基于ZigBee的汽車輪胎壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

道路交通事故是所有國(guó)家都面臨的一個(gè)嚴(yán)重的問題。據(jù)美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)最近的調(diào)查顯示，美國(guó)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(guó)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(dǎo)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(gè)重要的安全隱患。怎樣防止爆胎, 在行駛時(shí)保證標(biāo)準(zhǔn)的胎壓是防止爆胎的關(guān)鍵，于是胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)應(yīng)運(yùn)而生。胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)喬?nèi)的溫度和氣壓實(shí)時(shí)地自動(dòng)監(jiān)測(cè)，在輪胎出現(xiàn)危險(xiǎn)征兆時(shí)及時(shí)給駕駛員報(bào)警，確保行車安全。

ZigBee[2]是最近提出的一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，是為了滿足小型廉價(jià)設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制而制定的。它是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的，可以提供機(jī)動(dòng)、靈活的組網(wǎng)方式，用于建立可靠的、高性價(jià)比的、低功耗的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制的無線網(wǎng)絡(luò)，同其他無線技術(shù)相比，成本更低、耗能更少、傳輸信號(hào)穩(wěn)定可靠，非常適合用于胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

本文主要介紹輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，利用壓力傳感器無線節(jié)點(diǎn)組成ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)輪胎內(nèi)部溫度和壓力數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和傳輸。由于使用了 ZigBee技術(shù)，大大降低了系統(tǒng)的成本和功耗，保證了系統(tǒng)的長(zhǎng)使用壽命。經(jīng)試驗(yàn)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)胎壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及異常報(bào)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(cè)系統(tǒng)TPMS由輪胎壓力傳感器、MCU、射頻收發(fā)器和主機(jī)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(hào)，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(jī)接收器，駕駛者即可掌握各個(gè)輪胎內(nèi)部的溫度、壓力狀況。當(dāng)輪胎內(nèi)部的氣壓、溫度發(fā)生異常時(shí)，主機(jī)接收器就會(huì)通過報(bào)警裝置自動(dòng)報(bào)警，提醒駕駛者采取相應(yīng)的措施，使胎壓保持在正常的運(yùn)行狀態(tài)，從而保證行車的安全。

1.2 基于ZigBee的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

IEEE802.15.4是IEEE確定的低速率無線個(gè)人域網(wǎng)(PAN)標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee建立在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上，是一種新型的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它的顯著特點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(luò)層(NWK)和應(yīng)用層(APL)框架的設(shè)計(jì)。ZigBee協(xié)議[3]支持的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(luò)適合數(shù)量少、距離較近的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，耗能低。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分為FFD節(jié)點(diǎn)和RFD節(jié)點(diǎn)兩類，F(xiàn)FD節(jié)點(diǎn)是全功能設(shè)備，RFD節(jié)點(diǎn)是精簡(jiǎn)功能設(shè)備。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的形成，必須由FFD擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器進(jìn)行掃描搜索，發(fā)現(xiàn)一個(gè)未用的最佳信道來建立網(wǎng)絡(luò),再讓其他的FFD或是RFD加入這個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。根據(jù)胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)和實(shí)際的需要，本文采用了星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，星型網(wǎng)的控制和同步都比較簡(jiǎn)單，可降低監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)群體的總體功耗。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組成。在星型網(wǎng)絡(luò)中，主機(jī)接收器是網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)收集和處理各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(FFD設(shè)備)，4個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)作為終端設(shè)備，是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)。

2 總體設(shè)計(jì)及硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 總體設(shè)計(jì)

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(shí)檢修，這就要求內(nèi)置的無線通信設(shè)備使用的電池壽命長(zhǎng)(等于或者大于車胎本身的壽命)、體積小、功耗低，同時(shí)應(yīng)該克服復(fù)雜的環(huán)境和金屬結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的屏蔽效應(yīng)。本文設(shè)計(jì)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(cè)裝置大多數(shù)情況下使系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)需要時(shí)，激活系統(tǒng)使其工作，以達(dá)到省電和延長(zhǎng)電池壽命的目的。

胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包含2個(gè)模塊：從機(jī)發(fā)射模塊和主機(jī)接收模塊。從機(jī)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(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)的操作，處理采集到的信息;CC2430還是射頻收發(fā)器，負(fù)責(zé)與主機(jī)進(jìn)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(jī)可以隨時(shí)喚醒從機(jī)工作，主要用于接收和顯示從機(jī)發(fā)送來的信息，當(dāng)數(shù)據(jù)異常時(shí)報(bào)警提醒駕駛員，主機(jī)接收模塊主要由無線通信模塊、液晶顯示及報(bào)警模塊和電源模塊組成。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，本文利用CC2430芯片的集成射頻功能構(gòu)建胎壓監(jiān)測(cè)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(shù)的2.4 GHz射頻系統(tǒng)單芯片，采用直接序列擴(kuò)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(gè)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(gè)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(shí)器(Timer)、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器(Watchdog timer)、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路(Power On Reset)、掉電檢測(cè)電路(Brown out detection)，以及21個(gè)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(dāng)微控制器內(nèi)核運(yùn)行在32 MHz時(shí)，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(shí)時(shí)時(shí)鐘能喚醒系統(tǒng);在待機(jī)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(dòng)模式的超短時(shí)間的特性, 特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)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(cè)量、溫度測(cè)量、加速度測(cè)量功能和電源電壓檢測(cè)功能, 能夠自動(dòng)補(bǔ)償測(cè)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(shí)鐘電路, 能周期性輸出定時(shí)喚醒信號(hào)和復(fù)位信號(hào)。SP12的外圍電路也很簡(jiǎn)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(dāng)它工作在睡眠工作模式時(shí)其功耗僅0.6 mA，器件所有數(shù)字模擬部分全部工作時(shí)的電流消耗是6 mA，大大降低系統(tǒng)功耗，延長(zhǎng)了電池的使用壽命。

2.2.3 發(fā)射模塊硬件設(shè)計(jì)

胎壓監(jiān)測(cè)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(yīng)性, 選用鋰亞電池以保證監(jiān)測(cè)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。

從機(jī)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(jī)接收模塊。系統(tǒng)平時(shí)處于休眠狀態(tài)，操作大多都是以中斷服務(wù)程序的形式來實(shí)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(wù)程序讀中斷狀態(tài)寄存器的相應(yīng)位來進(jìn)行具體操作。為了降低發(fā)射模塊的功耗，MCU采用定時(shí)喚醒的工作方式，定時(shí)信號(hào)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(shè)計(jì)

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。

接收模塊的核心是CC2430芯片，主機(jī)接收器在TPMS中的主要作用有：(1)協(xié)調(diào)器自組網(wǎng)，負(fù)責(zé)組織一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，給每個(gè)從機(jī)分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)D號(hào)，并將每個(gè)從機(jī)的信息實(shí)施編碼注冊(cè)，存儲(chǔ)在E2PROM中;(2)接收從機(jī)傳輸過來的數(shù)據(jù)幀，實(shí)現(xiàn)主機(jī)和從機(jī)之間的無線通信;(3)存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)，MCU接收到輪胎數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、保存、顯示。接收器的按鍵電路選擇簡(jiǎn)易的4×4矩陣鍵盤作為人機(jī)交互的窗口，能夠手動(dòng)操作來訪問特定的輪胎并查看其運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過高分辨率的LCD顯示屏顯示出來，當(dāng)數(shù)據(jù)異常時(shí)，報(bào)警電路報(bào)警。

3 TPMS軟件設(shè)計(jì)

合理安排程序流程才能夠使得整個(gè)系統(tǒng)符合低功耗設(shè)計(jì)。

3.1 發(fā)射模塊的軟件設(shè)計(jì)

發(fā)射模塊的主程序流程如圖4所示。

為了延長(zhǎng)電池使用壽命，使系統(tǒng)不工作的時(shí)候處于休眠模式。CC2430采取定時(shí)喚醒的工作方式，由SP12的WAKE UP引腳輸出定時(shí)信號(hào)，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(dāng)CC2430檢測(cè)到喚醒命令時(shí)被激活，它的寄存器狀態(tài)發(fā)生變化，CC2430進(jìn)入工作模式。首先檢測(cè)汽車的加速度，若加速度小于一個(gè)設(shè)定的范圍則表明汽車處于停止?fàn)顟B(tài)，MCU重新進(jìn)入睡眠狀態(tài)。若加速度大于某個(gè)設(shè)定的范圍則汽車已經(jīng)在運(yùn)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(dāng)前獲得的數(shù)值與寄存器中的報(bào)警閾值進(jìn)行比較，若超出閾值范圍，說明數(shù)據(jù)異常，向主機(jī)提示進(jìn)行報(bào)警;數(shù)據(jù)正常時(shí)，再判斷定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間，如果定時(shí)時(shí)間沒有到就進(jìn)入休眠;定時(shí)時(shí)間到，就進(jìn)行組幀、編碼，把數(shù)據(jù)包發(fā)送到主機(jī)。發(fā)送成功后, CC2430重新進(jìn)入休眠狀態(tài)。再判斷定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間，如果定時(shí)時(shí)間沒有到就進(jìn)入休眠;定時(shí)時(shí)間到，就進(jìn)行組幀、編碼，把數(shù)據(jù)包發(fā)送到主機(jī)。發(fā)送成功后，CC2430重新進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次被喚醒。正常時(shí)定時(shí)喚醒和異常時(shí)實(shí)時(shí)喚醒的結(jié)合使整個(gè)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

接收模塊的程序流程圖如圖5所示。

上電運(yùn)行后，初始化接收器的CC2430芯片，配置相關(guān)寄存器，主機(jī)進(jìn)入等待數(shù)據(jù)狀態(tài)。接收到一個(gè)數(shù)據(jù)幀后，主機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)包中的信息與 E2PROM中的信息進(jìn)行對(duì)比，判斷是哪個(gè)輪胎的數(shù)據(jù)，經(jīng)過CRC校驗(yàn)和輪胎ID判斷無誤后，送液晶模塊顯示出當(dāng)前值。當(dāng)檢測(cè)到溫度、壓力值偏離正常值時(shí)進(jìn)行報(bào)警，提醒駕駛員注意。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行相互的數(shù)據(jù)交流就要有相應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。本文中主機(jī)和從機(jī)基于ZigBee通信協(xié)議進(jìn)行模塊間的無線通信。

發(fā)射模塊以數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送數(shù)據(jù)，通過發(fā)送數(shù)據(jù)幀的前導(dǎo)位喚醒接收模塊，隨后發(fā)送數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。

本文主要介紹了基于ZigBee的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與軟件實(shí)現(xiàn)。ZigBee技術(shù)彌補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無線通信市場(chǎng)的空缺，利用 ZigBee技術(shù)的低功率、低復(fù)雜度、組網(wǎng)靈活的特點(diǎn)滿足了胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具體要求，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎內(nèi)部狀態(tài)和異常報(bào)警的功能。本設(shè)計(jì)方案較好地解決了系統(tǒng)低功耗、高可靠性的問題，市場(chǎng)前景十分廣闊。