Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)在汽車輪胎壓力監(jiān)測中的應(yīng)用

1  Zigbee技術(shù)概述 

Zigbee技術(shù)是一種近距離、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)，主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。一般而言， 隨著通信距離的增大，設(shè)備的復(fù)雜度、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加。相對(duì)于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，Zigbee技術(shù)將是最低功耗和成本的技術(shù)。同時(shí)基于Zigbee技術(shù)的低數(shù)據(jù)速率和通信范圍較小的特點(diǎn)，也決定了Zigbee技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)。Zigbee技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有：省 電、可靠、成本低、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全。

Zigbee是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過的802．15．4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它不僅只是802．15．4的名字。IEEE僅處理低級(jí)MAC層和物理層協(xié)議，Zigbee聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API 進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個(gè)設(shè)備的基本節(jié)點(diǎn)的4K字節(jié)或者作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32   K 字節(jié)。每個(gè)協(xié)調(diào)器可連接多達(dá)255個(gè)節(jié)點(diǎn)，而幾個(gè)協(xié)調(diào)器則可形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。Zigb ee 聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會(huì)意外泄漏其標(biāo)識(shí)，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會(huì)被其它節(jié)點(diǎn)獲得。

完整的Zigbee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會(huì)聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由Zi gbee 聯(lián)盟制定，IEEE802．15．4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。圖1所示為Zigbee協(xié)議架構(gòu)。

2  Zigbee在汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前高速公路的車輛交通事故日益增多，很大部分是由于輪胎的氣壓過高或過低導(dǎo)致輪胎爆胎引起的。輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)全天候?qū)喬ダ锏膲毫M(jìn)行監(jiān)測，對(duì)輪胎的漏氣和低壓、高壓進(jìn)行監(jiān)測和報(bào)警，使車輛始終處于安全運(yùn)行狀態(tài)。盡量避免因輪胎氣壓所導(dǎo)致的交通事故。 

Zigbee主要應(yīng)用在距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間，典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)、 間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)想，它的應(yīng)用目標(biāo)主要是：工業(yè)控制( 如自動(dòng)控制設(shè)備、無線傳感器網(wǎng)絡(luò))，汽車無線監(jiān)測( 如輪胎氣壓、溫度等)，醫(yī)護(hù)( 如監(jiān)視和傳感) ，家庭智能控制( 如照明、水電氣計(jì)量及報(bào)警)，消費(fèi)類電子設(shè)備的遙控裝置、PC外設(shè)的無線連接等領(lǐng)域。

2．1 系統(tǒng)組成及原理

輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)由輪胎壓力傳感器、控制器、射頻發(fā)射器和接收機(jī)組成。輪胎壓力傳感器由摩托羅拉公司開發(fā)的集成電容式壓力傳感器MPXY8020A作為胎壓檢測單元，具有低功耗和全集成的特點(diǎn)。采用Zigbee模塊CC2430作為信號(hào)控制處理與發(fā)射接收單元。 

裝在每一個(gè)車輪胎里的壓力傳感器將輪胎里的壓力、溫度信息經(jīng)射頻發(fā)射器將輪胎壓力、溫度等信息從輪胎內(nèi)部傳送給駕駛室里的接收器模塊，能夠讓駕駛員在汽車運(yùn)行時(shí)了解到輪胎的工作情況，檢測輪胎的氣壓、溫度是否正常，并進(jìn)行異常報(bào)警，確保安全。智能輪胎與汽車儀表盤上一個(gè)接受器及顯示器配合，即構(gòu)成一個(gè)輪胎壓力器監(jiān)測系 統(tǒng)( TP MS) 。 

2．2  CC2430在汽車檢測系統(tǒng)的應(yīng)用

發(fā)射接收、數(shù)據(jù)處理元件以CC2430為核心的輪胎壓力檢測系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1 ) 傳感器數(shù)據(jù)的處理。裝在每一個(gè)車輪胎里( 4 個(gè)輪在車上，1個(gè)備用輪) 的壓力傳感器( Motorola器件號(hào)MP XY8020A)是電容型 ME MS壓力傳感器，專用于滿足TP MS在溫度和壓力媒介兼容方面的要求。它是一個(gè)單體壓力和溫度傳感器，并具備電源管理和數(shù)字輸出功能。

2 ) 輪胎數(shù)據(jù)發(fā)射。為了保證在惡劣的環(huán)境下收發(fā)數(shù)據(jù)的可靠性，以及根據(jù)本應(yīng)用信息量小、數(shù)據(jù)簡單的特點(diǎn)，采用信息冗余的方法來保證數(shù)據(jù)可靠地接收，即連續(xù)發(fā)送相同內(nèi)容的信息。數(shù)據(jù)的發(fā)送處理，這里采用CC2430模塊。

3 ) 輪胎數(shù)據(jù)接收。為了降低功率，節(jié)約電池的電能，在駕駛室數(shù)據(jù)處理器中安裝有加速度傳感器，一旦車輛啟動(dòng)，就激活各輪胎中的壓力檢測發(fā)射電路，車輛停止，輪胎中電路進(jìn)入睡眠模式。 

4 ) 輪胎壓力顯示、報(bào)警。根據(jù)輪胎類型、季節(jié)， 可在駕駛室控制器中設(shè)置輪胎壓力、溫度數(shù)據(jù)?？刂破髟谲囕v運(yùn)行時(shí)連續(xù)接收輪胎數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、保存、顯示。如果出現(xiàn)異常，報(bào)警提示駕駛員。存儲(chǔ)在FLASH中的數(shù)據(jù)可供事后分析事故使用。

2．3  CC2430模塊

CC2430芯片以強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境作為支持，內(nèi)部線路的交互式調(diào)試以遵從IDE的IAR工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為支持，得到嵌入式機(jī)構(gòu)很高的認(rèn)可。它結(jié)合Chipcon公司全球先進(jìn)的Zigbee協(xié)議棧、工具包和參考設(shè)計(jì)，展示了領(lǐng)先的Zigbee解決方案。其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車、工控系統(tǒng)和無線感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域， 同時(shí)也適用Zigbee之外2．4 G Hz 頻率的其他設(shè)備。

1 ) CC2430芯片的主要特點(diǎn)：高性能和低功耗的8051微控制器核：集成符合IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的2．4GHz的RF無線電收發(fā)機(jī)；優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性；在休眠模式時(shí)僅0．9的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)；在待機(jī)模式時(shí)少于0．6的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)；硬件支持cSMCA功能；較寬的電壓范圍(2．0～ 3．6V)；數(shù)字化的RSSI ／LQ1支持和強(qiáng)大的DMA功能；具有電池監(jiān)測和溫度感測功能；集成了14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC；集成AES安全協(xié)處理器；帶有2個(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART，以及1個(gè)符合IEEE802．15．4規(guī)范的MAC計(jì)時(shí)器，1個(gè)常規(guī)的16位計(jì)時(shí)器和2個(gè)8位計(jì)時(shí)器；強(qiáng)大和靈活的開發(fā)工具。CC2430的Zigbee基本組成框圖如圖3所示。

2 ) 典型應(yīng)用電路。CC2430的典型應(yīng)用電路如圖4所示，其中：圖4(a) 為TP MS發(fā)送器，圖4(b)為TP MS接收器， 圖4(c) 為 CC2430模塊原理圖。該電路主要用于低功耗耐壓監(jiān)控系統(tǒng)。

3  TPMS系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

TPMS的軟件比較簡單，輪胎監(jiān)測模塊主要對(duì)氣壓、溫度及電源電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行測量、處理和傳輸。主機(jī)顯示模塊接收到數(shù)據(jù)幀并經(jīng)校驗(yàn)后顯示氣壓、 溫度和電壓值，并且與報(bào)警閾值進(jìn)行比較以判斷是否需要報(bào)警。整個(gè)系統(tǒng)對(duì)低功耗設(shè)計(jì)要求非常高，所以應(yīng)盡可能合理安排程序流程，優(yōu)化軟件算法。輪胎監(jiān)測模塊的主程序在執(zhí)行完初始化功能后便根據(jù)當(dāng)前氣壓值與報(bào)警閾值的差值設(shè)置定時(shí)時(shí)間，然后進(jìn)入低功耗模式。模塊供電電壓、輪胎氣壓和溫度的監(jiān)測與數(shù)據(jù)的傳輸都放置在定時(shí)程序，定時(shí)結(jié)束立即進(jìn)入低功耗模式。主機(jī)上電后，進(jìn)行CC2430初始化，配置完層次CC2430后，模塊進(jìn)入等待數(shù)據(jù)工作狀態(tài)。在接收到一個(gè)數(shù)據(jù)幀并經(jīng)CRC校驗(yàn)和輪胎ID判斷無誤后，送數(shù)碼顯示并點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈以表示各模塊工作正常。當(dāng)輪胎監(jiān)測模塊供電電壓、氣壓及溫度接收或低于報(bào)警閾值時(shí)，主機(jī)啟動(dòng)LED閃爍警告或蜂鳴器報(bào)警。輪胎中模塊軟件流程圖如圖5所示， 車內(nèi)控制器軟件流程如圖6所示。

圖5　 輪胎中模塊流程圖

圖6　 車內(nèi)控制器流程圖

為了實(shí)現(xiàn)4個(gè)輪胎模塊與中央接收模塊進(jìn)行無線通信的目的，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都需要按要求支持一個(gè)簡單的通信協(xié)議。輪胎模塊以數(shù)據(jù)包( 幀) 的形式發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)輪胎模塊中的MCU決定要發(fā)送數(shù)據(jù)(由傳感器采集到的溫度、壓力數(shù)據(jù)) 時(shí)，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，其數(shù)據(jù)幀格式見表1 。

4   結(jié)束語

Zigbee技術(shù)彌補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺，通過傳感器無線網(wǎng)絡(luò)連接到汽車各種智能儀表、監(jiān)控設(shè)備以及報(bào)警設(shè)備，達(dá)到監(jiān)測輪胎壓力、提前預(yù)警，避免因輪胎氣壓不符合標(biāo)準(zhǔn)所導(dǎo)致的交通事故的目的。該TPMS系統(tǒng)具有體積小、成本低、雙向全時(shí)的特點(diǎn)，將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。