摘 要：針對直接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)中傳輸信號不穩(wěn)定、成本高、功耗高等問題，提出了一種應用于胎壓監(jiān)測系統(tǒng)、基于短距離無線通信ZigBee的技術方案。該方案能夠?qū)崟r監(jiān)控輪胎內(nèi)部狀態(tài), 降低系統(tǒng)功耗、提高系統(tǒng)可靠性，有效地避免了因胎壓過高或過低引發(fā)的交通事故，保障行車安全。
　　關鍵詞：ZigBee；無線傳感器網(wǎng)絡；CC2430；TPMS

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　　道路交通事故是所有國家都面臨的一個嚴重的問題。據(jù)美國汽車工程師學會最近的調(diào)查顯示，美國每年26萬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重要的安全隱患。怎樣防止爆胎, 在行駛時保證標準的胎壓是防止爆胎的關鍵，于是胎壓監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)應運而生。胎壓監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)喬?nèi)的溫度和氣壓實時地自動監(jiān)測，在輪胎出現(xiàn)危險征兆時及時給駕駛員報警，確保行車安全。
　　ZigBee[2]是最近提出的一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術，是為了滿足小型廉價設備的無線聯(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、靈活的組網(wǎng)方式，用于建立可靠的、高性價比的、低功耗的實時監(jiān)測和控制的無線網(wǎng)絡，同其他無線技術相比，成本更低、耗能更少、傳輸信號穩(wěn)定可靠，非常適合用于胎壓監(jiān)測系統(tǒng)。
　　本文主要介紹輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的應用設計和實現(xiàn)，利用壓力傳感器無線節(jié)點組成ZigBee無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)輪胎內(nèi)部溫度和壓力數(shù)據(jù)的自動采集和傳輸。由于使用了ZigBee技術，大大降低了系統(tǒng)的成本和功耗，保證了系統(tǒng)的長使用壽命。經(jīng)試驗，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)胎壓實時監(jiān)測及異常報警功能。
1 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)
1.1?TPMS的工作原理
　　胎壓監(jiān)測系統(tǒng)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(nèi)部的溫度和壓力信息，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)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輪胎內(nèi)部的溫度、壓力狀況。當輪胎內(nèi)部的氣壓、溫度發(fā)生異常時，主機接收器就會通過報警裝置自動報警，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)，從而保證行車的安全。
1.2?基于ZigBee的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　IEEE802.15.4是IEEE確定的低速率無線個人域網(wǎng)(PAN)標準，ZigBee建立在IEEE802.15.4標準之上，是一種新型的短距離、低速率無線網(wǎng)絡技術，它的顯著特點就是低成本與低功耗。ZigBee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)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)絡層(NWK)和應用層(APL)框架的設計。ZigBee協(xié)議[3]支持的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)有3種類型: 星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以及簇狀結(jié)構(gòu)，其中星型網(wǎng)絡適合數(shù)量少、距離較近的設備聯(lián)網(wǎng)，耗能低。ZigBee網(wǎng)絡中的節(jié)點分為FFD節(jié)點和RFD節(jié)點兩類，F(xiàn)FD節(jié)點是全功能設備，RFD節(jié)點是精簡功能設備。一個ZigBee網(wǎng)絡的形成，必須由FFD擔任網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器進行掃描搜索，發(fā)現(xiàn)一個未用的最佳信道來建立網(wǎng)絡,再讓其他的FFD或是RFD加入這個網(wǎng)絡。
　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。根據(jù)胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的特點和實際的需要，本文采用了星型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，星型網(wǎng)的控制和同步都比較簡單，可降低監(jiān)測網(wǎng)絡群體的總體功耗。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由ZigBee傳感器節(jié)點和網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器組成。在星型網(wǎng)絡中，主機接收器是網(wǎng)絡核心節(jié)點，負責收集和處理各個傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)，并對節(jié)點進行管理，是一個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器(FFD設備)，4個傳感器節(jié)點作為終端設備，是網(wǎng)絡節(jié)點，向網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)。

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2? 總體設計及硬件實現(xiàn)
2.1? 總體設計
　　TPMS的壓力傳感器只能內(nèi)置在飛轉(zhuǎn)的車輪中，不便于隨時檢修，這就要求內(nèi)置的無線通信設備使用的電池壽命長(等于或者大于車胎本身的壽命)、體積小、功耗低，同時應該克服復雜的環(huán)境和金屬結(jié)構(gòu)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(nèi)部。檢測裝置大多數(shù)情況下使系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，當需要時，激活系統(tǒng)使其工作，以達到省電和延長電池壽命的目的。
　　胎壓監(jiān)測系統(tǒng)主要包含2個模塊：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(nèi)部，主要由傳感器模塊、無線通信模塊和電源模塊組成，主要用于采集輪胎內(nèi)部信息和A/D轉(zhuǎn)換；無線通信模塊中核心芯片是CC2430，它可以作為處理器來負責節(jié)點的操作，處理采集到的信息；CC2430還是射頻收發(fā)器，負責與主機進行無線通信，交換信息并發(fā)送數(shù)據(jù)；電源模塊一般采用微型電池，如鋰亞電池。主機可以隨時喚醒從機工作，主要用于接收和顯示從機發(fā)送來的信息，當數(shù)據(jù)異常時報警提醒駕駛員，主機接收模塊主要由無線通信模塊、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無線網(wǎng)絡的優(yōu)勢和特點，本文利用CC2430芯片的集成射頻功能構(gòu)建胎壓監(jiān)測系統(tǒng)，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技術的2.4 GHz射頻系統(tǒng)單芯片，采用直接序列擴頻(DSSS)方式，調(diào)制方式是O-QPSK。它延用了以往CC2420芯片的架構(gòu)，在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個8位MCU(8051)，具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、定時器(Timer)、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器(Watchdog timer)、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路(Power On Reset)、掉電檢測電路(Brown out detection)，以及21個可編程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(nèi)核運行在32 MHz時，RX為27 mA，TX為25 mA，在休眠模式下，電流消耗只有0.9μA，外部中斷或者實時時鐘能喚醒系統(tǒng)；在待機模式下，電流消耗小于0.6μA，外部中斷能喚醒系統(tǒng)。CC2430從休眠模式轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性, 特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。
2.2.2? SP12芯片
　　傳感器采用英飛凌公司生產(chǎn)的SP12芯片, 它是繼承式三合一傳感器，具有氣壓測量、溫度測量、加速度測量功能和電源電壓檢測功能, 能夠自動補償測量數(shù)據(jù)，把氣壓、溫度、加速度等物理量轉(zhuǎn)換為數(shù)值量并發(fā)送至MCU。SP12芯片采用SPI總線輸出，內(nèi)置時鐘電路, 能周期性輸出定時喚醒信號和復位信號。SP12的外圍電路也很簡單, 只有電源接口和MCU的數(shù)字接口。SP12采用了喚醒瞬態(tài)工作模式，當它工作在睡眠工作模式時其功耗僅0.6 mA，器件所有數(shù)字模擬部分全部工作時的電流消耗是6 mA，大大降低系統(tǒng)功耗，延長了電池的使用壽命。
2.2.3? 發(fā)射模塊硬件設計
　　胎壓監(jiān)測系統(tǒng)中發(fā)射模塊的傳感器一般都安裝在車輪內(nèi),因此, 供電系統(tǒng)一般采用小尺寸電池?？紤]到電池容量、壽命及溫度適應性, 選用鋰亞電池以保證監(jiān)測模塊在高低溫環(huán)境中都能夠正常工作，TADIRAN LTH2450鋰亞電池能滿足TPMS寬溫度范圍的要求。本文的發(fā)射模塊采用3 V鋰電池供電。發(fā)射模塊的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

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　　從機中，CC2430與SP12通過SPI線交換數(shù)據(jù)和發(fā)送命令。SP12將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給CC2430，由CC2430轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)幀經(jīng)天線發(fā)送給主機接收模塊。系統(tǒng)平時處于休眠狀態(tài)，操作大多都是以中斷服務程序的形式來實現(xiàn)的，采用下降沿觸發(fā)的方式，在中斷出發(fā)后，終端服務程序讀中斷狀態(tài)寄存器的相應位來進行具體操作。為了降低發(fā)射模塊的功耗，MCU采用定時喚醒的工作方式，定時信號由SP12提供。該系統(tǒng)通信頻率是2.4 GHz，晶振選擇32 MHz。
2.2.4?接收模塊硬件設計
　　接收模塊安裝于車廂內(nèi)部，可以直接利用車廂內(nèi)部的電源，可以不考慮電源問題。接收模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

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　　接收模塊的核心是CC2430芯片，主機接收器在TPMS中的主要作用有：(1)協(xié)調(diào)器自組網(wǎng)，負責組織一個無線網(wǎng)絡，給每個從機分配一個網(wǎng)絡D號，并將每個從機的信息實施編碼注冊，存儲在E2PROM中；(2)接收從機傳輸過來的數(shù)據(jù)幀，實現(xiàn)主機和從機之間的無線通信；(3)存儲和處理數(shù)據(jù)，MCU接收到輪胎數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析、保存、顯示。接收器的按鍵電路選擇簡易的4×4矩陣鍵盤作為人機交互的窗口，能夠手動操作來訪問特定的輪胎并查看其運行狀態(tài)，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過高分辨率的LCD顯示屏顯示出來，當數(shù)據(jù)異常時，報警電路報警。
3 TPMS軟件設計
　　合理安排程序流程才能夠使得整個系統(tǒng)符合低功耗設計。
3.1 發(fā)射模塊的軟件設計
　　發(fā)射模塊的主程序流程如圖4所示。

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　　為了延長電池使用壽命，使系統(tǒng)不工作的時候處于休眠模式。CC2430采取定時喚醒的工作方式，由SP12的WAKE UP引腳輸出定時信號，周期為6 s,送至MCU的鍵盤中斷輸入端, 將MCU從睡眠狀態(tài)喚醒。當CC2430檢測到喚醒命令時被激活，它的寄存器狀態(tài)發(fā)生變化，CC2430進入工作模式。首先檢測汽車的加速度，若加速度小于一個設定的范圍則表明汽車處于停止狀態(tài)，MCU重新進入睡眠狀態(tài)。若加速度大于某個設定的范圍則汽車已經(jīng)在運行狀態(tài)，傳感器SP12采集溫度壓力數(shù)據(jù)，采用閾值比較法，把當前獲得的數(shù)值與寄存器中的報警閾值進行比較，若超出閾值范圍，說明數(shù)據(jù)異常，向主機提示進行報警；數(shù)據(jù)正常時，再判斷定時發(fā)送數(shù)據(jù)的時間，如果定時時間沒有到就進入休眠；定時時間到，就進行組幀、編碼，把數(shù)據(jù)包發(fā)送到主機。發(fā)送成功后, CC2430重新進入休眠狀態(tài)。再判斷定時發(fā)送數(shù)據(jù)的時間，如果定時時間沒有到就進入休眠；定時時間到，就進行組幀、編碼，把數(shù)據(jù)包發(fā)送到主機。發(fā)送成功后，CC2430重新進入休眠狀態(tài)，等待下一次被喚醒。正常時定時喚醒和異常時實時喚醒的結(jié)合使整個設計符合低功耗要求，又能保證系統(tǒng)的可靠性。
3.2 接收模塊的軟件設計
　　接收模塊的程序流程圖如圖5所示。

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　　本文主要介紹了基于ZigBee的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計與軟件實現(xiàn)。ZigBee技術彌補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺，利用ZigBee技術的低功率、低復雜度、組網(wǎng)靈活的特點滿足了胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的具體要求，實現(xiàn)了實時監(jiān)測輪胎內(nèi)部狀態(tài)和異常報警的功能。本設計方案較好地解決了系統(tǒng)低功耗、高可靠性的問題，市場前景十分廣闊。

參考文獻
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