基于Android智能手機(jī)的太陽能車載空調(diào)預(yù)啟動系統(tǒng)方案①

姜能惠， 倪晉挺， 李 琤

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

節(jié)能減排是國家政策方針的重要一個方面，新型能源的開發(fā)尤其是太陽能技術(shù)的應(yīng)用，得到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。太陽能技術(shù)應(yīng)用于汽車空調(diào)也將從理論初探慢慢地走向成熟。室外泊車時，無論環(huán)境溫度過高或過低，乘用者剛進(jìn)入汽車時的體驗非常不適，嚴(yán)重降低了用戶在泊車結(jié)束重新出發(fā)時的乘坐體驗。而傳統(tǒng)汽車在起動發(fā)動機(jī)后按下空調(diào)按鈕，空調(diào)才開始工作，因此無法實現(xiàn)提前開啟空調(diào)進(jìn)而提前調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度[3]。針對以上情況，提出一種基于Android智能手機(jī)的太陽能車載空調(diào)預(yù)啟動系統(tǒng)方案，提前開啟空調(diào)，調(diào)整車內(nèi)溫度，節(jié)能減排的同時，也提高了人們的用車體驗。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1 太陽能車載空調(diào)預(yù)啟動系統(tǒng)的構(gòu)成

太陽能車載空調(diào)預(yù)啟動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它屬于汽車空調(diào)利用太陽能電池供電的系統(tǒng)，主要由太陽能充電子系統(tǒng)，電源管理子系統(tǒng)，外接WIFI模組和BLE模組的車載Android終端子系統(tǒng)，溫度采樣子系統(tǒng)和受控的空調(diào)控制器組成。采用Android智能手機(jī)作為人機(jī)交互終端，無需專用的、昂貴的專用終端，降低了系統(tǒng)成本，使整個系統(tǒng)更容易被用戶接受，有利于整個系統(tǒng)的推廣安裝[6]。

泊車后，汽車空調(diào)控制器斷開與汽車油電系統(tǒng)的供電和控制連接，轉(zhuǎn)由電源管理子系統(tǒng)供電和車載Android終端子系統(tǒng)提供控制信號。車載Android終端子系統(tǒng)也由電源管理子系統(tǒng)供電，而電源管理子系統(tǒng)的電源來自于太陽能充電子系統(tǒng)提供的電能，溫度采樣子系統(tǒng)由獨立的電池供電。用車時，用車人可以提前通過手機(jī)端應(yīng)用，利用WIFI向車載Android終端發(fā)送開啟空調(diào)的消息，系統(tǒng)接到該消息后，發(fā)送命令開啟太陽能供電的空調(diào)運(yùn)行模式。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 車載Android終端子系統(tǒng)介紹

三星S3C6410芯片是基于32位數(shù)據(jù)總線的ARM1176JZF-S核ARM處理芯片，其處理器穩(wěn)定工作主頻為667MHz。該芯片支持高達(dá)1024×1024分辨率的TFT LCD接口，具有2D圖像支持和3D圖像加速功能，支持MPEG4/H.263/H.264等多種編解碼格式，矩陣鍵盤接口，音頻輸入輸出。除上述功能外，該芯片所支持的USB2.0主機(jī)功能接口，4通道UART接口以及單通道高達(dá)400kb/s的多主I2C接口，可靈活應(yīng)用于對各外圍設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)讀取，尤其適用于具有多種復(fù)雜外設(shè)的應(yīng)用場合[7]。車載Android終端子系統(tǒng)的控制信號鏈路如圖2所示。S3C6410處理器采用來自電源管理子系統(tǒng)5V電源供電，通過I2C接口連接控制BLE藍(lán)牙模組、空調(diào)控制器，通過四線SPI接口連接控制WIFI模組，通過兩路GPIO控制電源管理子系統(tǒng)的繼電器。其中R3、R4是I2C總線所需要的外部上拉電阻。

圖2 車載Android終端子系統(tǒng)的控制信號鏈路圖

2.2 太陽能充電電路

太陽能充電電路使用太陽能電池板作為輸入，使用國產(chǎn)直流-直流電源轉(zhuǎn)換芯片XL4012及其外圍電路作為充電電路的轉(zhuǎn)換器，使用12V蓄電池作為負(fù)載。XL4012內(nèi)部集成功率開關(guān)管，其SW引腳支持高達(dá)300kHz開關(guān)頻率；Vin作為輸入，輸入電壓范圍支持5V36V，最大輸出電流可達(dá)到12A，電路原理圖如圖3所示。其中，太陽能電池板選用兩塊輸出為12V的柔性薄膜電池板串聯(lián)，總電壓24V作為充電電路的輸入，連接XL4012的Vin引腳；Cin使用2200uF/63V耐壓值的電解電容作為主濾波電容，用以濾除輸入端的高壓脈沖信號；C1選用0.01uF/50V的陶瓷電容，用于濾除輸入的高頻噪聲。而XL4012內(nèi)部的功率開關(guān)管、二極管D1(選用SR1630)、電感L(33uH/12A)和輸出濾波電容Cout(2200uF/63V)共同構(gòu)成了典型的DC-DC降壓電路，輸出12V為蓄電池提供充電。陶瓷電容CFF(33nF/50V)，電阻R2，R1通過圖3所示電路接入XL4012的反饋引腳FB，用來控制芯片的輸出電壓，根據(jù)XL4012的芯片手冊，可以得出：輸出電壓=0.8×(1+R2/R1)。

圖3 太陽能充電電路

2.3 電源管理子系統(tǒng)電路

12V蓄電池獲取到來自太陽能充電的電能，并為其它三個子系統(tǒng)供電。如圖4所示，第一部分為空調(diào)控制器提供12V電壓，在蓄電池和空調(diào)控制器的電源輸入之間，由一個繼電器控制電源的通斷，該繼電器的控制信號來自車載Android終端的GPIO邏輯信號；第二部分，通過低壓線性直流轉(zhuǎn)換器，將12V轉(zhuǎn)換為5V，為WIFI模組供電，將WIFI模組供電和Android終端子系統(tǒng)中的其他部分分開，通過Android終端子系統(tǒng)中的另一路GPIO控制5V繼電器模塊，進(jìn)而控制WIFI模組的供電；第三部分，通過另外一路12V轉(zhuǎn)5V的低壓線性直流轉(zhuǎn)換器，直接為Android終端子系統(tǒng)供電。

圖4 電源管理子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

而12V轉(zhuǎn)5V的電路，可參考圖5所示電路。低壓線性直流轉(zhuǎn)換器選用LM7805穩(wěn)壓芯片；該芯片供電電流可高達(dá)1.5A，還具有輸出電壓紋波小，性價比高等特點。圖5所示電路中，C3和C4作為輸入端的濾波電容，濾除輸入電源噪聲；C5和C6作為輸出端的濾波電容，濾除輸出端噪聲；而R10選擇3.9歐姆/10W的功率電阻，分擔(dān)由于輸出電流過大導(dǎo)致的LM7805過熱問題。

圖5 線性穩(wěn)壓控制器(LDO)應(yīng)用電路圖

2.4 溫度采樣子系統(tǒng)電路

溫度采樣子系統(tǒng)包括一個CY8C4247-BLE芯片為核心的BLE模組，連接藍(lán)牙天線，將通過I2C獲取的溫度傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至BLE模組。溫度采樣子系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。該子系統(tǒng)的供電由3.3V電池供電，使用BLE藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)，電阻R5和R6是該子系統(tǒng)中I2C總線必要的外接上拉電阻。賽普拉斯的CY8C4247-BLE藍(lán)牙模塊基于ARM Cortex-M0內(nèi)核，擁有256kb Flash存儲空間，支持超過30m的BLE4.0藍(lán)牙傳輸，內(nèi)置I2C主從硬件模塊，并且支持低功耗睡眠模式，有利于延長電池壽命。系統(tǒng)中的溫度傳感器選用德州儀器的TMP75B-Q1芯片，該芯片支持1.4V至3.6V的供電范圍，并帶有一路I2C接口，方便和主機(jī)連接通信，將數(shù)字化的溫度數(shù)據(jù)直接傳至I2C主機(jī)端。溫度采樣子系統(tǒng)的物理位置獨立于整個系統(tǒng)，可根據(jù)實際應(yīng)用，放置在車內(nèi)的任何適宜的位置。

圖6 溫度采樣子系統(tǒng)電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

無論在行駛還是泊車狀態(tài)下，太陽能充電子系統(tǒng)均持續(xù)為蓄電池充電。車載Android終端子系統(tǒng)除WIFI模組外，始終獲得電源管理子系統(tǒng)的供電，持續(xù)工作，溫度采集子系統(tǒng)采集溫度并通過BLE模組發(fā)送至Android終端。汽車熄火泊車后的系統(tǒng)算法如圖7所示。熄火泊車后，太陽能充電子系統(tǒng)持續(xù)充電，電源管理子系統(tǒng)為車載Android終端持續(xù)供電，溫度采集子系統(tǒng)持續(xù)采集溫度，車載Android終端接入WIFI網(wǎng)絡(luò)，循環(huán)等待用戶遠(yuǎn)程啟動信號。臨用車前20min左右，用戶根據(jù)實際情況判斷是否發(fā)出信息啟動車內(nèi)空調(diào)。如需啟動，用戶通過手機(jī)端應(yīng)用程序向車載Android終端發(fā)出啟動信息和預(yù)設(shè)溫度值。車載Android終端接到信息后，判斷車內(nèi)溫度與預(yù)設(shè)溫度的溫差是否超過了預(yù)設(shè)溫差范圍。如沒有超過，系統(tǒng)不開啟空調(diào)；反之，車載Android終端控制信號1控制閉合繼電器，蓄電池為空調(diào)控制器供電，Android終端利用I2C0控制空調(diào)控制器開啟空調(diào)。在用戶到達(dá)車內(nèi)，汽車點火啟動后，系統(tǒng)結(jié)束空調(diào)控制。

圖7 系統(tǒng)算法圖

4 結(jié) 語

基于Android智能手機(jī)的太陽能車載空調(diào)預(yù)啟動系統(tǒng)的方案，不僅在節(jié)能減排的同時提高用車舒適度，而且為汽車遠(yuǎn)程防盜、車輛狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控等系統(tǒng)的開發(fā)提供了參考價值。未來的研究方向?qū)⒒陲w速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)，圍繞社區(qū)經(jīng)濟(jì)、共享經(jīng)濟(jì)等新興課題，進(jìn)一步完善本系統(tǒng)的研究和應(yīng)用。