Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )在汽車(chē)輪胎壓力監測中的應用

1 Zigbee技術(shù)概述

Zigbee技術(shù)是一種近距離、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)，主要適合于自動(dòng)控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設備中，同時(shí)支持地理定位功能。一般而言， 隨著(zhù)通信距離的增大，設備的復雜度、功耗以及系統成本都在增加。相對于現有的各種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，Zigbee技術(shù)將是最低功耗和成本的技術(shù)。同時(shí)基于Zigbee技術(shù)的低數據速率和通信范圍較小的特點(diǎn)，也決定了Zigbee技術(shù)適合于承載數據流量較小的業(yè)務(wù)。Zigbee技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有：省 電、可靠、成本低、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò )容量大、安全。

Zigbee是一組基于IEEE批準通過(guò)的802．15．4無(wú)線(xiàn)標準研制開(kāi)發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術(shù)標準。它不僅只是802．15．4的名字。IEEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，Zigbee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議和API 進(jìn)行了標準化。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個(gè)設備的基本節點(diǎn)的4K字節或者作為Hub或路由器的協(xié)調器的32 K 字節。每個(gè)協(xié)調器可連接多達255個(gè)節點(diǎn)，而幾個(gè)協(xié)調器則可形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò )，對路由傳輸的數目則沒(méi)有限制。Zigb ee 聯(lián)盟還開(kāi)發(fā)了安全層，以保證這種便攜設備不會(huì )意外泄漏其標識，而且這種利用網(wǎng)絡(luò )的遠距離傳輸不會(huì )被其它節點(diǎn)獲得。

完整的Zigbee協(xié)議套件由高層應用規范、應用會(huì )聚層、網(wǎng)絡(luò )層、數據鏈路層和物理層組成。網(wǎng)絡(luò )層以上協(xié)議由Zi gbee 聯(lián)盟制定，IEEE802．15．4負責物理層和鏈路層標準。圖1所示為Zigbee協(xié)議架構。

2 Zigbee在汽車(chē)輪胎壓力監測系統中的應用

目前高速公路的車(chē)輛交通事故日益增多，很大部分是由于輪胎的氣壓過(guò)高或過(guò)低導致輪胎爆胎引起的。輪胎壓力監測系統全天候對輪胎里的壓力進(jìn)行監測，對輪胎的漏氣和低壓、高壓進(jìn)行監測和報警，使車(chē)輛始終處于安全運行狀態(tài)。盡量避免因輪胎氣壓所導致的交通事故。

Zigbee主要應用在距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間，典型的傳輸數據類(lèi)型有周期性數據、 間歇性數據和低反應時(shí)間數據。根據設想，它的應用目標主要是：工業(yè)控制( 如自動(dòng)控制設備、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò ))，汽車(chē)無(wú)線(xiàn)監測( 如輪胎氣壓、溫度等)，醫護( 如監視和傳感) ，家庭智能控制( 如照明、水電氣計量及報警)，消費類(lèi)電子設備的遙控裝置、PC外設的無(wú)線(xiàn)連接等領(lǐng)域。

2．1 系統組成及原理

輪胎壓力監測系統由輪胎壓力傳感器、控制器、射頻發(fā)射器和接收機組成。輪胎壓力傳感器由摩托羅拉公司開(kāi)發(fā)的集成電容式壓力傳感器MPXY8020A作為胎壓檢測單元，具有低功耗和全集成的特點(diǎn)。采用Zigbee模塊CC2430作為信號控制處理與發(fā)射接收單元。

裝在每一個(gè)車(chē)輪胎里的壓力傳感器將輪胎里的壓力、溫度信息經(jīng)射頻發(fā)射器將輪胎壓力、溫度等信息從輪胎內部傳送給駕駛室里的接收器模塊，能夠讓駕駛員在汽車(chē)運行時(shí)了解到輪胎的工作情況，檢測輪胎的氣壓、溫度是否正常，并進(jìn)行異常報警，確保安全。智能輪胎與汽車(chē)儀表盤(pán)上一個(gè)接受器及顯示器配合，即構成一個(gè)輪胎壓力器監測系 統( TP MS) 。

2．2 CC2430在汽車(chē)檢測系統的應用

發(fā)射接收、數據處理元件以CC2430為核心的輪胎壓力檢測系統的原理結構如圖2所示。

1 ) 傳感器數據的處理。裝在每一個(gè)車(chē)輪胎里( 4 個(gè)輪在車(chē)上，1個(gè)備用輪) 的壓力傳感器( Motorola器件號MP XY8020A)是電容型 ME MS壓力傳感器，專(zhuān)用于滿(mǎn)足TP MS在溫度和壓力媒介兼容方面的要求。它是一個(gè)單體壓力和溫度傳感器，并具備電源管理和數字輸出功能。

2 ) 輪胎數據發(fā)射。為了保證在惡劣的環(huán)境下收發(fā)數據的可靠性，以及根據本應用信息量小、數據簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，采用信息冗余的方法來(lái)保證數據可靠地接收，即連續發(fā)送相同內容的信息。數據的發(fā)送處理，這里采用CC2430模塊。

3 ) 輪胎數據接收。為了降低功率，節約電池的電能，在駕駛室數據處理器中安裝有加速度傳感器，一旦車(chē)輛啟動(dòng)，就激活各輪胎中的壓力檢測發(fā)射電路，車(chē)輛停止，輪胎中電路進(jìn)入睡眠模式。

4 ) 輪胎壓力顯示、報警。根據輪胎類(lèi)型、季節， 可在駕駛室控制器中設置輪胎壓力、溫度數據?？刂破髟谲?chē)輛運行時(shí)連續接收輪胎數據，并進(jìn)行數據分析、保存、顯示。如果出現異常，報警提示駕駛員。存儲在FLASH中的數據可供事后分析事故使用。

2．3 CC2430模塊

CC2430芯片以強大的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境作為支持，內部線(xiàn)路的交互式調試以遵從IDE的IAR工業(yè)標準為支持，得到嵌入式機構很高的認可。它結合Chipcon公司全球先進(jìn)的Zigbee協(xié)議棧、工具包和參考設計，展示了領(lǐng)先的Zigbee解決方案。其產(chǎn)品廣泛應用于汽車(chē)、工控系統和無(wú)線(xiàn)感應網(wǎng)絡(luò )等領(lǐng)域， 同時(shí)也適用Zigbee之外2．4 G Hz 頻率的其他設備。

1 ) CC2430芯片的主要特點(diǎn)：高性能和低功耗的8051微控制器核：集成符合IEEE802．15．4標準的2．4GHz的RF無(wú)線(xiàn)電收發(fā)機；優(yōu)良的無(wú)線(xiàn)接收靈敏度和強大的抗干擾性；在休眠模式時(shí)僅0．9的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統；在待機模式時(shí)少于0．6的流耗，外部的中斷能喚醒系統；硬件支持cSMCA功能；較寬的電壓范圍(2．0～ 3．6V)；數字化的RSSI ／LQ1支持和強大的DMA功能；具有電池監測和溫度感測功能；集成了14位模數轉換的ADC；集成AES安全協(xié)處理器；帶有2個(gè)強大的支持幾組協(xié)議的USART，以及1個(gè)符合IEEE802．15．4規范的MAC計時(shí)器，1個(gè)常規的16位計時(shí)器和2個(gè)8位計時(shí)器；強大和靈活的開(kāi)發(fā)工具。CC2430的Zigbee基本組成框圖如圖3所示。

2 ) 典型應用電路。CC2430的典型應用電路如圖4所示，其中：圖4(a) 為T(mén)P MS發(fā)送器，圖4(b)為T(mén)P MS接收器， 圖4(c) 為 CC2430模塊原理圖。該電路主要用于低功耗耐壓監控系統。

3 TPMS系統軟件設計

TPMS的軟件比較簡(jiǎn)單，輪胎監測模塊主要對氣壓、溫度及電源電壓數據進(jìn)行測量、處理和傳輸。主機顯示模塊接收到數據幀并經(jīng)校驗后顯示氣壓、 溫度和電壓值，并且與報警閾值進(jìn)行比較以判斷是否需要報警。整個(gè)系統對低功耗設計要求非常高，所以應盡可能合理安排程序流程，優(yōu)化軟件算法。輪胎監測模塊的主程序在執行完初始化功能后便根據當前氣壓值與報警閾值的差值設置定時(shí)時(shí)間，然后進(jìn)入低功耗模式。模塊供電電壓、輪胎氣壓和溫度的監測與數據的傳輸都放置在定時(shí)程序，定時(shí)結束立即進(jìn)入低功耗模式。主機上電后，進(jìn)行CC2430初始化，配置完層次CC2430后，模塊進(jìn)入等待數據工作狀態(tài)。在接收到一個(gè)數據幀并經(jīng)CRC校驗和輪胎ID判斷無(wú)誤后，送數碼顯示并點(diǎn)亮相應的指示燈以表示各模塊工作正常。當輪胎監測模塊供電電壓、氣壓及溫度接收或低于報警閾值時(shí)，主機啟動(dòng)LED閃爍警告或蜂鳴器報警。輪胎中模塊軟件流程圖如圖5所示， 車(chē)內控制器軟件流程如圖6所示。

圖5　 輪胎中模塊流程圖

圖6　 車(chē)內控制器流程圖

為了實(shí)現4個(gè)輪胎模塊與中央接收模塊進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信的目的，發(fā)射機和接收機都需要按要求支持一個(gè)簡(jiǎn)單的通信協(xié)議。輪胎模塊以數據包( 幀) 的形式發(fā)送數據，當輪胎模塊中的MCU決定要發(fā)送數據(由傳感器采集到的溫度、壓力數據) 時(shí)，通過(guò)發(fā)送數據幀的前導位喚醒接收模塊，隨后發(fā)送數據幀，其數據幀格式見(jiàn)表1 。

4 結束語(yǔ)

Zigbee技術(shù)彌補了低成本、低功耗和低速率無(wú)線(xiàn)通信市場(chǎng)的空缺，通過(guò)傳感器無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接到汽車(chē)各種智能儀表、監控設備以及報警設備，達到監測輪胎壓力、提前預警，避免因輪胎氣壓不符合標準所導致的交通事故的目的。該TPMS系統具有體積小、成本低、雙向全時(shí)的特點(diǎn)，將會(huì )得到廣泛的應用。