基于ZigBee技術(shù)的新型TPMS設(shè)計(jì)

汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)(TPMS)是一種能對(duì)汽車輪胎氣壓進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并對(duì)胎壓異常情況進(jìn)行報(bào)警的預(yù)警系統(tǒng)。本文結(jié)合ZigBee技術(shù)的低成本、低功耗、設(shè)備地址唯一等優(yōu)點(diǎn)，將輪胎內(nèi)部安裝的壓力、溫度傳感器組成一個(gè)微型ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計(jì)
ZigBee技術(shù)是新興的一種近距離、低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)速率的無(wú)線通信技術(shù)。它基于IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，主要工作在免授權(quán)的2.4GHz頻段，數(shù)據(jù)速率為20～250Kb/s，最大傳輸范圍在10～75m。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中定義了兩種物理設(shè)備類型:全功能設(shè)備 (FFD)和精簡(jiǎn)功能設(shè)備 (RFD)。其中，F(xiàn)FD支持任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，能和任何設(shè)備通信；RFD不能完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器功能，且只能與FFD通信，兩個(gè)RFD之間不能通信，但它的內(nèi)部電路比FFD少，因此實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，也更利于節(jié)能。

直接式TPMS系統(tǒng)利用安裝在每一個(gè)輪胎里的壓力傳感器來(lái)直接測(cè)量輪胎的氣壓，通過(guò)無(wú)線或者有線的方式將數(shù)據(jù)傳到安裝在駕駛臺(tái)的監(jiān)視器上，監(jiān)視器實(shí)時(shí)顯示各個(gè)輪胎的狀況，一旦出現(xiàn)異常，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警以提醒司機(jī)進(jìn)行及時(shí)處理。本監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)就是一種直接式TPMS系統(tǒng)。

ZigBee監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)原理框圖如圖1所示，該監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)包括四個(gè)輪胎監(jiān)測(cè)器和一個(gè)車載監(jiān)視器。工作原理：四個(gè)輪胎監(jiān)測(cè)器是RFD網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，安裝在輪轂上，能實(shí)時(shí)檢測(cè)輪胎內(nèi)的溫度和壓力值并發(fā)送到車載監(jiān)視器顯示；駕駛員也可以通過(guò)車載監(jiān)視器主動(dòng)訪問(wèn)各個(gè)輪胎的氣壓狀態(tài)。車載監(jiān)視器是FFD設(shè)備，充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，通過(guò)無(wú)線方式接受各輪胎的壓力、溫度和監(jiān)測(cè)器狀態(tài)，并通過(guò)顯示設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示或聲光報(bào)警。由一個(gè)FFD網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和四個(gè)RFD終端節(jié)點(diǎn)共同組成一個(gè)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的微型ZigBee胎壓監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，射頻方式符合IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)原理框圖

監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)硬件方案設(shè)計(jì)
該監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中包括兩種硬件模塊：輪胎監(jiān)測(cè)器和車載監(jiān)視器?；赯igBee技術(shù)的原理和特點(diǎn)，本文以Chipcon公司的系統(tǒng)級(jí)芯片CC2430為核心，設(shè)計(jì)了輪胎監(jiān)測(cè)器和車載監(jiān)視器的硬件電路，如圖2所示。

a) 輪胎監(jiān)測(cè)器

b) 車載監(jiān)視器

圖2 硬件模塊框圖

1 射頻處理芯片選型
射頻處理單元是無(wú)線輪胎監(jiān)測(cè)器模塊的核心部分。由于輪胎監(jiān)測(cè)器安裝在輪轂上，采用能量有限的鋰電池供電，因此射頻處理芯片需具有以下特點(diǎn)：功耗低、體積小、支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)以上特點(diǎn)，并經(jīng)過(guò)分析比較，最終選用了CC2430這款系統(tǒng)級(jí)芯片。CC2430是Chipcon公司生產(chǎn)的2.4GHz射頻芯片，符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率最高250Kb/s，采用具有內(nèi)嵌閃存的0.18μm CMOS標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，休眠模式功耗僅0.9μA，集8051內(nèi)核與無(wú)線收發(fā)模塊于一體，簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)，且尺寸只有7mm×7mm。

2 壓力溫度傳感器選型
汽車輪胎特殊的工作環(huán)境，決定了胎壓監(jiān)測(cè)傳感器的高要求，即低功耗、寬溫區(qū)、寬電源電壓范圍內(nèi)較高的精度和可靠性。本設(shè)計(jì)選用了Infineon公司的硅壓阻式壓力傳感器SP12，其工作電壓1.8～3.6V，具有壓力范圍100～450kPa、溫度范圍-40℃～125℃的測(cè)量能力。

3 車載監(jiān)視器設(shè)計(jì)
如圖2所示，車載監(jiān)視器同樣以CC2430為核心，負(fù)責(zé)射頻數(shù)據(jù)的收發(fā)、顯示和報(bào)警。顯示屏為定制的LCD字符型段碼屏，通過(guò)I/O口模擬I2C與單片機(jī)通信，屏上有左前輪、左后輪、右前輪、右后輪以及溫度超限、氣壓低、氣壓高等可視化圖標(biāo)，再配合蜂鳴器和發(fā)光二極管，非常方便駕駛員對(duì)輪胎運(yùn)行狀態(tài)的掌控。三向鍵作為一個(gè)人機(jī)交互的窗口，可通過(guò)手動(dòng)操作查看特定輪胎的運(yùn)行狀態(tài)，或設(shè)置溫度、氣壓報(bào)警門限值。因?yàn)檐囕d監(jiān)視器采用汽車電源供電，因而低功耗設(shè)計(jì)上的考慮可相對(duì)少一些。

4 電路抗干擾措施
由于是高頻電路，克服器件的相互干擾尤為重要，為保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，建議在電路設(shè)計(jì)中采取以下措施。

● 采用四層PCB，頂層主要走信號(hào)線，頂層下面依次是是地平面層、電源平面層和底層，為防止高頻信號(hào)的輻射和串?dāng)_，應(yīng)盡量縮小信號(hào)回路面積，同時(shí)采用多點(diǎn)接地，降低接地阻抗。

● CC2430芯片底部必須采用少量過(guò)孔與地相連，保證芯片體可靠接地。

● 去耦電容必須盡可能靠近3V和1.8V電源引腳，并且電容接地端通過(guò)過(guò)孔就近接地，去耦電容的充放電作用使集成芯片得到的供電電壓比較平穩(wěn)，減少了電壓振蕩現(xiàn)象。

● 芯片外圍器件的尺寸應(yīng)盡可能的小，建議使用0402規(guī)格的阻容器件。

● 將CC2430和SP12未用的信號(hào)輸入引腳通過(guò)一個(gè)10kΩ電阻上拉到高電平或下拉到低電平，因?yàn)殚_路的輸入端有很高的輸入阻抗，很容易受外界的電磁干擾使懸浮電平有時(shí)處于“1”，有時(shí)處于“1”到“0”的過(guò)渡狀態(tài)，易引起邏輯電路的誤導(dǎo)通。

監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)軟件方案設(shè)計(jì)
對(duì)于胎壓監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計(jì)，有以下三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)需要解決。

1 如何識(shí)別輪胎
為降低數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度，降低功耗，本設(shè)計(jì)沒(méi)有采用IEEE 802.15.4規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)幀格式，而是對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化，如表1所示。在胎壓監(jiān)測(cè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，四個(gè)輪胎監(jiān)測(cè)器的地址分別為0x01、0x02、0x03、0x04，車載監(jiān)視器的地址設(shè)為0x88。當(dāng)車載監(jiān)視器接收到一幀數(shù)據(jù)后，只需根據(jù)源地址域的內(nèi)容即可判斷是哪一個(gè)輪胎的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

2 避免發(fā)送沖突
IEEE 802.15.4介質(zhì)訪問(wèn)控制層協(xié)議規(guī)定采用CSMA/CA競(jìng)爭(zhēng)性接入方式以避免訪問(wèn)沖突。而CSMA/CA方式會(huì)使得大多數(shù)目的地址不符的節(jié)點(diǎn)由于接收信標(biāo)幀造成無(wú)謂的能耗。為此，采用了一種基于素?cái)?shù)的動(dòng)態(tài)時(shí)延算法，上電后各輪胎監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)先采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集完成后按素?cái)?shù)進(jìn)行延時(shí)，延時(shí)一到再把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，發(fā)送完關(guān)閉無(wú)線收發(fā)器，開始新一輪數(shù)據(jù)采集。例如，地址為0x01的輪胎監(jiān)測(cè)器延時(shí)按150ms×N1（N1=2，19）周期變化。四個(gè)輪胎N1、N2、N3、N4分別取不同的素?cái)?shù)，這種基于素?cái)?shù)動(dòng)態(tài)延時(shí)的算法既能有效避免各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送沖突，又能降低能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。

3 如何節(jié)能
一個(gè)輪胎監(jiān)測(cè)器節(jié)點(diǎn)要在一節(jié)鋰電池下工作2～5年。射頻發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)耗電最大，因此在保證數(shù)據(jù)傳輸正確的前提下應(yīng)盡量減少發(fā)送次數(shù)。監(jiān)測(cè)器節(jié)點(diǎn)上電初始化之后就開始數(shù)據(jù)采集，把測(cè)量的數(shù)據(jù)與設(shè)定閥值相比較，如果超過(guò)或低于設(shè)定值就立刻進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，反之計(jì)數(shù)器減1，采取測(cè)量10次（約60s）上傳一次數(shù)據(jù)。這樣既能降低功耗又能及時(shí)應(yīng)對(duì)輪胎壓力和溫度的異常變化。數(shù)據(jù)包發(fā)送控制算法流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)包發(fā)送控制流程圖

性能測(cè)試
根據(jù)上述方案設(shè)計(jì)了一套測(cè)試用樣品，包括四個(gè)輪胎監(jiān)測(cè)器和一個(gè)車載監(jiān)視器。將四個(gè)輪胎監(jiān)測(cè)器放在同一個(gè)輪胎中，進(jìn)行充放氣實(shí)驗(yàn)。當(dāng)氣壓值從正常到低壓或高壓時(shí)，車載監(jiān)視器能夠準(zhǔn)確顯示氣壓值，氣壓低或氣壓高時(shí)LCD屏對(duì)應(yīng)狀態(tài)圖標(biāo)閃動(dòng)，蜂鳴器同時(shí)發(fā)出報(bào)警，經(jīng)反復(fù)測(cè)試得出具體性能指標(biāo)如下。

● 可監(jiān)測(cè)胎壓范圍為100～450kPa，精度1.4kPa，通常轎車的輪胎氣壓在220～280kPa之間。

● 可監(jiān)測(cè)溫度范圍為-40℃～125℃，轎車的輪胎溫度一般在75℃左右。

● 利用SmartRF評(píng)估平臺(tái)測(cè)得室內(nèi)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸速率最大約250Kb/s。

● 監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的工作壽命可達(dá)到2年以上。由于數(shù)據(jù)在收發(fā)的時(shí)候功耗最大（可達(dá)到10mA以上），為使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作壽命達(dá)到2年以上，一方面在體積允許的條件下選用了較大容量的鋰電池（1700mA·h），另一方面通過(guò)提高動(dòng)態(tài)時(shí)延的基數(shù)值以減小數(shù)據(jù)收發(fā)的時(shí)間和頻率。

結(jié)束語(yǔ)
本文提出一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的TPMS設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)不僅成本低廉而且性能安全可靠。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，該TPMS系統(tǒng)在低功耗、氣壓異常報(bào)警等各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)配有直觀的操作界面方面用戶使用。

本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處在于實(shí)現(xiàn)了輪胎識(shí)別的唯一性，采用一種基于素?cái)?shù)的動(dòng)態(tài)時(shí)延算法有效解決了發(fā)送數(shù)據(jù)的沖突，提出的節(jié)能算法既實(shí)現(xiàn)了功耗控制又兼顧了數(shù)據(jù)發(fā)送的實(shí)時(shí)性。