摘 要：針對直接式胎壓監測系統中傳輸信號不穩定、成本高、功耗高等問題，提出了一種應用于胎壓監測系統、基于短距離無線通信ZigBee的技術方案。該方案能夠實時監控輪胎內部狀態, 降低系統功耗、提高系統可靠性，有效地避免了因胎壓過高或過低引發的交通事故，保障行車安全。
關鍵詞：ZigBee；無線傳感器網絡；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。據美國汽車工程師學會最近的調查顯示，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,而中國高速公路發生的交通事故中有70%～80%是由爆胎引發的，因高速行駛中突然爆胎而導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鍵，于是胎壓監測系統(TPMS)應運而生。胎壓監測系統能夠對輪胎內的溫度和氣壓實時地自動監測，在輪胎出現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、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，是為了滿足小型廉價設備的無線聯網和控制而制定的。它是基于IEEE802.15.4標準的，可以提供機動、靈活的組網方式，用于建立可靠的、高性價比的、低功耗的實時監測和控制的無線網絡，同其他無線技術相比，成本更低、耗能更少、傳輸信號穩定可靠，非常適合用于胎壓監測系統。
本文主要介紹輪胎壓力監測系統的應用設計和實現，利用壓力傳感器無線節點組成ZigBee無線網絡，實現輪胎內部溫度和壓力數據的自動采集和傳輸。由于使用了ZigBee技術，大大降低了系統的成本和功耗，保證了系統的長使用壽命。經試驗，該系統能夠實現胎壓實時監測及異常報警功能。
1 系統原理及結構
1.1?TPMS的工作原理
胎壓監測系統TPMS由輪胎壓力傳感器、MCU、射頻收發器和主機接收器組成。由安裝在輪胎里的傳感器采集內部的溫度和壓力信息，并將其轉換為電信號，經A/D轉換后，由射頻收發器將信息發送給駕駛廂的主機接收器，駕駛者即可掌握各個輪胎內部的溫度、壓力狀況。當輪胎內部的氣壓、溫度發生異常時，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的措施，使胎壓保持在正常的運行狀態，從而保證行車的安全。
1.2?基于ZigBee的胎壓監測系統結構
IEEE802.15.4是IEEE確定的低速率無線個人域網(PAN)標準，ZigBee建立在IEEE802.15.4標準之上，是一種新型的短距離、低速率無線網絡技術，它的顯著特點就是低成本與低功耗。ZigBee協議棧體系結構由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聯盟提供了網絡層(NWK)和應用層(APL)框架的設計。ZigBee協議[3]支持的網絡拓撲結構有3種類型: 星型結構、網狀結構以及簇狀結構，其中星型網絡適合數量少、距離較近的設備聯網，耗能低。ZigBee網絡中的節點分為FFD節點和RFD節點兩類，FFD節點是全功能設備，RFD節點是精簡功能設備。一個ZigBee網絡的形成，必須由FFD擔任網絡協調器，由協調器進行掃描搜索，發現一個未用的最佳信道來建立網絡,再讓其他的FFD或是RFD加入這個網絡。
系統結構圖如圖1所示。根據胎壓監測系統的特點和實際的需要，本文采用了星型網絡拓撲結構，星型網的控制和同步都比較簡單，可降低監測網絡群體的總體功耗。系統結構主要由ZigBee傳感器節點和網絡協調器組成。在星型網絡中，主機接收器是網絡核心節點，負責收集和處理各個傳感器節點數據，并對節點進行管理，是一個網絡協調器(FFD設備)，4個傳感器節點作為終端設備，是網絡節點，向網絡協調器發送數據。
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2? 總體設計及硬件實現
2.1? 總體設計
TPMS的壓力傳感器只能內置在飛轉的車輪中，不便于隨時檢修，這就要求內置的無線通信設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，同時應該克服復雜的環境和金屬結構對電磁波的屏蔽效應。本文設計中選用CC2430芯片作為控制器和射頻收發器，它的體積小，很適合安裝于輪胎內部。檢測裝置大多數情況下使系統處于休眠狀態，當需要時，激活系統使其工作，以達到省電和延長電池壽命的目的。
胎壓監測系統主要包含2個模塊：從機發射模塊和主機接收模塊。從機發射模塊安裝于輪胎內部，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部信息和A/D轉換；無線通信模塊中核心芯片是CC2430，它可以作為處理器來負責節點的操作，處理采集到的信息；CC2430還是射頻收發器，負責與主機進行無線通信，交換信息并發送數據；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送來的信息，當數據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?硬件電路設計
基于ZigBee無線網絡的優勢和特點，本文利用CC2430芯片的集成射頻功能構建胎壓監測系統，壓力傳感器選用SP12芯片。
2.2.1 CC2430芯片
CC2430[4]是Chipcon公司生產的首款符合ZigBee技術的2.4 GHz射頻系統單芯片，采用直接序列擴頻(DSSS)方式，調制方式是O-QPSK。它延用了以往CC2420芯片的架構，在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。它使用1個8位MCU(8051)，具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數字轉換器(ADC)、定時器(Timer)、AES128協同處理器、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；在待機模式下，電流消耗小于0.6μA，外部中斷能喚醒系統。CC2430從休眠模式轉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用。
2.2.2? SP12芯片
傳感器采用英飛凌公司生產的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據，把氣壓、溫度、加速度等物理量轉換為數值量并發送至MCU。SP12芯片采用SPI總線輸出，內置時鐘電路, 能周期性輸出定時喚醒信號和復位信號。SP12的外圍電路也很簡單, 只有電源接口和MCU的數字接口。SP12采用了喚醒瞬態工作模式，當它工作在睡眠工作模式時其功耗僅0.6 mA，器件所有數字模擬部分全部工作時的電流消耗是6 mA，大大降低系統功耗，延長了電池的使用壽命。
2.2.3? 發射模塊硬件設計
胎壓監測系統中發射模塊的傳感器一般都安裝在車輪內,因此, 供電系統一般采用小尺寸電池?？紤]到電池容量、壽命及溫度適應性, 選用鋰亞電池以保證監測模塊在高低溫環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。本文的發射模塊采用3 V鋰電池供電。發射模塊的結構圖如圖2所示。
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從機中，CC2430與SP12通過SPI線交換數據和發送命令。SP12將采集到的數據發送給CC2430，由CC2430轉換成數據幀經天線發送給主機接收模塊。系統平時處于休眠狀態，操作大多都是以中斷服務程序的形式來實現的，采用下降沿觸發的方式，在中斷出發后，終端服務程序讀中斷狀態寄存器的相應位來進行具體操作。為了降低發射模塊的功耗，MCU采用定時喚醒的工作方式，定時信號由SP12提供。該系統通信頻率是2.4 GHz，晶振選擇32 MHz。
2.2.4?接收模塊硬件設計
接收模塊安裝于車廂內部，可以直接利用車廂內部的電源，可以不考慮電源問題。接收模塊的系統結構圖如圖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)協調器自組網，負責組織一個無線網絡，給每個從機分配一個網絡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據幀，實現主機和從機之間的無線通信；(3)存儲和處理數據，MCU接收到輪胎數據，對數據進行分析、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，監測數據通過高分辨率的LCD顯示屏顯示出來，當數據異常時，報警電路報警。
3 TPMS軟件設計
合理安排程序流程才能夠使得整個系統符合低功耗設計。
3.1 發射模塊的軟件設計
發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從睡眠狀態喚醒。當CC2430檢測到喚醒命令時被激活，它的寄存器狀態發生變化，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定的范圍則表明汽車處于停止狀態，MCU重新進入睡眠狀態。若加速度大于某個設定的范圍則汽車已經在運行狀態，傳感器SP12采集溫度壓力數據，采用閾值比較法，把當前獲得的數值與寄存器中的報警閾值進行比較，若超出閾值范圍，說明數據異常，向主機提示進行報警；數據正常時，再判斷定時發送數據的時間，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，把數據包發送到主機。發送成功后, CC2430重新進入休眠狀態。再判斷定時發送數據的時間，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，把數據包發送到主機。發送成功后，CC2430重新進入休眠狀態，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合使整個設計符合低功耗要求，又能保證系統的可靠性。
3.2 接收模塊的軟件設計
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，配置相關寄存器，主機進入等待數據狀態。接收到一個數據幀后，主機將接收到的數據包中的信息與E2PROM中的信息進行對比，判斷是哪個輪胎的數據，經過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。
無線傳感器網絡節點要進行相互的數據交流就要有相應的無線網絡協議。本文中主機和從機基于ZigBee通信協議進行模塊間的無線通信。
發射模塊以數據幀的形式發送數據，通過發送數據幀的前導位喚醒接收模塊，隨后發送數據幀，數據幀格式如表1所示。
參考文獻
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[2]?顧瑞紅.基于ZigBee的無線網絡技術及其應用[J].電子技術應用,2005,31(6):152-156.
[3]?ZigBee Alliance. ZigBee Specification [G/OL]. www.ZigBee. org.2008.
[4]?寧炳武, 劉軍民.基于CC2430的Zigbee網絡節點設計[J]. 電子技術應用,2008(3):95-99.
[5]?顏重光等.新型實用傳感器應用指南[M].北京: 電子工業出版社, 1998.