基于ZigBee技術(shù)的新型TPMS設(shè)計

汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)(TPMS)是一種能對汽車輪胎氣壓進行自動檢測，并對胎壓異常情況進行報警的預警系統(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，將輪胎內(nèi)部安裝的壓力、溫度傳感器組成一個微型ZigBee網(wǎng)絡。

監(jiān)測網(wǎng)絡總體設(shè)計
ZigBee技術(shù)是新興的一種近距離、低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)速率的無線通信技術(shù)。它基于IEEE 802.15.4協(xié)議標準，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)絡中定義了兩種物理設(shè)備類型:全功能設(shè)備 (FFD)和精簡功能設(shè)備 (RFD)。其中，F(xiàn)FD支持任何拓撲結(jié)構(gòu)，可以充當網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，能和任何設(shè)備通信；RFD不能完成網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器功能，且只能與FFD通信，兩個RFD之間不能通信，但它的內(nèi)部電路比FFD少，因此實現(xiàn)相對簡單，也更利于節(jié)能。

直接式TPMS系統(tǒng)利用安裝在每一個輪胎里的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，通過無線或者有線的方式將數(shù)據(jù)傳到安裝在駕駛臺的監(jiān)視器上，監(jiān)視器實時顯示各個輪胎的狀況，一旦出現(xiàn)異常，系統(tǒng)就會自動報警以提醒司機進行及時處理。本監(jiān)測網(wǎng)絡就是一種直接式TPMS系統(tǒng)。

ZigBee監(jiān)測網(wǎng)絡原理框圖如圖1所示，該監(jiān)測網(wǎng)絡包括四個輪胎監(jiān)測器和一個車載監(jiān)視器。工作原理：四個輪胎監(jiān)測器是RFD網(wǎng)絡節(jié)點，安裝在輪轂上，能實時檢測輪胎內(nèi)的溫度和壓力值并發(fā)送到車載監(jiān)視器顯示；駕駛員也可以通過車載監(jiān)視器主動訪問各個輪胎的氣壓狀態(tài)。車載監(jiān)視器是FFD設(shè)備，充當網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，通過無線方式接受各輪胎的壓力、溫度和監(jiān)測器狀態(tài)，并通過顯示設(shè)備進行實時顯示或聲光報警。由一個FFD網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器和四個RFD終端節(jié)點共同組成一個星型拓撲結(jié)構(gòu)的微型ZigBee胎壓監(jiān)測網(wǎng)絡，射頻方式符合IEEE 802.15.4協(xié)議標準。

圖1 監(jiān)測網(wǎng)絡原理框圖

監(jiān)測網(wǎng)絡硬件方案設(shè)計
該監(jiān)測網(wǎng)絡中包括兩種硬件模塊：輪胎監(jiān)測器和車載監(jiān)視器。基于ZigBee技術(shù)的原理和特點，本文以Chipcon公司的系統(tǒng)級芯片CC2430為核心，設(shè)計了輪胎監(jiān)測器和車載監(jiān)視器的硬件電路，如圖2所示。

a) 輪胎監(jiān)測器

b) 車載監(jiān)視器

圖2 硬件模塊框圖

1 射頻處理芯片選型
射頻處理單元是無線輪胎監(jiān)測器模塊的核心部分。由于輪胎監(jiān)測器安裝在輪轂上，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：功耗低、體積小、支持IEEE 802.15.4標準。

根據(jù)以上特點，并經(jīng)過分析比較，最終選用了CC2430這款系統(tǒng)級芯片。CC2430是Chipcon公司生產(chǎn)的2.4GHz射頻芯片，符合IEEE 802.15.4標準，傳輸速率最高250Kb/s，采用具有內(nèi)嵌閃存的0.18μm CMOS標準技術(shù)，休眠模式功耗僅0.9μA，集8051內(nèi)核與無線收發(fā)模塊于一體，簡化了電路的設(shè)計，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℃的測量能力。

3 車載監(jiān)視器設(shè)計
如圖2所示，車載監(jiān)視器同樣以CC2430為核心，負責射頻數(shù)據(jù)的收發(fā)、顯示和報警。顯示屏為定制的LCD字符型段碼屏，通過I/O口模擬I2C與單片機通信，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，再配合蜂鳴器和發(fā)光二極管，非常方便駕駛員對輪胎運行狀態(tài)的掌控。三向鍵作為一個人機交互的窗口，可通過手動操作查看特定輪胎的運行狀態(tài)，或設(shè)置溫度、氣壓報警門限值。因為車載監(jiān)視器采用汽車電源供電，因而低功耗設(shè)計上的考慮可相對少一些。

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)長期穩(wěn)定、可靠的運行，建議在電路設(shè)計中采取以下措施。

● 采用四層PCB，頂層主要走信號線，頂層下面依次是是地平面層、電源平面層和底層，為防止高頻信號的輻射和串擾，應盡量縮小信號回路面積，同時采用多點接地，降低接地阻抗。

● CC2430芯片底部必須采用少量過孔與地相連，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過孔就近接地，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未用的信號輸入引腳通過一個10kΩ電阻上拉到高電平或下拉到低電平，因為開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處于“1”，有時處于“1”到“0”的過渡狀態(tài)，易引起邏輯電路的誤導通。

監(jiān)測網(wǎng)絡軟件方案設(shè)計
對于胎壓監(jiān)測網(wǎng)絡的軟件設(shè)計，有以下三個關(guān)鍵技術(shù)需要解決。

1 如何識別輪胎
為降低數(shù)據(jù)幀的長度，降低功耗，本設(shè)計沒有采用IEEE 802.15.4規(guī)定的標準幀格式，而是對其進行了簡化，如表1所示。在胎壓監(jiān)測ZigBee網(wǎng)絡中，四個輪胎監(jiān)測器的地址分別為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輪胎的檢測數(shù)據(jù)。

2 避免發(fā)送沖突
IEEE 802.15.4介質(zhì)訪問控制層協(xié)議規(guī)定采用CSMA/CA競爭性接入方式以避免訪問沖突。而CSMA/CA方式會使得大多數(shù)目的地址不符的節(jié)點由于接收信標幀造成無謂的能耗。為此，采用了一種基于素數(shù)的動態(tài)時延算法，上電后各輪胎監(jiān)測節(jié)點先采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集完成后按素數(shù)進行延時，延時一到再把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，發(fā)送完關(guān)閉無線收發(fā)器，開始新一輪數(shù)據(jù)采集。例如，地址為0x01的輪胎監(jiān)測器延時按150ms×N1（N1=2，19）周期變化。四個輪胎N1、N2、N3、N4分別取不同的素數(shù)，這種基于素數(shù)動態(tài)延時的算法既能有效避免各監(jiān)測節(jié)點發(fā)送沖突，又能降低能耗，延長網(wǎng)絡壽命。

3 如何節(jié)能
一個輪胎監(jiān)測器節(jié)點要在一節(jié)鋰電池下工作2～5年。射頻發(fā)送數(shù)據(jù)幀時耗電最大，因此在保證數(shù)據(jù)傳輸正確的前提下應盡量減少發(fā)送次數(shù)。監(jiān)測器節(jié)點上電初始化之后就開始數(shù)據(jù)采集，把測量的數(shù)據(jù)與設(shè)定閥值相比較，如果超過或低于設(shè)定值就立刻進行數(shù)據(jù)發(fā)送，反之計數(shù)器減1，采取測量10次（約60s）上傳一次數(shù)據(jù)。這樣既能降低功耗又能及時應對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

性能測試
根據(jù)上述方案設(shè)計了一套測試用樣品，包括四個輪胎監(jiān)測器和一個車載監(jiān)視器。將四個輪胎監(jiān)測器放在同一個輪胎中，進行充放氣實驗。當氣壓值從正常到低壓或高壓時，車載監(jiān)視器能夠準確顯示氣壓值，氣壓低或氣壓高時LCD屏對應狀態(tài)圖標閃動，蜂鳴器同時發(fā)出報警，經(jīng)反復測試得出具體性能指標如下。

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

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

● 利用SmartRF評估平臺測得室內(nèi)點對點數(shù)據(jù)傳輸速率最大約250Kb/s。

● 監(jiān)測網(wǎng)絡的工作壽命可達到2年以上。由于數(shù)據(jù)在收發(fā)的時候功耗最大（可達到10mA以上），為使整個網(wǎng)絡的工作壽命達到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），另一方面通過提高動態(tài)時延的基數(shù)值以減小數(shù)據(jù)收發(fā)的時間和頻率。

結(jié)束語
本文提出一種基于ZigBee網(wǎng)絡的TPMS設(shè)計方案。該系統(tǒng)不僅成本低廉而且性能安全可靠。經(jīng)實際測試，該TPMS系統(tǒng)在低功耗、氣壓異常報警等各項性能指標均達到設(shè)計要求，同時配有直觀的操作界面方面用戶使用。

本設(shè)計的創(chuàng)新之處在于實現(xiàn)了輪胎識別的唯一性，采用一種基于素數(shù)的動態(tài)時延算法有效解決了發(fā)送數(shù)據(jù)的沖突，提出的節(jié)能算法既實現(xiàn)了功耗控制又兼顧了數(shù)據(jù)發(fā)送的實時性。