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Zigbee的汽车无线黑匣子实现探究
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2017-10-20
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0 引言
汽车黑匣子又称汽车行驶状态记录系统，主要由汽车行驶状态记录仪、手持读码器和管理计算机组成。记录仪安装于汽车上，实时监测并记录车辆的行驶数据;手持读码器由掌上电脑和应用软件组成，用于控制和操作记录仪的运行及通过RS232串行口对记录仪进行数据读取;管理计算机用于对原始记录数据进行统计、报表、存储及查询。
1 系统原理与结构
1.1 系统介绍
本系统利用MG2455微处理器为核心，基于Zigbee无线射频技术设计了一款汽车无线黑匣子。胎压和胎温的检测通过Zigbee技术与主机通信，该系统包括一装设于轮胎钢圈上的无线监测传送装置及一可供装设在车体驾驶座内的数字接收一显示装置。当胎压和胎温超标时，系统会发出警报。
本系统还具有疲劳驾驶的提示报警功能及记录功能，从而有效遏制司机疲劳行车，保证长途运输行车的安全。
1.2 功能与指标
（1）存储车辆行驶过程中不同时段的操作和状态信息（如温度、胎压等）并在LCD屏上显示出来，存储的频率为30次/小时。
（2）可以任意地设定参考值，指标超过正常范围则报警。
（3）需要使用行车数据时，可通过USB接口直接读取数据至PC或者PDA等个人终端上。USB接口为通用的USB2.0接口。
1.3 实现原理
在以单片机为核心的控制系统中，所有的汽车信号的处理及液晶显示等都通过MG2455单片机来处理完成。胎压、加速度等传感信号经过A/D转换后通过Zigbee无线通信传输给单片机。无线监测传送装置包括：一个压力感应器、一个温度感应器、一个连接压力器的差动放大器、一个连接温度感应器的衰减器，一个接收来自差动放大器的压力信号及来自衰减器的温度信号进行运算处理的微控制器，且通过一个发送器、一个滤波器将信号经共振型天线传输至数字接收显示器，以利驾驶员可随时掌握轮胎压力温度状况。单片机将I/O口接收到的时钟信号、温度信号与无线接收的胎压、加速度信号一起存储在flashROM中并在液晶模块LCD6029上显示出来，当信号超标时系统能主动报警。USB接口通过转换芯片与单片机的串行口相连，可以将系统存储的信息导出至PC机或者PDA等个人终端上。
1.4 硬件框图
本系统从功能上可划分为数据采集部分、数据处理部分、数据存储部分、通讯部分（USB通讯）、显示部分、胎压模块、温度模块、时钟模块。硬件框图如图1所示。
1.5 软件流程
主单片机MG2455在接收到从胎压监测模块、温度模块、时钟模块发送来的数据后，由SPI口传送给控制器，控制器在接收数据的同时还要对该数据进行校验和复杂的算法处理，并对处理后的结果进行判断。若数据超出了预先预定的范围（如超压、超时、超温等），则立即启动报警，通过蜂鸣器提示驾驶员当前存在异常;否则提示汽车运行正常。此外，利用串口实现与电脑之间的通信，便于查询、分析记录的数据，为优化控制算法和分析交通事故提供依据。
系统软件主要完成两方面的功能：1）实现汽车行驶状态的实时检测和记录，检测到故障时报警。2）将记录数据通过RS232口上传到上位机，以便进行日常管理和事故诊断。
程序主要包括：主程序、数字量采集程序、开关量采集程序、脉冲量采集程序、数据存储程序、时钟处理程序、故障处理程序、故障报警程序及串口通信程序等。
主程序流程图如图2所示。
2 系统测试
2.1 测试数据
数据分析结果，胎内每升高1℃，轮胎磨损就增加2%，一般温度不能超过80℃，当温度达95℃，轮胎情况就非常危险。而且气压过高，轮胎帘线过度伸张，胎体弹性降低，刚性增大，单位压力增大，胎冠部接地面积减小，同时磨耗增加，胎面花纹易裂口，行驶中一旦受到障碍物冲击，便会产生内裂或爆破。同时，本系统加有疲劳驾驶（时间监控），所以当轮胎胎压温度超出预设值和驾驶时间超过4个小时时系统发出警报。在传输过程中误差方面，胎压测量精度为±0.5kpa，胎温为±1℃。
2.2 实现功能
（1）它具有时间、日期及驾驶时间的采集、记录、存储功能。能对连续驾驶时间进行记录，由于交通安全法规定驾驶员每行驶4个小时要休息不得少于20分钟，因此它可以对驾驶员的疲劳状态进行监控，一旦发现违例会有报警声响起，同时会把该信息传送到监控中心。（2）车辆行驶时温度，胎压的测量、记录、存储功能：a.温度测量系统是对车的发动机温度进行检测，并进行实时显示，能够对高温的异常情况进行报警，从而提高行车的安全行。b.轮胎压力、温度检测系统的主要功能是对轮胎内部的压力和温度数据进行监测，并进行实时显示，能够对高压、高温、低压的异常情况进行报警，从而提高行车的安全行。c.运行数据存储在大容量串行Flash存储器中，即使掉电，数据也不丢失。d.配置了USB接口，可以用U盘直接读取数据也可以连接到计算机上读取。
3 结论
本系统具有时间、日期及驾驶时间的采集、记录、存储功能;汽车轮胎压力、温度等。
监测系统通过Zigbee无线射频技术与主机实现通信;Flash存储器存储数据，即使掉电，数据也不丢失：配置了USB接口可以用U盘直接读取数据也可以连接到计算机上读取;具有超时（疲劳）报警及记录功能，从而有效遏制司机疲劳行车，保证长途运输行车的安全。
本设计通过测试，系统运行良好，能满足汽车黑匣子的基本使用要求。
汽车黑匣子又称汽车行驶状态记录系统，主要由汽车行驶状态记录仪、手持读码器和管理计算机组成。记录仪安装于汽车上，实时监测并记录车辆的行驶数据;手持读码器由掌上电脑和应用软件组成，用于控制和操作记录仪的运行及通过RS232串行口对记录仪进行数据读取;管理计算机用于对原始记录数据进行统计、报表、存储及查询。
1 系统原理与结构
1.1 系统介绍
本系统利用MG2455微处理器为核心，基于Zigbee无线射频技术设计了一款汽车无线黑匣子。胎压和胎温的检测通过Zigbee技术与主机通信，该系统包括一装设于轮胎钢圈上的无线监测传送装置及一可供装设在车体驾驶座内的数字接收一显示装置。当胎压和胎温超标时，系统会发出警报。
本系统还具有疲劳驾驶的提示报警功能及记录功能，从而有效遏制司机疲劳行车，保证长途运输行车的安全。
1.2 功能与指标
（1）存储车辆行驶过程中不同时段的操作和状态信息（如温度、胎压等）并在LCD屏上显示出来，存储的频率为30次/小时。
（2）可以任意地设定参考值，指标超过正常范围则报警。
（3）需要使用行车数据时，可通过USB接口直接读取数据至PC或者PDA等个人终端上。USB接口为通用的USB2.0接口。
1.3 实现原理
在以单片机为核心的控制系统中，所有的汽车信号的处理及液晶显示等都通过MG2455单片机来处理完成。胎压、加速度等传感信号经过A/D转换后通过Zigbee无线通信传输给单片机。无线监测传送装置包括：一个压力感应器、一个温度感应器、一个连接压力器的差动放大器、一个连接温度感应器的衰减器，一个接收来自差动放大器的压力信号及来自衰减器的温度信号进行运算处理的微控制器，且通过一个发送器、一个滤波器将信号经共振型天线传输至数字接收显示器，以利驾驶员可随时掌握轮胎压力温度状况。单片机将I/O口接收到的时钟信号、温度信号与无线接收的胎压、加速度信号一起存储在flashROM中并在液晶模块LCD6029上显示出来，当信号超标时系统能主动报警。USB接口通过转换芯片与单片机的串行口相连，可以将系统存储的信息导出至PC机或者PDA等个人终端上。
1.4 硬件框图
本系统从功能上可划分为数据采集部分、数据处理部分、数据存储部分、通讯部分（USB通讯）、显示部分、胎压模块、温度模块、时钟模块。硬件框图如图1所示。
1.5 软件流程
主单片机MG2455在接收到从胎压监测模块、温度模块、时钟模块发送来的数据后，由SPI口传送给控制器，控制器在接收数据的同时还要对该数据进行校验和复杂的算法处理，并对处理后的结果进行判断。若数据超出了预先预定的范围（如超压、超时、超温等），则立即启动报警，通过蜂鸣器提示驾驶员当前存在异常;否则提示汽车运行正常。此外，利用串口实现与电脑之间的通信，便于查询、分析记录的数据，为优化控制算法和分析交通事故提供依据。
系统软件主要完成两方面的功能：1）实现汽车行驶状态的实时检测和记录，检测到故障时报警。2）将记录数据通过RS232口上传到上位机，以便进行日常管理和事故诊断。
程序主要包括：主程序、数字量采集程序、开关量采集程序、脉冲量采集程序、数据存储程序、时钟处理程序、故障处理程序、故障报警程序及串口通信程序等。
主程序流程图如图2所示。
2 系统测试
2.1 测试数据
数据分析结果，胎内每升高1℃，轮胎磨损就增加2%，一般温度不能超过80℃，当温度达95℃，轮胎情况就非常危险。而且气压过高，轮胎帘线过度伸张，胎体弹性降低，刚性增大，单位压力增大，胎冠部接地面积减小，同时磨耗增加，胎面花纹易裂口，行驶中一旦受到障碍物冲击，便会产生内裂或爆破。同时，本系统加有疲劳驾驶（时间监控），所以当轮胎胎压温度超出预设值和驾驶时间超过4个小时时系统发出警报。在传输过程中误差方面，胎压测量精度为±0.5kpa，胎温为±1℃。
2.2 实现功能
（1）它具有时间、日期及驾驶时间的采集、记录、存储功能。能对连续驾驶时间进行记录，由于交通安全法规定驾驶员每行驶4个小时要休息不得少于20分钟，因此它可以对驾驶员的疲劳状态进行监控，一旦发现违例会有报警声响起，同时会把该信息传送到监控中心。（2）车辆行驶时温度，胎压的测量、记录、存储功能：a.温度测量系统是对车的发动机温度进行检测，并进行实时显示，能够对高温的异常情况进行报警，从而提高行车的安全行。b.轮胎压力、温度检测系统的主要功能是对轮胎内部的压力和温度数据进行监测，并进行实时显示，能够对高压、高温、低压的异常情况进行报警，从而提高行车的安全行。c.运行数据存储在大容量串行Flash存储器中，即使掉电，数据也不丢失。d.配置了USB接口，可以用U盘直接读取数据也可以连接到计算机上读取。
3 结论
本系统具有时间、日期及驾驶时间的采集、记录、存储功能;汽车轮胎压力、温度等。
监测系统通过Zigbee无线射频技术与主机实现通信;Flash存储器存储数据，即使掉电，数据也不丢失：配置了USB接口可以用U盘直接读取数据也可以连接到计算机上读取;具有超时（疲劳）报警及记录功能，从而有效遏制司机疲劳行车，保证长途运输行车的安全。
本设计通过测试，系统运行良好，能满足汽车黑匣子的基本使用要求。
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