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(yīng)用于胎壓監(jiān)測系統(tǒng)、基于短距離無線通信ZigBee的技術(shù)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(guān)鍵詞：ZigBee；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；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(xué)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(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(guān)鍵，于是胎壓監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)應(yīng)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(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(luò)，同其他無線技術(shù)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(yīng)用設(shè)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(luò)，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(shù)，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(yīng)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(luò)技術(shù)，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(luò)層(NWK)和應(yīng)用層(APL)框架的設(shè)計。ZigBee協(xié)議[3]支持的網(wǎng)絡(luò)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(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)點分為FFD節(jié)點和RFD節(jié)點兩類，F(xiàn)FD節(jié)點是全功能設(shè)備，RFD節(jié)點是精簡功能設(shè)備。一個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)器進行掃描搜索，發(fā)現(xiàn)一個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)測系統(tǒng)的特點和實際的需要，本文采用了星型網(wǎng)絡(luò)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(luò)群體的總體功耗。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由ZigBee傳感器節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組成。在星型網(wǎng)絡(luò)中，主機接收器是網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點，負責(zé)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(luò)協(xié)調(diào)器(FFD設(shè)備)，4個傳感器節(jié)點作為終端設(shè)備，是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)。
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2? 總體設(shè)計及硬件實現(xiàn)
2.1? 總體設(shè)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(shè)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(yīng)該克服復(fù)雜的環(huán)境和金屬結(jié)構(gòu)對電磁波的屏蔽效應(yīng)。本文設(shè)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(zé)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(zé)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(shè)計
基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(fù)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(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(fù)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(shè)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。考慮到電池容量、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(wù)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(wù)程序讀中斷狀態(tài)寄存器的相應(yīng)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(shè)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(zé)組織一個無線網(wǎng)絡(luò)，給每個從機分配一個網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(shè)計。
3.1 發(fā)射模塊的軟件設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計
接收模塊的程序流程圖如圖5所示。
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上電運行后，初始化接收器的CC2430芯片，配置相關(guān)寄存器，主機進入等待數(shù)據(jù)狀態(tài)。接收到一個數(shù)據(jù)幀后，主機將接收到的數(shù)據(jù)包中的信息與E2PROM中的信息進行對比，判斷是哪個輪胎的數(shù)據(jù)，經(jīng)過CRC校驗和輪胎ID判斷無誤后，送液晶模塊顯示出當前值。當檢測到溫度、壓力值偏離正常值時進行報警，提醒駕駛員注意。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點要進行相互的數(shù)據(jù)交流就要有相應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。本文中主機和從機基于ZigBee通信協(xié)議進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。
參考文獻
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