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

道路交通事故是所有國家都面臨的一個(gè)嚴(yán)重的問題。據(jù)美國汽車工程師學(xué)會(huì)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(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)測系統(tǒng)(TPMS)應(yīng)運(yùn)而生。胎壓監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)喬?nèi)的溫度和氣壓實(shí)時(shí)地自動(dòng)監(jiān)測，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(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)測及異常報(bào)警功能。
1 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)
1.1TPMS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(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(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(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)到省電和延長電池壽命的目的。
　　胎壓監(jiān)測系統(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的應(yīng)用。