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汽車輪胎壓力監視系統(TPMS)是一種能對汽車輪胎氣壓進行自動檢測，并對胎壓異常情況進行報警的預警系統。本文結合ZigBee技術的低成本、低功耗、設備地址唯一等優點，將輪胎內部安裝的壓力、溫度傳感器組成一個微型ZigBee網絡。 監測網絡總體設計 ZigBee技術是新興的一種近距離、低成本、低功耗、低數據速率的無線通信技術。它基于IEEE 802.15.4協議標準，主要工作在免授權的2.4GHz頻段，數據速率為20～250Kb/s，最大傳輸范圍在10～75m。ZigBee網絡中定義了兩種物理設備類型:全功能設備 (FFD)和精簡功能設備 (RFD)。其中，FFD支持任何拓撲結構，可以充當網絡協調器，能和任何設備通信；RFD不能完成網絡協調器功能，且只能與FFD通信，兩個RFD之間不能通信，但它的內部電路比FFD少，因此實現相對簡單，也更利于節能。 直接式TPMS系統利用安裝在每一個輪胎里的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，通過無線或者有線的方式將數據傳到安裝在駕駛臺的監視器上，監視器實時顯示各個輪胎的狀況，一旦出現異常，系統就會自動報警以提醒司機進行及時處理。本監測網絡就是一種直接式TPMS系統。 ZigBee監測網絡原理框圖如圖1所示，該監測網絡包括四個輪胎監測器和一個車載監視器。工作原理：四個輪胎監測器是RFD網絡節點，安裝在輪轂上，能實時檢測輪胎內的溫度和壓力值并發送到車載監視器顯示；駕駛員也可以通過車載監視器主動訪問各個輪胎的氣壓狀態。車載監視器是FFD設備，充當網絡協調器，通過無線方式接受各輪胎的壓力、溫度和監測器狀態，并通過顯示設備進行實時顯示或聲光報警。由一個FFD網絡協調器和四個RFD終端節點共同組成一個星型拓撲結構的微型ZigBee胎壓監測網絡，射頻方式符合IEEE 802.15.4協議標準。 圖1 監測網絡原理框圖 監測網絡硬件方案設計 該監測網絡中包括兩種硬件模塊：輪胎監測器和車載監視器�；赯igBee技術的原理和特點，本文以Chipcon公司的系統級芯片CC2430為核心，設計了輪胎監測器和車載監視器的硬件電路，如圖2所示。 圖2 硬件模塊框圖 1 射頻處理芯片選型 射頻處理單元是無線輪胎監測器模塊的核心部分。由于輪胎監測器安裝在輪轂上，采用能量有限的鋰電池供電，因此射頻處理芯片需具有以下特點：功耗低、體積小、支持IEEE 802.15.4標準。 根據以上特點，并經過分析比較，最終選用了CC2430這款系統級芯片。CC2430是Chipcon公司生產的2.4GHz射頻芯片，符合IEEE 802.15.4標準，傳輸速率最高250Kb/s，采用具有內嵌閃存的0.18μm CMOS標準技術，休眠模式功耗僅0.9μA，集8051內核與無線收發模塊于一體，簡化了電路的設計，且尺寸只有7mm×7mm。 2 壓力溫度傳感器選型 汽車輪胎特殊的工作環境，決定了胎壓監測傳感器的高要求，即低功耗、寬溫區、寬電源電壓范圍內較高的精度和可靠性。本設計選用了Infineon公司的硅壓阻式壓力傳感器SP12，其工作電壓1.8～3.6V，具有壓力范圍100～450kPa、溫度范圍-40℃～125℃的測量能力。 3 車載監視器設計 如圖2所示，車載監視器同樣以CC2430為核心，負責射頻數據的收發、顯示和報警。顯示屏為定制的LCD字符型段碼屏，通過I/O口模擬I2C與單片機通信，屏上有左前輪、左后輪、右前輪、右后輪以及溫度超限、氣壓低、氣壓高等可視化圖標，再配合蜂鳴器和發光二極管，非常方便駕駛員對輪胎運行狀態的掌控。三向鍵作為一個人機交互的窗口，可通過手動操作查看特定輪胎的運行狀態，或設置溫度、氣壓報警門限值。因為車載監視器采用汽車電源供電，因而低功耗設計上的考慮可相對少一些。 4 電路抗干擾措施 由于是高頻電路，克服器件的相互干擾尤為重要，為保證系統長期穩定、可靠的運行，建議在電路設計中采取以下措施。 ● 采用四層PCB，頂層主要走信號線，頂層下面依次是是地平面層、電源平面層和底層，為防止高頻信號的輻射和串擾，應盡量縮小信號回路面積，同時采用多點接地，降低接地阻抗。 ● CC2430芯片底部必須采用少量過孔與地相連，保證芯片體可靠接地。 ● 去耦電容必須盡可能靠近3V和1.8V電源引腳，并且電容接地端通過過孔就近接地，去耦電容的充放電作用使集成芯片得到的供電電壓比較平穩，減少了電壓振蕩現象。 ● 芯片外圍器件的尺寸應盡可能的小，建議使用0402規格的阻容器件。 ● 將CC2430和SP12未用的信號輸入引腳通過一個10kΩ電阻上拉到高電平或下拉到低電平，因為開路的輸入端有很高的輸入阻抗，很容易受外界的電磁干擾使懸浮電平有時處于“1”，有時處于“1”到“0”的過渡狀態，易引起邏輯電路的誤導通。 監測網絡軟件方案設計 對于胎壓監測網絡的軟件設計，有以下三個關鍵技術需要解決。 1 如何識別輪胎 為降低數據幀的長度，降低功耗，本設計沒有采用IEEE 802.15.4規定的標準幀格式，而是對其進行了簡化，如表1所示。在胎壓監測ZigBee網絡中，四個輪胎監測器的地址分別為0x01、0x02、0x03、0x04，車載監視器的地址設為0x88。當車載監視器接收到一幀數據后，只需根據源地址域的內容即可判斷是哪一個輪胎的檢測數據。 2 避免發送沖突 IEEE 802.15.4介質訪問控制層協議規定采用CSMA/CA競爭性接入方式以避免訪問沖突。而CSMA/CA方式會使得大多數目的地址不符的節點由于接收信標幀造成無謂的能耗。為此，采用了一種基于素數的動態時延算法，上電后各輪胎監測節點先采集數據，數據采集完成后按素數進行延時，延時一到再把數據發送出去，發送完關閉無線收發器，開始新一輪數據采集。例如，地址為0x01的輪胎監測器延時按150ms×N1（N1=2，19）周期變化。四個輪胎N1、N2、N3、N4分別取不同的素數，這種基于素數動態延時的算法既能有效避免各監測節點發送沖突，又能降低能耗，延長網絡壽命。 3 如何節能 一個輪胎監測器節點要在一節鋰電池下工作2～5年。射頻發送數據幀時耗電最大，因此在保證數據傳輸正確的前提下應盡量減少發送次數。監測器節點上電初始化之后就開始數據采集，把測量的數據與設定閥值相比較，如果超過或低于設定值就立刻進行數據發送，反之計數器減1，采取測量10次（約60s）上傳一次數據。這樣既能降低功耗又能及時應對輪胎壓力和溫度的異常變化。數據包發送控制算法流程如圖3所示。 圖3 數據包發送控制流程圖 性能測試 根據上述方案設計了一套測試用樣品，包括四個輪胎監測器和一個車載監視器。將四個輪胎監測器放在同一個輪胎中，進行充放氣實驗。當氣壓值從正常到低壓或高壓時，車載監視器能夠準確顯示氣壓值，氣壓低或氣壓高時LCD屏對應狀態圖標閃動，蜂鳴器同時發出報警，經反復測試得出具體性能指標如下。 ● 可監測胎壓范圍為100～450kPa，精度1.4kPa，通常轎車的輪胎氣壓在220～280kPa之間。 ● 可監測溫度范圍為-40℃～125℃，轎車的輪胎溫度一般在75℃左右。 ● 利用SmartRF*估平臺測得室內點對點數據傳輸速率最大約250Kb/s。 ● 監測網絡的工作壽命可達到2年以上。由于數據在收發的時候功耗最大（可達到10mA以上），為使整個網絡的工作壽命達到2年以上，一方面在體積允許的條件下選用了較大容量的鋰電池（1700mA·h），另一方面通過提高動態時延的基數值以減小數據收發的時間和頻率。 結束語 本文提出一種基于ZigBee網絡的TPMS設計方案。該系統不僅成本低廉而且性能安全可靠。經實際測試，該TPMS系統在低功耗、氣壓異常報警等各項性能指標均達到設計要求，同時配有直觀的操作界面方面用戶使用。 本設計的創新之處在于實現了輪胎識別的唯一性，采用一種基于素數的動態時延算法有效解決了發送數據的沖突，提出的節能算法既實現了功耗控制又兼顧了數據發送的實時性。 |
