基于ZigBee的无线胎压监测系统的设计

　摘要：本文主要提出了基于一种新的无线技术——ZigBee的新型的胎压监测系统（TPMS）的设计方案。鉴于ZigBee低成本、低功耗等特点，适用于胎压监测系统，目前业界还没有出现类似的设计方案。本设计为直接式胎压监测系统，即在车辆轮胎上安装压力和温度传感器，通过ZigBee无线方式将胎压的信息传送给车内显示模块，并显示在液晶显示屏上。由此可实时监测车辆的胎压情况，并在胎压异常情况下发出报警。
引言：
　　随着商业用车和家庭用车的日益增多，汽车安全越来越受到人们的重视。美国汽车工程师协会的调查统计表明，美国每年有26万起交通事故是由于汽车轮胎气压低或渗漏造成的，美国运输部国家公路交通安全管理委员会（NHTSA）制定的法规中规定：2003年11月到2006年10月31日期间，美国新出厂的轻型汽车将逐步引入胎压监测系统（Tire Pressure Monitoring System，TPMS）[1]。可见，TPMS的研究和投产势在必行。TPMS主要用于实时监测汽车轮胎温度和压力，当压力和温度超出或低于标准值范围时，系统发出蜂鸣或光报警信号，从而有效的避免交通意外的发生。
1 ZigBee技术简介
　　ZigBee是一个简单的、低成本的网络通信技术，它应用于一些功率有限和对网络吞吐量无严格要求的设备之间的无线连接。ZigBee能建立一个易于安装、有可靠的数据传输、通信距离短、成本低、极好的电池寿命的网络，并且能保持简单的和灵活的网络协议。其主要技术特点如下：
　　低成本：ZigBee通信模块的单位成本已经减小到两美元左右。
　　低功耗：发射功率为1mw，两节普通干电池可以用6个月到两年。
　　数据传输率低：ZigBee通信在免费2.4 GHz工业、科学、医学（ISM）的最高传输速率为250kbps，适用于报文吞吐量较小的通信应用场合。
　　信道接入方式采用CSMA-CA，能有效地减少了帧冲突。具有高可靠性、良好的安全性和兼容性。
2 TPMS硬件设计
　　TPMS系统采用直接式温度压力测量系统。该系统分为两个模块：远程感应模块和接收显示模块。远程感应模块利用车胎内的温度压力传感器和无线收发器，把数据发送给车内的接收显示模块。直接式系统特点是成本偏高，但监测效果较好，精确可靠。
　　2.1 远程感应模块：
　　该模块固定安装于4个车胎内部，负责数据的采集、简要处理及传输。其硬件结构包括压力温度传感器元件、MCU、ZigBee无线通信装置、天线和供电设备，如图1所示：

图1 TPMS远程感应模块硬件结构图 [!--empirenews.page--]
　　传感器：选用Daytona传感器，它是一种表面微机械型电容性微机电系统(MEMS)单芯片压力传感器，包括压力变换器、正温度系数扩散电阻温度传感器和所有必需电路，用以产生一个校准的8bit温度和压力数字输出。Daytona的特点是专用于TPMS温度和压力测量：单片MEMS微机械压力感应单元；3V工作电压；低功耗、待机电流600nA；压力采样电流1.5mA；温度采样电流500uA；4种工作模式灵活运用以求节电；内置低频振荡器，可用于唤醒MCU；8位数据输出：SSOP封装；介质保护[2]。
　　MUC和ZigBee无线通信装置：远程感应模块通信都是由ZigBee收发器来实现的。本设计中采用Chipcon公司的ZigBee单芯片CC2430。该芯片集成了8051单片机（MCU）和ZigBee收发器，具有以下一些特点[3]：
　　16个信道。
　　典型的发射功率为0dBm。
　　采用DSSS扩频通信技术，最大速率为250kbps。
　　在分组差错率为1％的情况下，其接收灵敏度为－94dBm。
　　邻近信道干扰>30dBm，间隔信道干扰>53dBm。
　　工作温度为－45oC到125oC。适用于恶劣的工作环境。
　　供电设备：使用专业的胎压监测系统电池，由于ZigBee和Daytona的低功率特点，其可有效供电10年以上。
　　2.2 接收显示模块：
　　一般安装于车内仪表板附近。用于接收和处理远程感应模块传送来的数据。该模块由ZigBee无线接收装置、天线、液晶显示装置、键盘和MCU组成，如图2所示：

图2 TPMS接收显示模块硬件结构图
　　接收显示模块的ZigBee收发器和MCU同样采用CC2430来实现的。
　　LED：液晶显示装置需要图形显示和数字显示两个部分。图形显示为车辆的简化图，当发生报警时，可以分别接通该图中用于表示左前、右前、左后、右后4个车轮的发光二极管，显示告警的远程感应模块的具体位置，同时数字显示部分显示每个车轮的温度和压力的具体数字信息。并在数值超出门阈值时，发出蜂鸣声告警。
　　键盘用于开启TMPS系统电源、并可对存储在MCU的RAM中的历史数据进行查询。
3 系统网络结构和协议
　　ZigBee网络层（NWK）支持星形、树形和网状网拓扑。在本系统中采用星形拓扑结构，即其网络由一个单独设备——ZigBee协调器控制。ZigBee协调器负责发起和维护网络上的设备和所有的其它设备，终端设备直接和ZigBee协调器通信。位于4个轮胎里的远程感应模块为ZigBee终端设备，由简单功能设备（RFD）组成。位于车内的接收显示模块为全功能设备（FFD），作为ZigBee协调器。当ZigBee协调器被激活后，它就可以开始建立一个自己的网络。通过选择一个PAN标识符可实现其唯一性，即在某个网络的覆盖范围内，该标识符不能被其它网络所使用。当选定PAN标识符以后，PAN协调器就可以允许其它设备加入该网络当中。在本系统中，远程感应模块有其唯一的64位IEEE地址，当协调器扫描到具有匹配的64位扩展地址的设备时，便允许其加入网络，并进行数据传输。所有的星形网络和其它的星形网络各自独立运行，就可以避免在车辆行驶中与其它ZigBee设备产生干扰，造成数据丢失。
4 软件设计
　　首先应初始化系统，设置压力、温度的门阈值以及远程感应模块的设备ID。系统启动后，接收显示模块首先发送命令帧给远程感应模块，唤醒远程感应模块的接收器。远程感应模块收到命令帧，返回确认帧，以告知车内接收显示模块已激活接收机。远程感应模块激活后，传感器首先采集数据，传递给MCU进行处理，然后通过无线收发模块将数据传输给接收显示模块，然后自动转入休眠状态。接收显示模块在收到数据以后，MCU处理数据。通过与标准温度和压力数据门阈值的比较，判断是否产生告警，并把处理结果存储在MCU的RAM中，以供及时查询。最后将结果显示于液晶显示屏上，以供驾驶员观测。系统每3秒钟激活一次远程感应模块采集数据；每30秒远程感应模块向接收显示模块传送一次数据。 [!--empirenews.page--]
　　系统的软件设计主要采用嵌入式操作系统，用C语言进行编程和调试。其软件流程如图3所示：

图3 TPMS软件流程图
5 系统误码率分析
　　ZigBee对于不同的信噪比的可以选用不同的消息传输速率，从而有效地降低误码率。由于本系统的远程感应模块放置于胎内，环境较为恶劣。运用低比特率、2字节消息的数据传输，可以保证较高的可靠性。对于本系统分析所得的消息误码率与信噪比的关系见图4：

图4 消息误码率VS信噪比
小结：
　　通信技术和传感器技术的迅速发展，TPMS的结构也随之不断的更新，在降低功耗和成本的同时，也需要提供数据传输的可靠性和安全性。本系统主要是基于ZigBee技术的TPMS，能实时监控的车胎内的温度和压力，并能可靠地将数据发送到接收端，有效在各个方面提高TPMS的性能，具有一定的创新性，进一步增强了系统的实用价值。