汽車無線傳感器的研究與設(shè)計

摘要：汽車在定型前要對其各部分檢測數(shù)據(jù)進行分析。目前，汽車中的很多傳感器都是用導(dǎo)線直接連接數(shù)據(jù)采集器和汽車電瓶，大量的導(dǎo)線將直接影響測試環(huán)境?；诖?，研究設(shè)計了一種新的穩(wěn)壓電源和通信子系統(tǒng)來替代導(dǎo)線，盡量減少這些導(dǎo)線對測驗環(huán)境的影響，提高汽車環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性，以改善駕駛的安全性和舒適感。
關(guān)鍵詞：無線傳感器；穩(wěn)壓電源；通信子系統(tǒng)

0 引言
    在汽車駕駛和車輛診斷方面一般都會用到射頻技術(shù)(RF)。按照國際標準的要求，所有車輛的技術(shù)應(yīng)用必須經(jīng)過詳盡的測試，而這些測試都要基于合理的涉及感測數(shù)據(jù)采集的實證實驗。因此在汽車行業(yè)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展是伴隨著典型傳感器和射頻設(shè)備的發(fā)展而發(fā)展起來的。對于汽車測試環(huán)境，無線傳感器有三個方面的優(yōu)勢：第一是體積小，無線傳感器不需要電纜端口；第二是節(jié)約時間，無線傳感器節(jié)約了將所有傳感器連接到電源和數(shù)據(jù)線的時間，因此無線傳感器可以更快速地展開和輕松地移動，這樣一來既提高了感測數(shù)據(jù)的空間分辨率又改善了傳感器網(wǎng)絡(luò)的故障容差；第三是在駕駛測試期問，連同傳感器一起可以安全地塞進駕駛艙的數(shù)據(jù)線的數(shù)量得到了限制。
    本文具體結(jié)構(gòu)如下：第二部分，給出了無線傳感器的硬件設(shè)計方案；第三部分給出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及通信協(xié)議；第四部分主要討論了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用周期；最后總結(jié)了一下整體設(shè)計情況。

1 無線傳感器結(jié)構(gòu)硬件設(shè)計
1．1 無線傳感器結(jié)構(gòu)圖
    無線傳感器體系結(jié)構(gòu)含有電源單元、感應(yīng)模塊、無線通信模塊、微控制器。硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．2 電源單元
    無線傳感器通常的工作電壓范圍為3．0 V～3．6 V。此次電源設(shè)計加入了TLFA274穩(wěn)壓器(如圖2所示)，可轉(zhuǎn)換3 V～40 V的電壓，比如通常使用的小型電池或者是汽車電池，給使用者帶來了很大的方便。

1．3 感應(yīng)模塊
    為了盡量減少電量的消耗，感應(yīng)模塊(如圖3所示)在測量之前接通電源，之后立刻關(guān)閉(快速的開關(guān)切換對器件并沒有影響)。

1．4 無線通信模塊
    由于不同品牌汽車的差異性，造成了射頻技術(shù)(RF)運行環(huán)境的不確定性。無線通訊模塊必須滿足兩個基本的設(shè)計標準：第一，多頻段通信，選擇低功耗的射頻(RF)芯片，即433／868／915 MHz頻段收發(fā)器nRF905和2．4 GHz頻段nRF2401收發(fā)器；第二，兩種可供選擇的天線(如圖4所示)，PCB(簡潔、低功耗，但難調(diào)節(jié))和外部天線(與PCB相反)。不同射頻頻段和天線之間具有切換的功能，以保證通信暢通，特別是在引擎艙和駕駛艙之間有厚金屬板擋板的車輛中。

1．5 微控制器
    對微控制器芯片選擇Atmel ATmega88，因為它具有低功耗，還有待機模式和主動模式的快速轉(zhuǎn)換功能，所以無線傳感器能夠在非常短的時間完成數(shù)據(jù)的測量和傳輸；它有一個內(nèi)置的掉電檢測電路，可用來提醒用戶傳感器網(wǎng)絡(luò)電池是否需要更換；它還有一個內(nèi)置的A／D轉(zhuǎn)換器，可以將傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換成具有10位數(shù)字值的數(shù)字信號(零代表0 V，210-1代表電源電壓和最大可能電壓)。
    以上只是說明了單個無線傳感器的設(shè)計。然而，在實際的汽車測試環(huán)境中，還必須考慮有多少個傳感器在同時工作，有多大量的數(shù)據(jù)需要傳輸。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
    無線傳感器的數(shù)據(jù)通信將用到時分多址通信協(xié)議。使用時分多址(TDMA)意味著只有有用的數(shù)據(jù)才能在通信模式(較高功率)下傳輸和接受，因此無線傳感器其他任何時候都處于即時通信模式。我們假設(shè)一個無線傳感器(主)作為恒定的數(shù)據(jù)接收器(星形拓撲網(wǎng)絡(luò))，且無線傳感器是有汽車電池供電(所以無需考慮主無線傳感器的電源問題)，除了發(fā)揮中央處理器的作用外，當所有子無線傳感器開始傳輸數(shù)據(jù)的時候，主無線傳感器會同步返給子無線傳感器一個專門的請求信息。
    兩個收發(fā)器240位射頻數(shù)據(jù)包，采用十五個16位的數(shù)據(jù)包(3位配給具有5通道的A／D轉(zhuǎn)換器，10位配給感測數(shù)據(jù)，3位剩余)。10 ms的窗口時間足夠接收器處理單個數(shù)據(jù)包，最小的TDMA也要5ms的間隔。
    下面計算一下此網(wǎng)絡(luò)可負載無線傳感器的最大數(shù)量，即一個TDMA網(wǎng)絡(luò)可以支持的數(shù)值。
    定義：NP=數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)位號=240；MB=測量尺寸(位數(shù))=16；SIl=采樣時間間隔(用戶自定義單位：秒)；SN=傳感器數(shù)量(用戶自定義 單位：秒)；TT=使用TDMA協(xié)議時，每個收發(fā)器所需最小時間=5ms；MT=MCU處理每個數(shù)據(jù)包所需要的最小時間=10ms。
    基于以上定義，以下數(shù)據(jù)可以計算的變量為：
    Sp=樣品包數(shù)==15；TA=平均傳輸時間間隔；TM=每個主傳感器在TDMA協(xié)議下傳輸和處理的平均窗口時間(單位：毫秒)；
    傳感器按采樣時間間隔率每采樣15次將發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，平均傳輸時間間隔是這樣的：TA=SP*SI。
    如果每一個TA傳感器傳送一個數(shù)據(jù)包，那么每一個傳感器可以獲得一個時分多路復(fù)用的時間窗。為了精確計算時間槽的大小，間隔時間必須除以網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)。1 000轉(zhuǎn)換為毫秒如下：
   
    無線傳感網(wǎng)絡(luò)能夠支持的最大無線傳感器的數(shù)量取決于所抽樣的時間間隔(SI)。一旦合適的時間間隔被選定(基于輸入的改變速率)，使用公式(1)確定節(jié)點的數(shù)目和TDMA時隙數(shù)。
    利用溫度傳感器作為感應(yīng)器，如果需要一個1 s的采樣間隔，那么主節(jié)點可以處理的最大節(jié)點數(shù)為1 400(10．714 ms的TM)主節(jié)點已經(jīng)達到10ms，如圖5(b)所示。

    在本節(jié)中研究了無線感應(yīng)器的傳輸協(xié)議，并表明該設(shè)計可以達到相對較高的空間分辨率(大于1 000個節(jié)點規(guī)模的汽車)。但是，如果傳感器耗電量過快，就需要定期更換上千個電池，這樣一來，實際上是限制了空間分辨率。因此，這就需要考慮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期
    無線傳感器的三個主要消耗電能的模塊是：感應(yīng)模塊、無線通信模塊和微控制器模塊，如表1所示。這三個模塊主要有兩個操作模式：關(guān)機模式和工作模式。在這兩種模式下分析了每種模塊的功耗，以及總的消耗量。

    此外，使用一個標準為500 mAh電池，這是由供應(yīng)所需要的電流不能降低，要扣除20％的理論量。因此，要計算出平均壽命(小時)，計算公式為：
   
    BS=電池供電一小時=500 mAh；AO=工作模式下傳感器電流量=453．581μA；
    AOF=關(guān)機模式下傳感器電流量=17．479μA；TO=傳感器處于工作模式的時間率(％)。

4 結(jié)束語
    本文詳細介紹了單個無線傳感器的硬件設(shè)計方案和無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，可方便快捷收集大量汽車測試環(huán)境中的真實數(shù)據(jù)。此設(shè)計比較靈活，能夠使用多種帶寬、天線、電源、傳感器類型。采用無線傳輸方式對車輛各部狀況進行測試，大大改善了測試設(shè)備對真實環(huán)境的影響，使測試數(shù)據(jù)更加真實。但是在實際的測試環(huán)境中，往往采用無線星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，有多個射頻發(fā)射裝置，有可能造成互調(diào)失真。無線信號在車輛周圍有可能多次傳播(反射、衍射等)，導(dǎo)致噪聲的發(fā)生。這些問題都將有待進一步實驗和調(diào)試。由于外部振蕩器的功率消耗比較大，所以將在內(nèi)部使用一個相對精確的內(nèi)部振蕩器；由于較高的時鐘誤差率，必須定期進行重新同步，以達到預(yù)期的通信性能。