基于ZigBee的無線胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的設計

　摘要：本文主要提出了基于一種新的無線技術——ZigBee的新型的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）的設計方案。鑒于ZigBee低成本、低功耗等特點，適用于胎壓監(jiān)測系統(tǒng)，目前業(yè)界還沒有出現(xiàn)類似的設計方案。本設計為直接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)，即在車輛輪胎上安裝壓力和溫度傳感器，通過ZigBee無線方式將胎壓的信息傳送給車內顯示模塊，并顯示在液晶顯示屏上。由此可實時監(jiān)測車輛的胎壓情況，并在胎壓異常情況下發(fā)出報警。
引言：
　　隨著商業(yè)用車和家庭用車的日益增多，汽車安全越來越受到人們的重視。美國汽車工程師協(xié)會的調查統(tǒng)計表明，美國每年有26萬起交通事故是由于汽車輪胎氣壓低或滲漏造成的，美國運輸部國家公路交通安全管理委員會（NHTSA）制定的法規(guī)中規(guī)定：2003年11月到2006年10月31日期間，美國新出廠的輕型汽車將逐步引入胎壓監(jiān)測系統(tǒng)（Tire Pressure Monitoring System，TPMS）[1]?？梢?，TPMS的研究和投產勢在必行。TPMS主要用于實時監(jiān)測汽車輪胎溫度和壓力，當壓力和溫度超出或低于標準值范圍時，系統(tǒng)發(fā)出蜂鳴或光報警信號，從而有效的避免交通意外的發(fā)生。
1 ZigBee技術簡介
　　ZigBee是一個簡單的、低成本的網(wǎng)絡通信技術，它應用于一些功率有限和對網(wǎng)絡吞吐量無嚴格要求的設備之間的無線連接。ZigBee能建立一個易于安裝、有可靠的數(shù)據(jù)傳輸、通信距離短、成本低、極好的電池壽命的網(wǎng)絡，并且能保持簡單的和靈活的網(wǎng)絡協(xié)議。其主要技術特點如下：
　　低成本：ZigBee通信模塊的單位成本已經減小到兩美元左右。
　　低功耗：發(fā)射功率為1mw，兩節(jié)普通干電池可以用6個月到兩年。
　　數(shù)據(jù)傳輸率低：ZigBee通信在免費2.4 GHz工業(yè)、科學、醫(yī)學（ISM）的最高傳輸速率為250kbps，適用于報文吞吐量較小的通信應用場合。
　　信道接入方式采用CSMA-CA，能有效地減少了幀沖突。具有高可靠性、良好的安全性和兼容性。
2 TPMS硬件設計
　　TPMS系統(tǒng)采用直接式溫度壓力測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為兩個模塊：遠程感應模塊和接收顯示模塊。遠程感應模塊利用車胎內的溫度壓力傳感器和無線收發(fā)器，把數(shù)據(jù)發(fā)送給車內的接收顯示模塊。直接式系統(tǒng)特點是成本偏高，但監(jiān)測效果較好，精確可靠。
　　2.1 遠程感應模塊：
　　該模塊固定安裝于4個車胎內部，負責數(shù)據(jù)的采集、簡要處理及傳輸。其硬件結構包括壓力溫度傳感器元件、MCU、ZigBee無線通信裝置、天線和供電設備，如圖1所示：

圖1 TPMS遠程感應模塊硬件結構圖
　　傳感器：選用Daytona傳感器，它是一種表面微機械型電容性微機電系統(tǒng)(MEMS)單芯片壓力傳感器，包括壓力變換器、正溫度系數(shù)擴散電阻溫度傳感器和所有必需電路，用以產生一個校準的8bit溫度和壓力數(shù)字輸出。Daytona的特點是專用于TPMS溫度和壓力測量：單片MEMS微機械壓力感應單元；3V工作電壓；低功耗、待機電流600nA；壓力采樣電流1.5mA；溫度采樣電流500uA；4種工作模式靈活運用以求節(jié)電；內置低頻振蕩器，可用于喚醒MCU；8位數(shù)據(jù)輸出：SSOP封裝；介質保護[2]。
　　MUC和ZigBee無線通信裝置：遠程感應模塊通信都是由ZigBee收發(fā)器來實現(xiàn)的。本設計中采用Chipcon公司的ZigBee單芯片CC2430。該芯片集成了8051單片機（MCU）和ZigBee收發(fā)器，具有以下一些特點[3]：
　　16個信道。
　　典型的發(fā)射功率為0dBm。
　　采用DSSS擴頻通信技術，最大速率為250kbps。
　　在分組差錯率為1％的情況下，其接收靈敏度為－94dBm。
　　鄰近信道干擾>30dBm，間隔信道干擾>53dBm。
　　工作溫度為－45oC到125oC。適用于惡劣的工作環(huán)境。
　　供電設備：使用專業(yè)的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)電池，由于ZigBee和Daytona的低功率特點，其可有效供電10年以上。
　　2.2 接收顯示模塊：
　　一般安裝于車內儀表板附近。用于接收和處理遠程感應模塊傳送來的數(shù)據(jù)。該模塊由ZigBee無線接收裝置、天線、液晶顯示裝置、鍵盤和MCU組成，如圖2所示：

圖2 TPMS接收顯示模塊硬件結構圖
　　接收顯示模塊的ZigBee收發(fā)器和MCU同樣采用CC2430來實現(xiàn)的。
　　LED：液晶顯示裝置需要圖形顯示和數(shù)字顯示兩個部分。圖形顯示為車輛的簡化圖，當發(fā)生報警時，可以分別接通該圖中用于表示左前、右前、左后、右后4個車輪的發(fā)光二極管，顯示告警的遠程感應模塊的具體位置，同時數(shù)字顯示部分顯示每個車輪的溫度和壓力的具體數(shù)字信息。并在數(shù)值超出門閾值時，發(fā)出蜂鳴聲告警。
　　鍵盤用于開啟TMPS系統(tǒng)電源、并可對存儲在MCU的RAM中的歷史數(shù)據(jù)進行查詢。
3 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構和協(xié)議
　　ZigBee網(wǎng)絡層（NWK）支持星形、樹形和網(wǎng)狀網(wǎng)拓撲。在本系統(tǒng)中采用星形拓撲結構，即其網(wǎng)絡由一個單獨設備——ZigBee協(xié)調器控制。ZigBee協(xié)調器負責發(fā)起和維護網(wǎng)絡上的設備和所有的其它設備，終端設備直接和ZigBee協(xié)調器通信。位于4個輪胎里的遠程感應模塊為ZigBee終端設備，由簡單功能設備（RFD）組成。位于車內的接收顯示模塊為全功能設備（FFD），作為ZigBee協(xié)調器。當ZigBee協(xié)調器被激活后，它就可以開始建立一個自己的網(wǎng)絡。通過選擇一個PAN標識符可實現(xiàn)其唯一性，即在某個網(wǎng)絡的覆蓋范圍內，該標識符不能被其它網(wǎng)絡所使用。當選定PAN標識符以后，PAN協(xié)調器就可以允許其它設備加入該網(wǎng)絡當中。在本系統(tǒng)中，遠程感應模塊有其唯一的64位IEEE地址，當協(xié)調器掃描到具有匹配的64位擴展地址的設備時，便允許其加入網(wǎng)絡，并進行數(shù)據(jù)傳輸。所有的星形網(wǎng)絡和其它的星形網(wǎng)絡各自獨立運行，就可以避免在車輛行駛中與其它ZigBee設備產生干擾，造成數(shù)據(jù)丟失。
4 軟件設計
　　首先應初始化系統(tǒng)，設置壓力、溫度的門閾值以及遠程感應模塊的設備ID。系統(tǒng)啟動后，接收顯示模塊首先發(fā)送命令幀給遠程感應模塊，喚醒遠程感應模塊的接收器。遠程感應模塊收到命令幀，返回確認幀，以告知車內接收顯示模塊已激活接收機。遠程感應模塊激活后，傳感器首先采集數(shù)據(jù)，傳遞給MCU進行處理，然后通過無線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)傳輸給接收顯示模塊，然后自動轉入休眠狀態(tài)。接收顯示模塊在收到數(shù)據(jù)以后，MCU處理數(shù)據(jù)。通過與標準溫度和壓力數(shù)據(jù)門閾值的比較，判斷是否產生告警，并把處理結果存儲在MCU的RAM中，以供及時查詢。最后將結果顯示于液晶顯示屏上，以供駕駛員觀測。系統(tǒng)每3秒鐘激活一次遠程感應模塊采集數(shù)據(jù)；每30秒遠程感應模塊向接收顯示模塊傳送一次數(shù)據(jù)。
　　系統(tǒng)的軟件設計主要采用嵌入式操作系統(tǒng)，用C語言進行編程和調試。其軟件流程如圖3所示：

圖3 TPMS軟件流程圖
5 系統(tǒng)誤碼率分析
　　ZigBee對于不同的信噪比的可以選用不同的消息傳輸速率，從而有效地降低誤碼率。由于本系統(tǒng)的遠程感應模塊放置于胎內，環(huán)境較為惡劣。運用低比特率、2字節(jié)消息的數(shù)據(jù)傳輸，可以保證較高的可靠性。對于本系統(tǒng)分析所得的消息誤碼率與信噪比的關系見圖4：

圖4 消息誤碼率VS信噪比
小結：
　　通信技術和傳感器技術的迅速發(fā)展，TPMS的結構也隨之不斷的更新，在降低功耗和成本的同時，也需要提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩浴１鞠到y(tǒng)主要是基于ZigBee技術的TPMS，能實時監(jiān)控的車胎內的溫度和壓力，并能可靠地將數(shù)據(jù)發(fā)送到接收端，有效在各個方面提高TPMS的性能，具有一定的創(chuàng)新性，進一步增強了系統(tǒng)的實用價值。