基于Android智能手机的太阳能车载空调预启动系统方案①

姜能惠， 倪晋挺， 李 琤

(安徽机电职业技术学院汽车工程系，安徽 芜湖 241000)

0 引 言

节能减排是国家政策方针的重要一个方面，新型能源的开发尤其是太阳能技术的应用，得到广泛的关注和应用。太阳能技术应用于汽车空调也将从理论初探慢慢地走向成熟。室外泊车时，无论环境温度过高或过低，乘用者刚进入汽车时的体验非常不适，严重降低了用户在泊车结束重新出发时的乘坐体验。而传统汽车在起动发动机后按下空调按钮，空调才开始工作，因此无法实现提前开启空调进而提前调节车内温度[3]。针对以上情况，提出一种基于Android智能手机的太阳能车载空调预启动系统方案，提前开启空调，调整车内温度，节能减排的同时，也提高了人们的用车体验。

图1 系统结构框图

1 太阳能车载空调预启动系统的构成

太阳能车载空调预启动系统结构框图如图1所示，它属于汽车空调利用太阳能电池供电的系统，主要由太阳能充电子系统，电源管理子系统，外接WIFI模组和BLE模组的车载Android终端子系统，温度采样子系统和受控的空调控制器组成。采用Android智能手机作为人机交互终端，无需专用的、昂贵的专用终端，降低了系统成本，使整个系统更容易被用户接受，有利于整个系统的推广安装[6]。

泊车后，汽车空调控制器断开与汽车油电系统的供电和控制连接，转由电源管理子系统供电和车载Android终端子系统提供控制信号。车载Android终端子系统也由电源管理子系统供电，而电源管理子系统的电源来自于太阳能充电子系统提供的电能，温度采样子系统由独立的电池供电。用车时，用车人可以提前通过手机端应用，利用WIFI向车载Android终端发送开启空调的消息，系统接到该消息后，发送命令开启太阳能供电的空调运行模式。

2 系统硬件设计

2.1 车载Android终端子系统介绍

三星S3C6410芯片是基于32位数据总线的ARM1176JZF-S核ARM处理芯片，其处理器稳定工作主频为667MHz。该芯片支持高达1024×1024分辨率的TFT LCD接口，具有2D图像支持和3D图像加速功能，支持MPEG4/H.263/H.264等多种编解码格式，矩阵键盘接口，音频输入输出。除上述功能外，该芯片所支持的USB2.0主机功能接口，4通道UART接口以及单通道高达400kb/s的多主I2C接口，可灵活应用于对各外围设备的控制和数据读取，尤其适用于具有多种复杂外设的应用场合[7]。车载Android终端子系统的控制信号链路如图2所示。S3C6410处理器采用来自电源管理子系统5V电源供电，通过I2C接口连接控制BLE蓝牙模组、空调控制器，通过四线SPI接口连接控制WIFI模组，通过两路GPIO控制电源管理子系统的继电器。其中R3、R4是I2C总线所需要的外部上拉电阻。

图2 车载Android终端子系统的控制信号链路图

2.2 太阳能充电电路

太阳能充电电路使用太阳能电池板作为输入，使用国产直流-直流电源转换芯片XL4012及其外围电路作为充电电路的转换器，使用12V蓄电池作为负载。XL4012内部集成功率开关管，其SW引脚支持高达300kHz开关频率；Vin作为输入，输入电压范围支持5V36V，最大输出电流可达到12A，电路原理图如图3所示。其中，太阳能电池板选用两块输出为12V的柔性薄膜电池板串联，总电压24V作为充电电路的输入，连接XL4012的Vin引脚；Cin使用2200uF/63V耐压值的电解电容作为主滤波电容，用以滤除输入端的高压脉冲信号；C1选用0.01uF/50V的陶瓷电容，用于滤除输入的高频噪声。而XL4012内部的功率开关管、二极管D1(选用SR1630)、电感L(33uH/12A)和输出滤波电容Cout(2200uF/63V)共同构成了典型的DC-DC降压电路，输出12V为蓄电池提供充电。陶瓷电容CFF(33nF/50V)，电阻R2，R1通过图3所示电路接入XL4012的反馈引脚FB，用来控制芯片的输出电压，根据XL4012的芯片手册，可以得出：输出电压=0.8×(1+R2/R1)。

图3 太阳能充电电路

2.3 电源管理子系统电路

12V蓄电池获取到来自太阳能充电的电能，并为其它三个子系统供电。如图4所示，第一部分为空调控制器提供12V电压，在蓄电池和空调控制器的电源输入之间，由一个继电器控制电源的通断，该继电器的控制信号来自车载Android终端的GPIO逻辑信号；第二部分，通过低压线性直流转换器，将12V转换为5V，为WIFI模组供电，将WIFI模组供电和Android终端子系统中的其他部分分开，通过Android终端子系统中的另一路GPIO控制5V继电器模块，进而控制WIFI模组的供电；第三部分，通过另外一路12V转5V的低压线性直流转换器，直接为Android终端子系统供电。

图4 电源管理子系统结构框图

而12V转5V的电路，可参考图5所示电路。低压线性直流转换器选用LM7805稳压芯片；该芯片供电电流可高达1.5A，还具有输出电压纹波小，性价比高等特点。图5所示电路中，C3和C4作为输入端的滤波电容，滤除输入电源噪声；C5和C6作为输出端的滤波电容，滤除输出端噪声；而R10选择3.9欧姆/10W的功率电阻，分担由于输出电流过大导致的LM7805过热问题。

图5 线性稳压控制器(LDO)应用电路图

2.4 温度采样子系统电路

温度采样子系统包括一个CY8C4247-BLE芯片为核心的BLE模组，连接蓝牙天线，将通过I2C获取的温度传感器数据发送至BLE模组。温度采样子系统电路结构如图6所示。该子系统的供电由3.3V电池供电，使用BLE蓝牙传输数据，电阻R5和R6是该子系统中I2C总线必要的外接上拉电阻。赛普拉斯的CY8C4247-BLE蓝牙模块基于ARM Cortex-M0内核，拥有256kb Flash存储空间，支持超过30m的BLE4.0蓝牙传输，内置I2C主从硬件模块，并且支持低功耗睡眠模式，有利于延长电池寿命。系统中的温度传感器选用德州仪器的TMP75B-Q1芯片，该芯片支持1.4V至3.6V的供电范围，并带有一路I2C接口，方便和主机连接通信，将数字化的温度数据直接传至I2C主机端。温度采样子系统的物理位置独立于整个系统，可根据实际应用，放置在车内的任何适宜的位置。

图6 温度采样子系统电路图

3 系统软件设计

无论在行驶还是泊车状态下，太阳能充电子系统均持续为蓄电池充电。车载Android终端子系统除WIFI模组外，始终获得电源管理子系统的供电，持续工作，温度采集子系统采集温度并通过BLE模组发送至Android终端。汽车熄火泊车后的系统算法如图7所示。熄火泊车后，太阳能充电子系统持续充电，电源管理子系统为车载Android终端持续供电，温度采集子系统持续采集温度，车载Android终端接入WIFI网络，循环等待用户远程启动信号。临用车前20min左右，用户根据实际情况判断是否发出信息启动车内空调。如需启动，用户通过手机端应用程序向车载Android终端发出启动信息和预设温度值。车载Android终端接到信息后，判断车内温度与预设温度的温差是否超过了预设温差范围。如没有超过，系统不开启空调；反之，车载Android终端控制信号1控制闭合继电器，蓄电池为空调控制器供电，Android终端利用I2C0控制空调控制器开启空调。在用户到达车内，汽车点火启动后，系统结束空调控制。

图7 系统算法图

4 结 语

基于Android智能手机的太阳能车载空调预启动系统的方案，不仅在节能减排的同时提高用车舒适度，而且为汽车远程防盗、车辆状态远程监控等系统的开发提供了参考价值。未来的研究方向将基于飞速发展的物联网新技术，围绕社区经济、共享经济等新兴课题，进一步完善本系统的研究和应用。