基于ZigBee的無線胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文主要提出了基于一種新的無線技術(shù)—ZigBee的新型的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）的設(shè)計(jì)方案。鑒于ZigBee低成本、低功耗等特點(diǎn)，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(shè)計(jì)方案。本設(shè)計(jì)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(nèi)顯示模塊，并顯示在液晶顯示屏上。由此可實(shí)時(shí)監(jiān)測車輛的胎壓情況，并在胎壓異常情況下發(fā)出報(bào)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(huì)的調(diào)查統(tǒng)計(jì)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(yùn)輸部國家公路交通安全管理委員會(huì)（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].可見，TPMS的研究和投產(chǎn)勢在必行。TPMS主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測汽車輪胎溫度和壓力，當(dāng)壓力和溫度超出或低于標(biāo)準(zhǔn)值范圍時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出蜂鳴或光報(bào)警信號(hào)，從而有效的避免交通意外的發(fā)生。

1 ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee是一個(gè)簡單的、低成本的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，它應(yīng)用于一些功率有限和對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量無嚴(yán)格要求的設(shè)備之間的無線連接。ZigBee能建立一個(gè)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(luò)，并且能保持簡單的和靈活的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。其主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

低成本：ZigBee通信模塊的單位成本已經(jīng)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(gè)月到兩年。

數(shù)據(jù)傳輸率低：ZigBee通信在免費(fèi)2.4 GHz工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)（ISM）的最高傳輸速率為250kbps,適用于報(bào)文吞吐量較小的通信應(yīng)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(shè)計(jì)

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(gè)模塊：遠(yuǎn)程感應(yīng)模塊和接收顯示模塊。遠(yuǎn)程感應(yīng)模塊利用車胎內(nèi)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(nèi)的接收顯示模塊。直接式系統(tǒng)特點(diǎn)是成本偏高，但監(jiān)測效果較好，精確可靠。

2.1 遠(yuǎn)程感應(yīng)模塊：

該模塊固定安裝于4個(gè)車胎內(nèi)部，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、簡要處理及傳輸。其硬件結(jié)構(gòu)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(shè)備，如圖1所示：

圖1 TPMS遠(yuǎn)程感應(yīng)模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

傳感器：選用Daytona傳感器，它是一種表面微機(jī)械型電容性微機(jī)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(kuò)散電阻溫度傳感器和所有必需電路，用以產(chǎn)生一個(gè)校準(zhǔn)的8bit溫度和壓力數(shù)字輸出。Daytona的特點(diǎn)是專用于TPMS溫度和壓力測量：單片MEMS微機(jī)械壓力感應(yīng)單元；3V工作電壓；低功耗、待機(jī)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(yùn)用以求節(jié)電；內(nèi)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(zhì)保護(hù)[2]。

MUC和ZigBee無線通信裝置：遠(yuǎn)程感應(yīng)模塊通信都是由ZigBee收發(fā)器來實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)中采用Chipcon公司的ZigBee單芯片CC2430.該芯片集成了8051單片機(jī)（MCU）和ZigBee收發(fā)器，具有以下一些特點(diǎn)[3]:

16個(gè)信道。

典型的發(fā)射功率為0dBm。

采用DSSS擴(kuò)頻通信技術(shù)，最大速率為250kbps。

在分組差錯(cuò)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(shè)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(diǎn)，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(nèi)儀表板附近。用于接收和處理遠(yuǎn)程感應(yīng)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(jié)構(gòu)圖

接收顯示模塊的ZigBee收發(fā)器和MCU同樣采用CC2430來實(shí)現(xiàn)的。

LED:液晶顯示裝置需要圖形顯示和數(shù)字顯示兩個(gè)部分。圖形顯示為車輛的簡化圖，當(dāng)發(fā)生報(bào)警時(shí)，可以分別接通該圖中用于表示左前、右前、左后、右后4個(gè)車輪的發(fā)光二極管，顯示告警的遠(yuǎn)程感應(yīng)模塊的具體位置，同時(shí)數(shù)字顯示部分顯示每個(gè)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(shí)，發(fā)出蜂鳴聲告警。

鍵盤用于開啟TMPS系統(tǒng)電源、并可對(duì)存儲(chǔ)在MCU的RAM中的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和協(xié)議

ZigBee網(wǎng)絡(luò)層（NWK）支持星形、樹形和網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)?。在本系統(tǒng)中采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即其網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)單獨(dú)設(shè)備—ZigBee協(xié)調(diào)器控制。ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)發(fā)起和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備和所有的其它設(shè)備，終端設(shè)備直接和ZigBee協(xié)調(diào)器通信。位于4個(gè)輪胎里的遠(yuǎn)程感應(yīng)模塊為ZigBee終端設(shè)備，由簡單功能設(shè)備（RFD）組成。位于車內(nèi)的接收顯示模塊為全功能設(shè)備（FFD），作為ZigBee協(xié)調(diào)器。當(dāng)ZigBee協(xié)調(diào)器被激活后，它就可以開始建立一個(gè)自己的網(wǎng)絡(luò)。通過選擇一個(gè)PAN標(biāo)識(shí)符可實(shí)現(xiàn)其唯一性，即在某個(gè)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍內(nèi)，該標(biāo)識(shí)符不能被其它網(wǎng)絡(luò)所使用。當(dāng)選定PAN標(biāo)識(shí)符以后，PAN協(xié)調(diào)器就可以允許其它設(shè)備加入該網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。在本系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程感應(yīng)模塊有其唯一的64位IEEE地址，當(dāng)協(xié)調(diào)器掃描到具有匹配的64位擴(kuò)展地址的設(shè)備時(shí)，便允許其加入網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。所有的星形網(wǎng)絡(luò)和其它的星形網(wǎng)絡(luò)各自獨(dú)立運(yùn)行，就可以避免在車輛行駛中與其它ZigBee設(shè)備產(chǎn)生干擾，造成數(shù)據(jù)丟失。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

首先應(yīng)初始化系統(tǒng)，設(shè)置壓力、溫度的門閾值以及遠(yuǎn)程感應(yīng)模塊的設(shè)備ID.系統(tǒng)啟動(dòng)后，接收顯示模塊首先發(fā)送命令幀給遠(yuǎn)程感應(yīng)模塊，喚醒遠(yuǎn)程感應(yīng)模塊的接收器。遠(yuǎn)程感應(yīng)模塊收到命令幀，返回確認(rèn)幀，以告知車內(nèi)接收顯示模塊已激活接收機(jī)。遠(yuǎn)程感應(yīng)模塊激活后，傳感器首先采集數(shù)據(jù)，傳遞給MCU進(jìn)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(dòng)轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力數(shù)據(jù)門閾值的比較，判斷是否產(chǎn)生告警，并把處理結(jié)果存儲(chǔ)在MCU的RAM中，以供及時(shí)查詢。最后將結(jié)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(yuǎn)程感應(yīng)模塊采集數(shù)據(jù)；每30秒遠(yuǎn)程感應(yīng)模塊向接收顯示模塊傳送一次數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要采用嵌入式操作系統(tǒng)，用C語言進(jìn)行編程和調(diào)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(duì)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(yuǎn)程感應(yīng)模塊放置于胎內(nèi)，環(huán)境較為惡劣。運(yùn)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(duì)于本系統(tǒng)分析所得的消息誤碼率與信噪比的關(guān)系見圖4:

圖4 消息誤碼率VS信噪比

小結(jié)：

通信技術(shù)和傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，TPMS的結(jié)構(gòu)也隨之不斷的更新，在降低功耗和成本的同時(shí)，也需要提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩?。本系統(tǒng)主要是基于ZigBee技術(shù)的TPMS，能實(shí)時(shí)監(jiān)控的車胎內(nèi)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(gè)方面提高TPMS的性能，具有一定的創(chuàng)新性，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 彭鍇、丁國清。 輪胎智能監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J]. 微計(jì)算機(jī)信息。 2005,21（4）：82-83.

[2] TPMS System And Freescale‘s TPMS Solutions, 2006, 11.

[3] cc2430 Data sheet. 2006. 2006,12.