基于ZigBee技术的新型TPMS设计

汽车轮胎压力监视系统(TPMS)是一种能对汽车轮胎气压进行自动检测，并对胎压异常情况进行报警的预警系统。本文结合ZigBee技术的低成本、低功耗、设备地址唯一等优点，将轮胎内部安装的压力、温度传感器组成一个微型ZigBee网络。

监测网络总体设计
ZigBee技术是新兴的一种近距离、低成本、低功耗、低数据速率的无线通信技术。它基于IEEE 802.15.4协议标准，主要工作在免授权的2.4GHz频段，数据速率为20～250Kb/s，最大传输范围在10～75m。ZigBee网络中定义了两种物理设备类型:全功能设备 (FFD)和精简功能设备 (RFD)。其中，FFD支持任何拓扑结构，可以充当网络协调器，能和任何设备通信；RFD不能完成网络协调器功能，且只能与FFD通信，两个RFD之间不能通信，但它的内部电路比FFD少，因此实现相对简单，也更利于节能。

直接式TPMS系统利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，通过无线或者有线的方式将数据传到安装在驾驶台的监视器上，监视器实时显示各个轮胎的状况，一旦出现异常，系统就会自动报警以提醒司机进行及时处理。本监测网络就是一种直接式TPMS系统。

ZigBee监测网络原理框图如图1所示，该监测网络包括四个轮胎监测器和一个车载监视器。工作原理：四个轮胎监测器是RFD网络节点，安装在轮毂上，能实时检测轮胎内的温度和压力值并发送到车载监视器显示；驾驶员也可以通过车载监视器主动访问各个轮胎的气压状态。车载监视器是FFD设备，充当网络协调器，通过无线方式接受各轮胎的压力、温度和监测器状态，并通过显示设备进行实时显示或声光报警。由一个FFD网络协调器和四个RFD终端节点共同组成一个星型拓扑结构的微型ZigBee胎压监测网络，射频方式符合IEEE 802.15.4协议标准。

图1 监测网络原理框图

监测网络硬件方案设计
该监测网络中包括两种硬件模块：轮胎监测器和车载监视器。基于ZigBee技术的原理和特点，本文以Chipcon公司的系统级芯片CC2430为核心，设计了轮胎监测器和车载监视器的硬件电路，如图2所示。

a) 轮胎监测器

b) 车载监视器

图2 硬件模块框图

1 射频处理芯片选型
射频处理单元是无线轮胎监测器模块的核心部分。由于轮胎监测器安装在轮毂上，采用能量有限的锂电池供电，因此射频处理芯片需具有以下特点：功耗低、体积小、支持IEEE 802.15.4标准。

根据以上特点，并经过分析比较，最终选用了CC2430这款系统级芯片。CC2430是Chipcon公司生产的2.4GHz射频芯片，符合IEEE 802.15.4标准，传输速率最高250Kb/s，采用具有内嵌闪存的0.18μm CMOS标准技术，休眠模式功耗仅0.9μA，集8051内核与无线收发模块于一体，简化了电路的设计，且尺寸只有7mm×7mm。

2 压力温度传感器选型
汽车轮胎特殊的工作环境，决定了胎压监测传感器的高要求，即低功耗、宽温区、宽电源电压范围内较高的精度和可靠性。本设计选用了Infineon公司的硅压阻式压力传感器SP12，其工作电压1.8～3.6V，具有压力范围100～450kPa、温度范围-40℃～125℃的测量能力。

3 车载监视器设计
如图2所示，车载监视器同样以CC2430为核心，负责射频数据的收发、显示和报警。显示屏为定制的LCD字符型段码屏，通过I/O口模拟I2C与单片机通信，屏上有左前轮、左后轮、右前轮、右后轮以及温度超限、气压低、气压高等可视化图标，再配合蜂鸣器和发光二极管，非常方便驾驶员对轮胎运行状态的掌控。三向键作为一个人机交互的窗口，可通过手动操作查看特定轮胎的运行状态，或设置温度、气压报警门限值。因为车载监视器采用汽车电源供电，因而低功耗设计上的考虑可相对少一些。

4 电路抗干扰措施
由于是高频电路，克服器件的相互干扰尤为重要，为保证系统长期稳定、可靠的运行，建议在电路设计中采取以下措施。

● 采用四层PCB，顶层主要走信号线，顶层下面依次是是地平面层、电源平面层和底层，为防止高频信号的辐射和串扰，应尽量缩小信号回路面积，同时采用多点接地，降低接地阻抗。

● CC2430芯片底部必须采用少量过孔与地相连，保证芯片体可靠接地。

● 去耦电容必须尽可能靠近3V和1.8V电源引脚，并且电容接地端通过过孔就近接地，去耦电容的充放电作用使集成芯片得到的供电电压比较平稳，减少了电压振荡现象。

● 芯片外围器件的尺寸应尽可能的小，建议使用0402规格的阻容器件。

● 将CC2430和SP12未用的信号输入引脚通过一个10kΩ电阻上拉到高电平或下拉到低电平，因为开路的输入端有很高的输入阻抗，很容易受外界的电磁干扰使悬浮电平有时处于“1”，有时处于“1”到“0”的过渡状态，易引起逻辑电路的误导通。

监测网络软件方案设计
对于胎压监测网络的软件设计，有以下三个关键技术需要解决。

1 如何识别轮胎
为降低数据帧的长度，降低功耗，本设计没有采用IEEE 802.15.4规定的标准帧格式，而是对其进行了简化，如表1所示。在胎压监测ZigBee网络中，四个轮胎监测器的地址分别为0x01、0x02、0x03、0x04，车载监视器的地址设为0x88。当车载监视器接收到一帧数据后，只需根据源地址域的内容即可判断是哪一个轮胎的检测数据。

2 避免发送冲突
IEEE 802.15.4介质访问控制层协议规定采用CSMA/CA竞争性接入方式以避免访问冲突。而CSMA/CA方式会使得大多数目的地址不符的节点由于接收信标帧造成无谓的能耗。为此，采用了一种基于素数的动态时延算法，上电后各轮胎监测节点先采集数据，数据采集完成后按素数进行延时，延时一到再把数据发送出去，发送完关闭无线收发器，开始新一轮数据采集。例如，地址为0x01的轮胎监测器延时按150ms×N1（N1=2，19）周期变化。四个轮胎N1、N2、N3、N4分别取不同的素数，这种基于素数动态延时的算法既能有效避免各监测节点发送冲突，又能降低能耗，延长网络寿命。

3 如何节能
一个轮胎监测器节点要在一节锂电池下工作2～5年。射频发送数据帧时耗电最大，因此在保证数据传输正确的前提下应尽量减少发送次数。监测器节点上电初始化之后就开始数据采集，把测量的数据与设定阀值相比较，如果超过或低于设定值就立刻进行数据发送，反之计数器减1，采取测量10次（约60s）上传一次数据。这样既能降低功耗又能及时应对轮胎压力和温度的异常变化。数据包发送控制算法流程如图3所示。

图3 数据包发送控制流程图

性能测试
根据上述方案设计了一套测试用样品，包括四个轮胎监测器和一个车载监视器。将四个轮胎监测器放在同一个轮胎中，进行充放气实验。当气压值从正常到低压或高压时，车载监视器能够准确显示气压值，气压低或气压高时LCD屏对应状态图标闪动，蜂鸣器同时发出报警，经反复测试得出具体性能指标如下。

● 可监测胎压范围为100～450kPa，精度1.4kPa，通常轿车的轮胎气压在220～280kPa之间。

● 可监测温度范围为-40℃～125℃，轿车的轮胎温度一般在75℃左右。

● 利用SmartRF评估平台测得室内点对点数据传输速率最大约250Kb/s。

● 监测网络的工作寿命可达到2年以上。由于数据在收发的时候功耗最大（可达到10mA以上），为使整个网络的工作寿命达到2年以上，一方面在体积允许的条件下选用了较大容量的锂电池（1700mA·h），另一方面通过提高动态时延的基数值以减小数据收发的时间和频率。

结束语
本文提出一种基于ZigBee网络的TPMS设计方案。该系统不仅成本低廉而且性能安全可靠。经实际测试，该TPMS系统在低功耗、气压异常报警等各项性能指标均达到设计要求，同时配有直观的操作界面方面用户使用。

本设计的创新之处在于实现了轮胎识别的唯一性，采用一种基于素数的动态时延算法有效解决了发送数据的冲突，提出的节能算法既实现了功耗控制又兼顾了数据发送的实时性。