基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)胎壓監測系統的設計

　　引言：

　　隨著(zhù)商業(yè)用車(chē)和家庭用車(chē)的日益增多，汽車(chē)安全越來(lái)越受到人們的重視。美國汽車(chē)工程師協(xié)會(huì )的調查統計表明，美國每年有26萬(wàn)起交通事故是由于汽車(chē)輪胎氣壓低或滲漏造成的，美國運輸部國家公路交通安全管理委員會(huì )(NHTSA)制定的法規中規定：2003年11月到2006年10月31日期間，美國新出廠(chǎng)的輕型汽車(chē)將逐步引入胎壓監測系統(Tire Pressure Monitoring System，TPMS)[1]?？梢?jiàn)，TPMS的研究和投產(chǎn)勢在必行。TPMS主要用于實(shí)時(shí)監測汽車(chē)輪胎溫度和壓力，當壓力和溫度超出或低于標準值范圍時(shí)，系統發(fā)出蜂鳴或光報警信號，從而有效的避免交通意外的發(fā)生。

　　1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

　　ZigBee是一個(gè)簡(jiǎn)單的、低成本的網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，它應用于一些功率有限和對網(wǎng)絡(luò )吞吐量無(wú)嚴格要求的設備之間的無(wú)線(xiàn)連接。ZigBee能建立一個(gè)易于安裝、有可靠的數據傳輸、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(jiǎn)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，兩節普通干電池可以用6個(gè)月到兩年。

　　數據傳輸率低：ZigBee通信在免費2.4 GHz工業(yè)、科學(xué)、醫學(xué)(ISM)的最高傳輸速率為250kbps，適用于報文吞吐量較小的通信應用場(chǎng)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硬件設計

　　TPMS系統采用直接式溫度壓力測量系統。該系統分為兩個(gè)模塊：遠程感應模塊和接收顯示模塊。遠程感應模塊利用車(chē)胎內的溫度壓力傳感器和無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，把數據發(fā)送給車(chē)內的接收顯示模塊。直接式系統特點(diǎn)是成本偏高，但監測效果較好，精確可靠。

　　2.1 遠程感應模塊：

　　該模塊固定安裝于4個(gè)車(chē)胎內部，負責數據的采集、簡(jiǎn)要處理及傳輸。其硬件結構包括壓力溫度傳感器元件、MCU、ZigBee無(wú)線(xiàn)通信裝置、天線(xiàn)和供電設備，如圖1所示：

　　圖1 TPMS遠程感應模塊硬件結構圖

　　傳感器：選用Daytona傳感器，它是一種表面微機械型電容性微機電系統(MEMS)單芯片壓力傳感器，包括壓力變換器、正溫度系數擴散電阻溫度傳感器和所有必需電路，用以產(chǎn)生一個(gè)校準的8bit溫度和壓力數字輸出。Daytona的特點(diǎn)是專(zhuān)用于TPMS溫度和壓力測量：?jiǎn)纹琈EMS微機械壓力感應單元;3V工作電壓;低功耗、待機電流600nA;壓力采樣電流1.5mA;溫度采樣電流500uA;4種工作模式靈活運用以求節電;內置低頻振蕩器，可用于喚醒MCU;8位數據輸出：SSOP封裝;介質(zhì)保護[2]。

　　MUC和ZigBee無(wú)線(xiàn)通信裝置：遠程感應模塊通信都是由ZigBee收發(fā)器來(lái)實(shí)現的。本設計中采用Chipcon公司的ZigBee單芯片CC2430。該芯片集成了8051單片機(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擴頻通信技術(shù)，最大速率為250kbps。

　　在分組差錯率為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。

　　供電設備：使用專(zhuān)業(yè)的胎壓監測系統電池，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(chē)內儀表板附近。用于接收和處理遠程感應模塊傳送來(lái)的數據。該模塊由ZigBee無(wú)線(xiàn)接收裝置、天線(xiàn)、液晶顯示裝置、鍵盤(pán)和MCU組成，如圖2所示：

　　圖2 TPMS接收顯示模塊硬件結構圖

　　接收顯示模塊的ZigBee收發(fā)器和MCU同樣采用CC2430來(lái)實(shí)現的。

　　LED：液晶顯示裝置需要圖形顯示和數字顯示兩個(gè)部分。圖形顯示為車(chē)輛的簡(jiǎn)化圖，當發(fā)生報警時(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(chē)輪的發(fā)光二極管，顯示告警的遠程感應模塊的具體位置，同時(shí)數字顯示部分顯示每個(gè)車(chē)輪的溫度和壓力的具體數字信息。并在數值超出門(mén)閾值時(shí)，發(fā)出蜂鳴聲告警。

　　鍵盤(pán)用于開(kāi)啟TMPS系統電源、并可對存儲在MCU的RAM中的歷史數據進(jìn)行查詢(xún)。

　　3 系統網(wǎng)絡(luò )結構和協(xié)議

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò )層(NWK)支持星形、樹(shù)形和網(wǎng)狀網(wǎng)拓撲。在本系統中采用星形拓撲結構，即其網(wǎng)絡(luò )由一個(gè)單獨設備——ZigBee協(xié)調器控制。ZigBee協(xié)調器負責發(fā)起和維護網(wǎng)絡(luò )上的設備和所有的其它設備，終端設備直接和ZigBee協(xié)調器通信。位于4個(gè)輪胎里的遠程感應模塊為ZigBee終端設備，由簡(jiǎn)單功能設備(RFD)組成。位于車(chē)內的接收顯示模塊為全功能設備(FFD)，作為ZigBee協(xié)調器。當ZigBee協(xié)調器被激活后，它就可以開(kāi)始建立一個(gè)自己的網(wǎng)絡(luò )。通過(guò)選擇一個(gè)PAN標識符可實(shí)現其唯一性，即在某個(gè)網(wǎng)絡(luò )的覆蓋范圍內，該標識符不能被其它網(wǎng)絡(luò )所使用。當選定PAN標識符以后，PAN協(xié)調器就可以允許其它設備加入該網(wǎng)絡(luò )當中。在本系統中，遠程感應模塊有其唯一的64位IEEE地址，當協(xié)調器掃描到具有匹配的64位擴展地址的設備時(shí)，便允許其加入網(wǎng)絡(luò )，并進(jìn)行數據傳輸。所有的星形網(wǎng)絡(luò )和其它的星形網(wǎng)絡(luò )各自獨立運行，就可以避免在車(chē)輛行駛中與其它ZigBee設備產(chǎn)生干擾，造成數據丟失。

　4 軟件設計

　　首先應初始化系統，設置壓力、溫度的門(mén)閾值以及遠程感應模塊的設備ID。系統啟動(dòng)后，接收顯示模塊首先發(fā)送命令幀給遠程感應模塊，喚醒遠程感應模塊的接收器。遠程感應模塊收到命令幀，返回確認幀，以告知車(chē)內接收顯示模塊已激活接收機。遠程感應模塊激活后，傳感器首先采集數據，傳遞給MCU進(jìn)行處理，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊將數據傳輸給接收顯示模塊，然后自動(dòng)轉入休眠狀態(tài)。接收顯示模塊在收到數據以后，MCU處理數據。通過(guò)與標準溫度和壓力數據門(mén)閾值的比較，判斷是否產(chǎn)生告警，并把處理結果存儲在MCU的RAM中，以供及時(shí)查詢(xún)。最后將結果顯示于液晶顯示屏上，以供駕駛員觀(guān)測。系統每3秒鐘激活一次遠程感應模塊采集數據;每30秒遠程感應模塊向接收顯示模塊傳送一次數據。

　　系統的軟件設計主要采用嵌入式操作系統，用C語(yǔ)言進(jìn)行編程和調試。其軟件流程如圖3所示：

　　圖3 TPMS軟件流程圖

　5 系統誤碼率分析

　　ZigBee對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。由于本系統的遠程感應模塊放置于胎內，環(huán)境較為惡劣。運用低比特率、2字節消息的數據傳輸，可以保證較高的可靠性。對于本系統分析所得的消息誤碼率與信噪比的關(guān)系見(jiàn)圖4：

　　圖4 消息誤碼率VS信噪比

　　小結：

　　通信技術(shù)和傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，TPMS的結構也隨之不斷的更新，在降低功耗和成本的同時(shí)，也需要提供數據傳輸的可靠性和安全性。本系統主要是基于ZigBee技術(shù)的TPMS，能實(shí)時(shí)監控的車(chē)胎內的溫度和壓力，并能可靠地將數據發(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)一步增強了系統的實(shí)用價(jià)值。