基于ZigBee的汽車(chē)輪胎壓力實(shí)時(shí)監測系統設計

道路交通事故是所有國家都面臨的一個(gè)嚴重的問(wèn)題。據美國汽車(chē)工程師學(xué)會(huì )最近的調查顯示，美國每年26萬(wàn)起交通事故是由于輪胎氣壓低或滲漏造成的,而中國高速公路發(fā)生的交通事故中有70%～80%是由爆胎引發(fā)的，因高速行駛中突然爆胎而導致的車(chē)毀人亡事故被列為高速公路意外事故榜首[1]。爆胎已經(jīng)成為高速駕駛中一個(gè)重要的安全隱患。怎樣防止爆胎, 在行駛時(shí)保證標準的胎壓是防止爆胎的關(guān)鍵，于是胎壓監測系統(TPMS)應運而生。胎壓監測系統能夠對輪胎內的溫度和氣壓實(shí)時(shí)地自動(dòng)監測，在輪胎出現危險征兆時(shí)及時(shí)給駕駛員報警，確保行車(chē)安全。
　　ZigBee[2]是最近提出的一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，是為了滿(mǎn)足小型廉價(jià)設備的無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)和控制而制定的。它是基于IEEE802.15.4標準的，可以提供機動(dòng)、靈活的組網(wǎng)方式，用于建立可靠的、高性?xún)r(jià)比的、低功耗的實(shí)時(shí)監測和控制的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，同其他無(wú)線(xiàn)技術(shù)相比，成本更低、耗能更少、傳輸信號穩定可靠，非常適合用于胎壓監測系統。
　　本文主要介紹輪胎壓力監測系統的應用設計和實(shí)現，利用壓力傳感器無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)組成ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現輪胎內部溫度和壓力數據的自動(dòng)采集和傳輸。由于使用了ZigBee技術(shù)，大大降低了系統的成本和功耗，保證了系統的長(cháng)使用壽命。經(jīng)試驗，該系統能夠實(shí)現胎壓實(shí)時(shí)監測及異常報警功能。
1 系統原理及結構
1.1TPMS的工作原理
　　胎壓監測系統TPMS由輪胎壓力傳感器、MCU、射頻收發(fā)器和主機接收器組成。由安裝在輪胎里的傳感器采集內部的溫度和壓力信息，并將其轉換為電信號，經(jīng)A/D轉換后，由射頻收發(fā)器將信息發(fā)送給駕駛廂的主機接收器，駕駛者即可掌握各個(gè)輪胎內部的溫度、壓力狀況。當輪胎內部的氣壓、溫度發(fā)生異常時(shí)，主機接收器就會(huì )通過(guò)報警裝置自動(dòng)報警，提醒駕駛者采取相應的措施，使胎壓保持在正常的運行狀態(tài)，從而保證行車(chē)的安全。
1.2基于ZigBee的胎壓監測系統結構
　　IEEE802.15.4是IEEE確定的低速率無(wú)線(xiàn)個(gè)人域網(wǎng)(PAN)標準，ZigBee建立在IEEE802.15.4標準之上，是一種新型的短距離、低速率無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，它的顯著(zhù)特點(diǎn)就是低成本與低功耗。ZigBee協(xié)議棧體系結構由IEEE802.15.4標準定義了較低的2層：物理層(PHY)和媒體接入控制(MAC)子層，ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò )層(NWK)和應用層(APL)框架的設計。ZigBee協(xié)議[3]支持的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構有3種類(lèi)型: 星型結構、網(wǎng)狀結構以及簇狀結構，其中星型網(wǎng)絡(luò )適合數量少、距離較近的設備聯(lián)網(wǎng)，耗能低。ZigBee網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)分為FFD節點(diǎn)和RFD節點(diǎn)兩類(lèi)，FFD節點(diǎn)是全功能設備，RFD節點(diǎn)是精簡(jiǎn)功能設備。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )的形成，必須由FFD擔任網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器，由協(xié)調器進(jìn)行掃描搜索，發(fā)現一個(gè)未用的最佳信道來(lái)建立網(wǎng)絡(luò ),再讓其他的FFD或是RFD加入這個(gè)網(wǎng)絡(luò )。
　　系統結構圖如圖1所示。根據胎壓監測系統的特點(diǎn)和實(shí)際的需要，本文采用了星型網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，星型網(wǎng)的控制和同步都比較簡(jiǎn)單，可降低監測網(wǎng)絡(luò )群體的總體功耗。系統結構主要由ZigBee傳感器節點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器組成。在星型網(wǎng)絡(luò )中，主機接收器是網(wǎng)絡(luò )核心節點(diǎn)，負責收集和處理各個(gè)傳感器節點(diǎn)數據，并對節點(diǎn)進(jìn)行管理，是一個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器(FFD設備)，4個(gè)傳感器節點(diǎn)作為終端設備，是網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，向網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器發(fā)送數據。

2 總體設計及硬件實(shí)現
2.1 總體設計
　　TPMS的壓力傳感器只能內置在飛轉的車(chē)輪中，不便于隨時(shí)檢修，這就要求內置的無(wú)線(xiàn)通信設備使用的電池壽命長(cháng)(等于或者大于車(chē)胎本身的壽命)、體積小、功耗低，同時(shí)應該克服復雜的環(huán)境和金屬結構對電磁波的屏蔽效應。本文設計中選用CC2430芯片作為控制器和射頻收發(fā)器，它的體積小，很適合安裝于輪胎內部。檢測裝置大多數情況下使系統處于休眠狀態(tài)，當需要時(shí)，激活系統使其工作，以達到省電和延長(cháng)電池壽命的目的。
　　胎壓監測系統主要包含2個(gè)模塊：從機發(fā)射模塊和主機接收模塊。從機發(fā)射模塊安裝于輪胎內部，主要由傳感器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和電源模塊組成，主要用于采集輪胎內部信息和A/D轉換；無(wú)線(xiàn)通信模塊中核心芯片是CC2430，它可以作為處理器來(lái)負責節點(diǎn)的操作，處理采集到的信息；CC2430還是射頻收發(fā)器，負責與主機進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，交換信息并發(fā)送數據；電源模塊一般采用微型電池，如鋰亞電池。主機可以隨時(shí)喚醒從機工作，主要用于接收和顯示從機發(fā)送來(lái)的信息，當數據異常時(shí)報警提醒駕駛員，主機接收模塊主要由無(wú)線(xiàn)通信模塊、液晶顯示及報警模塊和電源模塊組成。
2.2硬件電路設計
　　基于ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)勢和特點(diǎn)，本文利用CC2430芯片的集成射頻功能構建胎壓監測系統，壓力傳感器選用SP12芯片。
2.2.1 CC2430芯片
　　CC2430[4]是Chipcon公司生產(chǎn)的首款符合ZigBee技術(shù)的2.4 GHz射頻系統單芯片，采用直接序列擴頻(DSSS)方式，調制方式是O-QPSK。它延用了以往CC2420芯片的架構，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。它使用1個(gè)8位MCU(8051)，具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數字轉換器(ADC)、定時(shí)器(Timer)、AES128協(xié)同處理器、看門(mén)狗定時(shí)器(Watchdog timer)、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復位電路(Power On Reset)、掉電檢測電路(Brown out detection)，以及21個(gè)可編程I/O引腳。它采用QLP-48封裝，尺寸僅有7 mm×7 mm，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，電流消耗小，當微控制器內核運行在32 MHz時(shí)，RX為27 mA，TX為25 mA，在休眠模式下，電流消耗只有0.9μA，外部中斷或者實(shí)時(shí)時(shí)鐘能喚醒系統；在待機模式下，電流消耗小于0.6μA，外部中斷能喚醒系統。CC2430從休眠模式轉換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性, 特別適合那些要求電池壽命非常長(cháng)的應用。