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汽车无线传感器网络的研究与设计

导读: 本文详细介绍了单个无线传感器的硬件设计方案和无线传感网络传输协议,可方便快捷收集大量汽车测试环境中的真实数据。此设计比较灵活,能够使用多种带宽、天线、电源、传感器类型。采用无线传输方式对车辆各部状况进行测试,大大改善了测试设备对真实环境的影响。

  引言

 

  在汽车驾驶和车辆诊断方面一般都会用到射频技术(RF)。按照国际标准的要求,所有车辆的技术应用必须经过详尽的测试,而这些测试都要基于合理的涉及感测数据采集的实证实验。因此在汽车行业,无线传感器网络的发展是伴随着典型传感器和射频设备的发展而发展起来的。对于汽车测试环境,无线传感器有三个方面的优势:第一是体积小,无线传感器不需要电缆端口;第二是节约时间,无线传感器节约了将所有传感器连接到电源和数据线的时间,因此无线传感器可以更快速地展开和轻松地移动,这样一来既提高了感测数据的空间分辨率又改善了传感器网络的故障容差;第三是在驾驶测试期问,连同传感器一起可以安全地塞进驾驶舱的数据线的数量得到了限制。

  本文具体结构如下:第二部分,给出了无线传感器的硬件设计方案;第三部分给出了无线传感器网络以及通信协议;第四部分主要讨论了无线传感器网络的使用周期;最后总结了一下整体设计情况。

 

  1 无线传感器结构硬件设计

 

  1.1 无线传感器结构图

  无线传感器体系结构含有电源单元、感应模块、无线通信模块、微控制器。硬件设计结构如图1所示。

 

  

  图1 无线传感器结构图

 

  1.2 电源单元

  无线传感器通常的工作电压范围为3.0 V~3.6 V。此次电源设计加入了TLFA274稳压器(如图2所示),可转换3 V~40 V的电压,比如通常使用的小型电池或者是汽车电池,给使用者带来了很大的方便。

 

  

  图2 电源模块硬件电路设计

 

  1.3 感应模块

  为了尽量减少电量的消耗,感应模块(如图3所示)在测量之前接通电源,之后立刻关闭(快速的开关切换对器件并没有影响)。

 

  

  图3 感应模块硬件电路设计

 

  1.4 无线通信模块

  由于不同品牌汽车的差异性,造成了射频技术(RF)运行环境的不确定性。无线通讯模块必须满足两个基本的设计标准:第一,多频段通信,选择低功耗的射频(RF)芯片,即433/868/915 MHz频段收发器nRF905和2.4 GHz频段nRF2401收发器;第二,两种可供选择的天线(如图4所示),PCB(简洁、低功耗,但难调节)和外部天线(与PCB相反)。不同射频频段和天线之间具有切换的功能,以保证通信畅通,特别是在引擎舱和驾驶舱之间有厚金属板挡板的车辆中。

 

  

  图4 无线传感器射频天线示意图

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