾气 的可视化管理，为汽车尾气检测工作提供科学依据。并经实验验证了该设计方案 的可行性。 论文结尾对全文进行了总结，并对下一部研究工作进行了展望。 关键词：汽车尾气，尾气检测，z 迳b e e ，传感器，c c 2 4 3 0 a b s t r a c t w i t hv e h i c l ei sw i d e l yu s e di no u rc o u n t 拶，t h ep o l l u t i o n 丘0 mv e h i c l ei sm o r e a l l dm o r es e r i o u s t h eg o v e m m e n tc o n s t i t u t et h es t r i c t e rv e h i c l ee m i s s i o ns t 锄d a r d st 0 c o n t r o le m i s i o na n di m p r o v ee n v 的m e n t m e a n w h i l e ，t h ev e h i c l ee x h a u s tt e s t i l l g t e c h i l o l o g yh a sa l s ob c e nt h ea t t e n t i o no ft h ee n v i r o 姗e n t a lp r o t e c t i o nd e p a r t m e n t h o 、c v e r ，d u et 0t h et c c h l l i c a lc o n d i t i o n s ，t h ed o m e s t i ce n v i r o n r n e n t a lp r o t e c t i o n d 印a n m e n tg e n e r a l l yu s e st h e 锄n u a li i l s p e c t i o no nv e h i c l ee ) ( i l a u s te m i s s i o n st e s t i n g a i m i l l ga tt h ep r o b l e mo fc u r r e n t 锄n u a ii n s p e c t i o no na u t o m o b i l ee x h a u s t ，w e p r o p o s e da na u t o m o b i l eo n l i l l ee x h u j s tm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nz i g b e ew i r e l e s s s e n s o rn e 帆o r kt e c h n o l o g y f l e x i b i l i t ya n dc o n v e n i e n c e so fa u t o m o b i l ee x h a u s t d e t e c t i l l g a r ee n h a n c e d a 1 l a r o u n dr e a lt i h l e d e t e c t i n ga u t o m o b i j e e x l l a u s ti s r e a l 泣e d t h es y s t e n i r l l p r o v e s t h ep r e v e n t i o na n dc u r eo fa u t o m o b i l ee x h a u s t p o i i u t i o n t a 唱e t i n ga tt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n t h ep r o j e c th a sd o n et h ew o r ka s f o l l o w s ： t h ef i r s t ，i ti n t r o d u c e st h e d e v e l o p m e n tb a c 蚝r o u n d a n d d e v e l o p m e n t s i g n i f l c a n c eo ft h es y s t e m ( 1 e t a i l l y o nt h eb a s i so fu n d e r s t a f l d 洫gt h er e g u l a t i o n sa n d t e s t i n gm e t h o d so fd c t e c t i o no f a u t o m o b i l ee x h a u s t ，ac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h e s y s t e mi sg i v e n ，a n dt h eo v e r a l ld e s i g no ft h es y s t e mc a na l s ob ef m a l i z e d t h es e c o n di st h eh a r d w a r ed e s i g no ft h es y s t e m ：i tt a k e sz i g b e ep r o d u c t i o n s o l u t i o n sc c 2 4 3 0s i l l g l e - c h i pw i r e l e s sn o d ed e v i c e sa sac o r eh a r d w a r ew h i c hi s p r o d u c e db yt i ( c h i p c o n ) r e c e n t l y t h i sm e t h o dr e a l i z e st h eo n - l i n ed a t ac o l l e c t i o n a n dw 沁l e s st a a n s m i s s i o no ft h ev e h i c l ee m i s s i o nt e s tb yc o m b i n e dw i t hs e n s o r t e c l l l l o l o g ya n dz i g b e es o 脚a r ed e v e l o pk i t b a s e do nt h i ss c h e m e ，t h ew o r k i n c l u d i l l gs e n s o rn o d ed i s i g n ；t e r m i i l a ic o l l e c t i o nn o d ed e s i g n ；a n dc o n t r o l l e rd e s i g n o fh a r d w a r ea n ds o 腑a r e t 1 1 r o u g ht h es e l e c t i o no ft h eh i g h l yi m e g r a t e dp l 2 3 0 3 c h i p ( r s 2 3 2 - u s bn e r 伍c ec o n v e r t e rc h i p ) p r o v i e db yp r o l i 6 ce n t e 叩r i s e ，i tc o m p l e t e s t h ed e s 追no fs e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l ef o rt h et e n n i n a la c q u i s i t i o nn o d ea n dp c t h et h i r di st h ed e s i g no ft h es o 胁a r e ，i ti n c l u d e sm a c h i n es o f t w a r ed e s i g n i i ( w n l e s ss e n s o rn e t w o r k s ) a j l dt h eh o s tc o n l p u t e rs o 脚a r e ( m o n i t o r i i l gc o m p u t e r s y s t e 娜) d e s i g n a f t e r 访t r o d u c e d t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa n dt h en o d ep 血c i p l e ， t a k eu s eo fi a r 、o r k b e n c ht op r o g r 舢m gt h ea c q u i s i t i o nn o d e 锄dc o l l e c t i o nn o d e t a k eu s eo f s u a lc + + t or e a l i z et h es e r i a lp o i r ts o m v a r ed e s i g n ，锄dc o n l p i l e d t r a n s m i s s i o na j l dt h er e c e i v ep r o c e d u r e ，a st oa c h i e v em a n - c o m p u t e rn e r a c t i o n ，i t p r o v i d e ds c i e n t i f i cb a s i sf o rp r o p e rc o n t r o lo f v e h i c l ee m i s s i o n a n dt h ee x p e r i m e n t s v e r i f i e dt h ed e s i g ni s 诧a s i b l e a “h ee n d ，t h e r ei sas u m m a r yo f t h i sp 叩e ra n dw h a tt h i n g sn e e dt ob ed o n ei 1 1 t h en e a r 矗】t l l r e k e y w o r d s ：a u t o m o t i v ee x h a u s t ，e ) 【h a u s tt e s t ，z 遮b e e ，s e n s o r ，c c 2 4 3 0 ， 插图清单 图1 1 技术路线图3 图3 1 系统功能结构图1 1 图4 1 无线网络硬件平台1 2 图4 2 采集节点结构1 3 图4 3c c 2 4 3 0 芯片内部框图1 4 图4 4c c 2 4 3 0 芯片及其无线模块的电路图1 5 图4 5 串口通信电路实物图1 6 图4 6 串口通信电路1 7 图4 7z i g b e e 协议的整体构架一1 9 图4 8 传感器节点结构1 9 图4 9 c 0 电路图2 1 图4 1 0d s l 8 8 2 0 与c c 2 4 3 0 应用接口电路图2 2 图4 1 1 电源电路图2 3 图4 1 2 传感器电源模块2 4 图4 1 3 采集节点2 4 图4 1 4 传感器采集节点2 5 图4 1 5 原理图2 5 图5 1 i a r e m b e d d e dw | o r l 舭n c h 集成开发调试界面2 6 图5 2 接收端流程图2 7 图5 3 发送端流程图2 8 图5 4 标定数据流程图2 9 图5 5 系统应用层程序功能框图3 0 图5 6 使用s m a r r ff l a s hp r o g r a m m e r 改写i e e e 地址3 2 图5 7 上位机窗体界面3 6 图6 1 测试过程3 9 附表清单 表2 1 检测方法的比较7 表6 一l 实验车辆技术参数4 0 1 绪论 1 1 研究背景 ( 1 ) 汽车销量持续急剧增加 近年来，随着中国经济的持续快速增长，我国汽车行业超常规发展，汽车工业 已经成为中国经济的支柱产业之一【l 】。“十一五”期间，我国机动车保有量呈快速增 长态势，由1 1 8 亿辆增加到1 9 亿辆，平均每年增长1 0 。其中，汽车保有量由3 0 8 8 万辆增加到7 7 2 1 7 万辆，保有量增加了1 5 0 。 从2 0 0 2 年以后，我国的汽车产业就开始飞速发展，步入到爆发式增长的阶段。 同时伴随着生活水平的提高，人们对汽车的需求也在不断提高，进一步的促进了汽 车行业的繁荣，是我国汽车行业发展不可或缺的推导力量。在这个不断发展的过程 中，我国的汽车行业在全球范围内所处于的地位也同样在不断的上升。 到2 0 0 9 年，中国取代美国成为世界上最大的汽车销售市场，结束了由福特公 司开始的美国长达一个多世纪的汽车统治地位。不仅如此，2 0 0 9 年，中国的汽车产 量超过了日本和美国的总和，自2 0 0 6 年以来，由日本汽车工业保持的世界第一的 位置，在2 0 0 9 年也被中国取代。2 0 0 9 年中国汽车工业产销总量分别达到1 3 7 9 1 万 辆和1 3 6 4 4 8 万辆，同比增长4 8 3 0 和4 6 1 5 。 2 0 1 0 年，在国家扩内需、调结构、促转变等一系列政策措施的积极作用下，我 国汽车工业延续2 0 0 9 年发展态势，保持平稳较快发展。汽车产销快速增长，自主 品牌市场份额提升，汽车出口逐步恢复，大企业集团产销规模整体提升，市场需求 结构进一步优化，汽车工业产业结构调整加快。2 0 1 0 年，汽车产销分别为1 8 2 6 。4 7 万辆和1 8 0 6 1 9 万辆，同比增长3 2 4 4 和3 2 3 7 ，保持了世界第一的地位。 2 0 1 1 年以来，我国汽车业步伐放缓，汽车市场整体趋势向淡，但同时也是理性 回归。2 0 1 1 年1 5 月，汽车产销分别为7 7 7 9 7 万辆和7 9 1 6 2 万辆，同比增长3 1 9 和4 0 6 ，增幅较2 0 1 0 年同期分别回落5 2 4 和4 9 1 9 个百分点。 预计未来十年，我国汽车市场年均增长率将达到7 1 ，到2 0 2 0 年中国汽车市 场的销量有望占据全球汽车总销量的一半以上，将是美国市场销量的两倍左右。中 国汽车市场前景非常广阔。 ( 2 ) 汽车尾气污染日益严重 伴随汽车产业的快速发展，以及世界各个国家汽车保有量的迅速增加，汽车在 给人们的同常生活提供迅速且便利的同时，也给人类带来了相当多的严峻的问题， 特别是对人们处于的周边生活环境造成了污染。 由现实巾对环境的监测可以发现，在我国那些经济发展快速的城市，其空气污 染表现出的特征已经不再是之前的单一污染，而是一种汽车尾气和煤烟共同作用的 复合式污染。一些地区灰霾、酸雨和光化学炯雾等区域性的大气污染问题经常出现， 这些污染现象的出现大都和汽车废气的排放紧密联系。需要注意的是，冈为车辆基 本上都会经常出现于人口密集的地方，汽车排出的废气将会直接对普通大众的身体 健康造成影响。在2 0 1 0 年，我们国家的机动车废气排放数值高达5 2 2 6 8 万吨，分 别是氮氧化物( n o x ) 有5 9 9 4 万吨，碳氢化合物( h c ) 4 8 7 2 万吨，一氧化碳( c o ) 4 0 8 0 4 万吨，颗粒物( p m ) 5 9 8 万吨，其中汽车排放的n o x 和p m 超过8 5 ，h c 和c o 超过7 0 。另外，除发动机尾气排放外，车辆的曲轴牟f f 和燃油系统的泄露、 蒸发损失等现象同样会造成h c 、c 0 等气体排放的升高。处于太阳光的高强度的照 射环境中，车辆尾气排放物中的某些气体就可能会相互产生化学作用，生产新的污 染物，以光化学炯雾的形式出现，从而造成对环境的再次污染。这些新的污染物比 之前的毒性更强，如果不能够有效的扩散，长时间积累就会成为污染大气环境的恶 劣事件。我国的新闻也在不断报道出系列的由车辆废气形成的光化学烟雾现象， 如2 0 世纪末的四川某地区就出现了该大气污染现象。之后，在我国的其他地区如： 上海、北京、南宁等等城市，也相继出现了该污染现象【2 j 。 当前，机动车的污染日益严重，已经是大气环境最突出、最紧迫的问题之一， 机动车污染防治的重要性和紧迫性也日益凸显【3 】 【9 1 。在环境意识高涨的今天，控制 机动车废气污染已经被提到了相当重要的位置。 1 2 本文主要研究内容 本论文研究的课题，就是在口前汽车废气对环境造成的污染持续升高，以及对 其排放的废气进行检测的衡量标准不断提高的这一发展趋势下提出的。针对当前年 检方式对汽车尾气排放情况进行检测不灵活的弊端，综合比较国内外发展的基础 上，本论文研制出一套基于无线传感网络技术的汽车尾气在线检测系统。该系统采 用t i 公司的c c 2 4 3 0 无线单片机及相应的z i g b e e 软件开发包，设计无线传感网络 终端采集节点和传感节点的软硬件，采用s u a ls t u d i oc + + 开发汽车尾气数据显示 的监测计算机软件，以提高汽车尾气检测的灵活性，最终实现对汽车尾气全面实时 豁测的目标。下面介绍一下本论文的主要工作内容： 第一，在对汽车尾气检测法规和检测方法了解的基础上，对要设计的系统进行 全面的分析，最终提出系统方案。 第二，根据方案确定系统的各个部分，从而完成了系统硬件部分的设计与实现。 系统在结合传感器技术与基于z i g b e e 的无线网络技术的基础上，采用t i 公司的 c c 2 4 3 0 无线单片机，最终实现对汽车尾气排放数据信息的在线采集与无线传输。 第三，根据方案确定系统部件，完成系统的软件部分的设计与实现。系统在分 析无线传感网络的特点和发展后，利用t i 公司的z s t a c k 开发版本1 4 3 和编译环 境认re m b e d d e dw - 0 r k b e n c h ，实现本课题软件部分的设计。按每个模块所具有的性 能对其进行开发从而确定了系统的软件部分拥有以下几个内容：对被检测的气体进 行标定的模块，数据采集与发送的通信模块，以及完成对检测口标进行检测的检测 模块等。 第四，系统的调试工作以及实验。主要是硬件调试和软件应用调试，最后完成 对排放的废气参数检测的功能，并且对该参数比较分析。 本文的技术路线图1 1 如下： 图卜1 技术路线图 f i g 1 - l1 kt e d m o l o g yf o a d m 印 1 3 研究的目的及意义 想要强有力的执行中华人民共和围大气污染防治法，减少车辆废气排放对 大气环境造成的污染，车辆在出厂前就应该由其制造公司对其实施相当严格的汽车 废气排放值的监测与控制。所以，各车辆制造厂自己就要拥有对尾气进行检测的设 配。目前，我国的汽车制造厂还不具备臼己研发的性能优良的检测系统，基本上都 是从国外引进的设备。所以，引进的系统在经济上就不具备价廉的优势，同时，系 统在出现问题后，也没办法获得迅速和有效的技术支持。这些存在的问题都很大程 度地加重了我国汽车制造厂的成本，使得成套的检测系统不能被广泛应用与实际环 境叶1 。 与此同时，在用汽车尾气检测也面临着南以往的环保部门直接运营逐步地走向 社会( 企业) 化、市场化的现状。环保部门逐渐开始只履行监管的职责，而市场化就 必然会有竞争。竞争的压力可能使检测不规范，检测站点也许就会为了本身的利益 而去虚报检测的结果或在检测过程中舞弊，导致年检结果的不真实。在这种机制下， 汽车的日常运行时汽车尾气造成的污染程度无从掌握，无法及时地控制汽车的尾气 污染。 面对这种现状，研制出适合我国国情的机动车尾气检测系统是加快推行环保标 准、促进经济可持续快速健康发展的关键问题之一。“机动车尾气在线采集和无线 传输系统”的研究课题正是在此背景下产生的。本课题利用无线传感技术检测机动 车尾气的浓度，从而为机动车尾气的排放污染物控制提供有力的保障，以达到减少 环境污染和保护生态环境的口的，也弥补了现有年检存在的弊端。 相对于传统的封闭式的汽车排放性能检测站，研究在用车排放检测的在线采集 和无线传输系统将有助于在用车排放检测的远程监控和管理，是构建在用车排放检 测远程监控系统的基础。该系统不仅是当前最合理有效的在用车排放检测的监控手 段，而且将大大地减小作假空间，保证了“脏车”的及时淘汰；同时，可为排放检 测标准中限值的制定，也有利于地方政府精确统计污染物排放的总吨数，对本地区 的污染情况真正心巾有数，做到源头治理，“防患于未然”，这比出现了严重污染后 花费更多的资金来治理要划算得多。在此系统的基础上，如果能够结合计算机远程 网络技术的应用，将会为汽车尾气检测机关提供信息获取渠道，为公安环保等管理 部门强化车辆定期排放检测管理和加强车辆违规违法事件处理提供了新的途径。 2 机动车排气检测方法 2 1 汽车排放测试规定和标准 由于大量汽车的有害排放物对大气环境已构成严重的污染与危害，从6 0 年代 开始，世界各国及地区相继以法律形式对汽车排出的有害成分予以强制性限制。其 中，美国、口本及欧洲经济委员会( e c e ) 对汽车排放的限制尤为严格。目前， 这些国家的法规r f l 对排放测试的装置、分析仪器、取样方法等，大都取得了一致， 所不同的是，车辆试验的规范( 即行驶循环的工况曲线) 及对有害排放物的最大容 许限值不同。 我国在机动车生产和试验上起步比较晚，1 9 8 4 年4 月1 日我国第一个汽车 尾气排放标准g b 3 8 4 2 1 9 8 3 开始实施【l 刚。但近几年的发展也是成果显著的，我们 有了一套自己的试验检测标准，并且在不断完善中，而且在与欧美等发达国家相比 的差距越来越小。0 5 年制定的标准，是现阶段我国所使用的最新的行业标准，其涵 盖了中国、v 三种标准和行年限，代替了0 1 年部分0 2 年标准。 新规定国标准自2 0 0 5 年7 月l 口起实施，2 0 1 1 年7 月1 口我国开始实施国 标准【。 2 2 汽车尾气检测方法【1 2 h 2 1 】 同前国际上通用的汽车尾气检测方法，大致可以分为无载荷法、稳态加载工况 法和瞬态加载工况法。其中根据所测成分和实际情况的不同，所选用的方法也不同。 一般新车出厂时的检测最为严格，而在用车检测就比较宽松。 2 2 1 无载荷法 所谓的无载荷法就是不加任何载荷检测汽车在怠速的情况下的排放，由于怠速 工况下气缸燃烧温度较低，所以n o x 的生成受到很大影响，因此这种方法不能检 测实际n o x 的排放。 2 0 0 1 年国标规定的无载荷法有怠速和双怠速两种。但是随着汽车技术发展水平 的提升，传统的单怠速法已经不能适合现在的排放检测了，而且所测数据与实际差 距比较大。0 5 年国标准取消了单怠速法，全部使用双怠速法。 无载荷法就是检测发动机低怠速和高怠速两种怠速情况下的排放值。根据对两 种状态的不同规定，可细化排放标准，从而达到降低排放的目的。 2 2 2 稳态加载工况法 由于双怠速法以上的缺点，美国在上个世纪8 0 年代开发了稳态加载工况法。 稳态加载工况法的原理就是模拟汽车在正常行驶情况。方法也是比较简单，稳 态加载工况法是将车辆放置在底盘测功机上，利用测功机的功率吸收装置对车辆加 载，模拟汽车在正常行驶。测功机的总加载功率在数值上等于汽车行驶时发动机输 出的用于加速车辆的功率，模拟汽车以一定车速加速时的道路负荷，这个标准各国 也都不一样，大致都在2 0 5 0 k i n h 。 现阶段我国各主要城市所使用的是a s m 5 0 2 4 和a s m 2 5 4 0 工况测试规程，它实 际上就是把美国的a s m 工况中m i l e h 转换为k h l h 的结果。 2 2 3 瞬态加载工况法 在正常行车过程巾，光有双怠速法和稳态工况法还是不能反映出汽车行驶的正 常排放值，凶为正常城市行车过程中，油门是经常变化的，凶此，测试的过程需要 跟踪这种变化，检测各种瞬态工况下的尾气排放，以便更加真实地反映汽车行驶中 的排放情况。稳态工况法就不能反映出这种工况了，所以就需要新的检测方法 瞬态加载工况法。 它的测量原理和稳态工况一样，也是让测功机给汽车加载，所不同的是加载的 是瞬态工况。所用设备也有所不同：排气的取样系统采用定容取样，采用氢焰离子 化测定仪测试h c ，用非分散红外分析仪检测c o ，用化学发光测定仪检测n o 。这 就对测功机的精度要求非常高，设备投资和使用维护费用也非常高，而且不容易重 复检测，冈此不能广泛的推广。 2 2 4 其他检测方法 ( 1 ) 遥感检测法 虽然国家一再强化检测制度，但是道路上行驶的车辆仍有一部分排放超标。这 是因为制度严格检测频率为1 年，在两次检测中问车辆排放状况会有变化，根据车 主的驾驶习惯和维护意识的不同，这种变化有时会比较大。因此，应当进行遥感检 测【2 2 】。虽然这种检测方法只能检测高超标的车辆，但对车主又一种威慑作用。 2 0 0 4 年，中国科学院安徽光机所环境光学实验室研制了道边实时监测机动车尾 气仪，利用调谐二极管激光器吸收光谱和紫外差分吸收光谱原理，能够在线监测机动 车尾气中c o ，c 0 2 ，h c 等污染物。该技术拥有完整的自主知识产权，填补了国内 空白，为我国机动车尾气排放的在线遥测和治理提供了新的技术手段【2 3 j 。 尾气遥感监测技术在我国的许多城市被应用，但结果受行驶工况影响较大，随 着装备三元催化转换器车辆比例的提高被逐渐忽略。目前，结合计算机和车辆自动 识别技术，一些移动式可置于路旁进行实时监测的装置已被开发，但是尚未广泛应 用。 ( 2 ) 车载诊断系统 这是上个世纪末才开始的一种新型检测系统，它是在汽车生产时南汽车生产商 装配上的，每个商家都有白己的一套接口和诊断码，因此各个车型之间不能通用。 1 9 9 8 年，尾气分析仪开始更新换代，美国环保局( e p a ) 研发了实时车载排放分 析仪假0 v e r ) 口4 1 ，它是开发最初的汽车排放移动检测设备的基础。口前，国外的车 载排放测试技术广泛应用于美国和欧洲等国家的汽车排放污染物控制工作中。经过 几年的更新换代，现在已经出现的有美国s e n s o r 公司的s e m t e c h 系列和日本 h o r i b a 公司的o b s 系列等车载排放设备，这些设备都已经得到美国环保局的认 证，可靠性也得到j 、- 泛的认可。 相对于国外车载排放测试技术在尾气排放方面的应用研究，我国主要集中在理 论研究方面。随着网络与虚拟仪器的发展，国内车载排放测试技术涉及到很多方面 的研究，如随车式汽车尾气分析仪的设计【2 5 1 、g p s 在车辆上的应用 2 6 、基于无线传 感器网络的机动车尾气在线采集和无线传输系统的研制【2 7 】等。 2 2 。5 检测方法比较 在对双怠速法、稳态加载工况法( a s m ) 、以及瞬态加载工况法等三种汽车尾 气检测方法基本了解的情况下，对它们各臼的优缺点进行了分析比较。其中瞬态加 载工况法是最晚提出的，冈此无论是在检测精度上，还是检测物的种类上都要比前 面两种方法更具有优势。相较于前面两种检测方法只能检测出排气的浓度的特点， 针对如果想要得到实际汽车废气的排放量，还要通过公式计算才可以得出的问题， 瞬态加载工况法可以实时检测出尾气排放数值，具有最能体现汽车在实际环境巾的 尾气排放状况的优点。不过该方法也有着自身不可避免的缺点，就是在经济上，其 成本偏高，且检测步骤很繁琐。而对双怠速法和a s m 进行比较时，会发现在实际 巾，后者更具有良好的实用性。冈为a s m 不仅可以对尾气叶i 的h c 和c o 浓度进 行检测，还可以检测出n o x 的浓度，这是双怠速法所不具备的。不过在经济上， 双怠速具有臼己的优点，也即是其价格是最低的。具体比较见表2 1 ：三种检测方 法比较所示： 表2 1 检测方法比较 t 曲l e 2 - l1 1 1 e 锄n p 撕s 叽o f m e m ( d s 3 系统设计方案 3 1 系统分析 本课题的尾气检测系统，运用z i g b e e 技术实现对汽车尾气各参数的采集、数 据处理等任务。通过检测这些尾气参数，以确保在尾气检测过程中这些参量在国家 标准要求的环境条件范围内。在确定系统的设计方案前，要对系统涉及到的部分进 行充分的分析。 ( 1 ) 汽车尾气的分析【2 8 】 车辆排放的废气会损害人们的身体健康，给大气环境带来不可忽视的污染。废 气的产生是因为作为汽车燃料的汽油，其本身的主要形成成分分别是元素c 、元素 h 和元素o 。正是由于它在汽车运行时发生化学反应，为汽车的运行提供了动力， 但是，不可避免的就会在此过程中，生成对人体健康有危害的c o 、h c 化合物等， 而汽车排放中产生的二氧化碳( c o z ) 是造成地球温室效应的主要因素。这些有害 成份和污染物将会影响大气环境和人体健康。由于机动车尾气的成份比较复杂，可 以选择其中几种对人体具有比较大伤害、对环境有较大污染的具有代表性的气体进 行监测。本课题在对基于无线传感器网络技术的汽车尾气检测系统的设计中，传感 器的所检测的对象为c o 、温度等参数。 ( 2 ) 检测环境对传感器的要求 由于传感器是在检测制系统r 卜发挥作用，冈此，传感器的性能必须符合以下要 长期稳定性好。因为，检测尾气时，过高的温度会对传感器的使用寿命和稳 定性造成一定的影响，从而对采集的尾气数据有一定的偏差。 能适应系统要求。传感器的性能应该与控制系统相适应，尤其是传感器的长 距离布点、传感器灵敏度的一致性、传感器的响应时间等，这样才能使系统真正做 到快速反应。 优良的性能价格比。由于传感器用量较大，因此，必须要求其价格较低廉， 否则难以推广。 ( 3 ) 对z i g b e e 网络结构的选择 z 适b e e 【3 0 】技术是近年来出现的发展前景相当广阔的技术。该技术应该是在无线 网络技术包含的范围内，它拥有着属于自己优于其他技术的优点。它的设计并不复 杂，而且在经济性能上具有价格低廉的特征。在范围不大，数据传输速率也不高的 需求下，可以损耗很低的进行无线传输。该技术的研发思路，是将其传输的通信覆 盖距离定位于无线标记技术和蓝牙技术中，般都是应用在近距离的无线通信的方 案中。基于8 0 2 1 5 4 的标准，该技术能够支持并实现很多个体积不大的传感器的通 信。以传感器为基础，在其数量相当多的情况下进行设计，由于本身每个传感器件 需求的电源供应也不高，所以，处于不同节点处的传感器再此标准下互相通信( 采 取接力的通信方式) ，最终可以使整个无线网络覆盖范围相当的大。同时，数据传 输的高效率在此设计方案r f l 也能得到体现。另外，一个主节点可以与2 5 4 个子节点 联网，节点可以包括仪器和家庭自动化应用设备。南于z i g b e e 技术具有开放性、 低成本和低功耗等不可忽视的优点，使得他在整个无线的通信区域内具备一定程度 的竞争力。 z i g b e e 具有的优势：低功耗、低成本、低速率、近距离、短时延、高容量、高 安全、免执照频段等，拥有相当广阔的实际应用市场前景。 z 追b e e 与其他的无线技术( 蓝牙，w i f i ) 进行比较可以发现，它更适用于低传 输数据、低功耗的装备。 z i g b e e 标准能够支持3 种主要的臼组织无线网络类型，分别是星型结构、网状 结构和簇状结构。网络巾存在3 种类型的节点：子节点( r f d ) 、路由节点( f f d ) 、主 节点( c o o r d i n 触胁r ) 。可以将传感器设置于子节点处，并分散的布置在检测环境中， 想要实现的功能是对检测对象的检测以及检测数据的发送。路由节点的功能应该是 网络覆盖的范同的扩展。借助于主节点能够与微机相连的功能，可以实现对该主节 点构建的网络中，处于其通信覆盖范围内的各个子节点( 或者是路南节点) 发送过 来的由传感器感应得到的检测信息的控制。 其巾，在星型拓扑结构巾，仅仅拥有一个主节点，多个( r f d ) 子节点。而对 于r f d ，它们可以共同享有通信信道，但是，一定时间内只南一个r f d 节点和f f d 节点通信。该结构能够覆盖的最多即r f d 节点数目虽不多，但是由于无线网络中 r f d 节点的功能简单，各个节点并不要求具有路由的功能，其通信覆盖范丽能满足 测控系统的需要。综合考虑网络的覆盖能力、节点功耗和稳定性等凶素，本系统选 择了星形的拓扑结构。 ( 4 ) 车辆尾气的采样方法 在对汽车或发动机排气的样气进行分析时，正确的采集这些排放气体的方法和 采样系统是关键。只有在采集的样气尽可能反映全部排气的平均状态时，尾气中污 染物的排放量的测量值才会更接近真实值。在测试环境设定为实验室的情况下，当 前世界各个国家主要借助下面两种不同的取样手段对检测对象进行取样。 直接连续( 问隔) 取样法：该取样方法具有简单方便的优点，能够相当广泛 的应用于尾气取样中。是一种借助于采样探头装置，克接对汽车尾气进行取样的办 法。具体的操作步骤就是，结合取样探头和泵，在将前者插入到合适的取样地点处 ( 可以是发动机，也可以是尾气排气管) ，利用后者的帮助将检测对象取样出来。 取样后的气体如果送入的分析仪是连续分析的类型，此时的取样法分析尾气的 状态可以随着汽车状况的实时改变而改变的，具有连续分析的特点。该方法操作简 单，适合于连续观察排气组成的变化，广泛用于怠速、双怠速排放试验和重型车试 验规范的取样。然而直接连续采样法的问题也是比较明显的，主要就是采样管路的 吸附现象会造成测量误差。 定容采样法( c v s ，c o n s t a n tv o l u m es a m p l i n g ) ：该方法是美国制定的一种标 准取样设计，成为1 9 7 2 年之后各国取样设备的规范。其中，日本于1 9 7 3 之后就运 用了该取样方法。1 9 8 0 年后，该取样法也被应用于欧洲。定容采样法其实就是对实 际环境中汽车尾气扩散的直观现象进行的模拟，可以充分利用附近空气实现尾气稀 释的目标。这一过程是持续的过程，所以可以将其定义为连续稀释的取样法。 当前各个国家所拥有的排放法规巾，对轻型车在工况法排放测试循环下所需要 的采样系统进行了规定，要求采用定容的类型。 ( 5 ) 测试方法的选择 当前的汽车测试基本可分为实验室测试和道路测试两种。前者是在实验室的环 境中实现对汽车的检测，检测的前提是事先就要准备好检测所需要的仪器，并且设 定好实验的条件。所以，在此方法下可以进行重复性的实验，实现对尾气的反复检 测。同时由于实验仪器的性能比较好，可以得到高精度的检测数。但是其经济性上 不具有优势，因为它的投入成本较高。后者的检测环境是基于复杂的现实交通环境 和条件，在此前提下对汽车实际排放进行检测的方法。所以，面对多变的交通环境 和不同路况，该方法可以检测出在各种可能存在因素的影响下( 如当时的环境温度 和大气压强等外部条天气条件、行驶时汽车运行状态的改变、以及路况的不同等因 素) ，汽车的实际排放量。它在经济上有着低投入成本的优点，反映出汽车在实际 道路中的废气污染量。 对测试方法的选择上应该具体问题具体分析，确定出合适的方法。本系统的测 试方法在设计思路上更偏向于道路检测的方法，在此方法的基础上，本论文想要设 计出的基于z i g b e e 的汽车尾气检测系统应该属于车载式系统。实时地完成对汽车 尾气进行在线检测和无线传输这一过程，是本系统设计想要最终达成的目标。因而， 要求测试系统应该具有的功能有：能够实时采样、记录和存储等功能，同时为了能 对测试数据进行进一步监测，还应具有对数据进行无线传输等功能。 3 2 设计方案 在对汽车尾气的检测法规和检测方法了解的基础上，对系统进行了全面分析， 最终设计一套基于z i g b e e 无线传感网络技术的汽车尾气在线检测系统。该方案利 用无线通信技术，使得汽车尾气检测可以实现实时抽样检测，在为有关部门能够及 时的制止超标车辆上路，改善城市环境上有着现实意义。 针对汽车尾气无线传感技术中存在的问题，本课题以工程应用研究为目标，需 要注意系统实现的技术细节如下： 第一，模拟信号采集与处理及a 巾转换：借助汽车尾气采样探头，通过传感器 感应检测对象，所产生的模拟信号通常都很小。与此同时，在检测过程中还会一直 有信号干扰冈素的存在。所以，我们必须放大检测信号，同时减小或排除检测巾的 干扰。之后经过处理的模拟信号经a d 转换为数字信号，才是相应的正确的数字量。 第二，检测到的参数数值的计算：检测对象、检测传感器种类的不同，会导致 检测参数特性的不同，它们受外界复杂环境冈素的影响也会不一样。所以，针对不 一样的检测参数，根据其相应的计算公式，再对不同的干扰进行相应的补偿，才会 得到更接近真实的数据。 本系统以尾气参数为监测对象，主要由计算机和z i g b e e 监测网络组成。系统 的总体结构如图3 1 所示。 图3 1系统功能结构图 f i g 3 - 1t h e 柚c t i ss 仉l c n h 七o f 哪t e m ( 1 ) 通过z i g b e e 网络的传感器节点，实现对汽车尾气参数的采集。 ( 2 ) 终端采集节点是连接传感器节点和计算机的桥梁。采集节点担当网络协 调器角色，负责组网和集中监测终端发来的数据，并通过u s b 接口上传至上位机。 每一个传感器节点除了具有数据的采集、处理外，还要具有发送数据的功能，借助 无线射频技术，将信息发送给终端采集节点。 ( 3 ) 上位机不需要安装任何软件，由v i s u a l c + + 编写的串口程序可以实现可视 化管理，便于人机交互。 4 系统的硬件设计和实现 4 1 硬件平台设计 随着个人电脑和单片机性能的不断提高，价格也在不断下降，由于本测试系统 是车载式，考虑到系统的易携带性和易操作性，系统采用的微机为便携式( 笔记本) 微机口c ) ，它具有快速的数据存储、处理功能和良好的用户图形界而，适合系统要 求，但由于p c 机的可扩展性较差，不易于和传感器直接接口，故本论文设计的系 统采采纳的就是主从式的结构，如图4 1 所示， 嚣 、 传感节点 媳 图4 1无线网络硬件平台 f 蟪4 - ln ew i r e l e s sn e 觚o r kh a r d w a r ep l a t f o r m 通过增加一个易于和传感器接口的单片机系统，两者结合起来，充分发挥两种 系统的优点，完成对汽车尾气参数和环境参数的采集和无线传输的要求。为了达到 将操作步骤简化的目标，可以借助于上位机对整个系统进行控制。结合u s b 接口 技术，将采集信息命令发给采集节点，或是接收采集节点传输过来的数据，通过上 位机界面显示出检测结果。这正是系统被称为主从式结构的原由所在。试验时操作 人员只需操作p c 机系统，这对于提高路上试验的安全性是有意义的。 硬件平台主要是包括终端采集节点、传感节点等。为了省掉通信馈线的安装， 该系统采用了z i g b e e 无线通信模块与外界通信，该模块具有低功耗、成本低和组