基于ZigBee的汽车轮胎压力实时监测系统设计

道路交通事故是所有国家都面临的一个严重的问题。据美国汽车工程师学会最近的调查显示，美国每年26万起交通事故是由于轮胎气压低或渗漏造成的,而中国高速公路发生的交通事故中有70%～80%是由爆胎引发的，因高速行驶中突然爆胎而导致的车毁人亡事故被列为高速公路意外事故榜首[1]。爆胎已经成为高速驾驶中一个重要的安全隐患。怎样防止爆胎, 在行驶时保证标准的胎压是防止爆胎的关键，于是胎压监测系统(TPMS)应运而生。胎压监测系统能够对轮胎内的温度和气压实时地自动监测，在轮胎出现危险征兆时及时给驾驶员报警，确保行车安全。
　　ZigBee[2]是最近提出的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制而制定的。它是基于IEEE802.15.4标准的，可以提供机动、灵活的组网方式，用于建立可靠的、高性价比的、低功耗的实时监测和控制的无线网络，同其他无线技术相比，成本更低、耗能更少、传输信号稳定可靠，非常适合用于胎压监测系统。
　　本文主要介绍轮胎压力监测系统的应用设计和实现，利用压力传感器无线节点组成ZigBee无线网络，实现轮胎内部温度和压力数据的自动采集和传输。由于使用了ZigBee技术，大大降低了系统的成本和功耗，保证了系统的长使用寿命。经试验，该系统能够实现胎压实时监测及异常报警功能。
1 系统原理及结构
1.1TPMS的工作原理
　　胎压监测系统TPMS由轮胎压力传感器、MCU、射频收发器和主机接收器组成。由安装在轮胎里的传感器采集内部的温度和压力信息，并将其转换为电信号，经A/D转换后，由射频收发器将信息发送给驾驶厢的主机接收器，驾驶者即可掌握各个轮胎内部的温度、压力状况。当轮胎内部的气压、温度发生异常时，主机接收器就会通过报警装置自动报警，提醒驾驶者采取相应的措施，使胎压保持在正常的运行状态，从而保证行车的安全。
1.2基于ZigBee的胎压监测系统结构
　　IEEE802.15.4是IEEE确定的低速率无线个人域网(PAN)标准，ZigBee建立在IEEE802.15.4标准之上，是一种新型的短距离、低速率无线网络技术，它的显著特点就是低成本与低功耗。ZigBee协议栈体系结构由IEEE802.15.4标准定义了较低的2层：物理层(PHY)和媒体接入控制(MAC)子层，ZigBee联盟提供了网络层(NWK)和应用层(APL)框架的设计。ZigBee协议[3]支持的网络拓扑结构有3种类型: 星型结构、网状结构以及簇状结构，其中星型网络适合数量少、距离较近的设备联网，耗能低。ZigBee网络中的节点分为FFD节点和RFD节点两类，FFD节点是全功能设备，RFD节点是精简功能设备。一个ZigBee网络的形成，必须由FFD担任网络协调器，由协调器进行扫描搜索，发现一个未用的最佳信道来建立网络,再让其他的FFD或是RFD加入这个网络。
　　系统结构图如图1所示。根据胎压监测系统的特点和实际的需要，本文采用了星型网络拓扑结构，星型网的控制和同步都比较简单，可降低监测网络群体的总体功耗。系统结构主要由ZigBee传感器节点和网络协调器组成。在星型网络中，主机接收器是网络核心节点，负责收集和处理各个传感器节点数据，并对节点进行管理，是一个网络协调器(FFD设备)，4个传感器节点作为终端设备，是网络节点，向网络协调器发送数据。

2 总体设计及硬件实现
2.1 总体设计
　　TPMS的压力传感器只能内置在飞转的车轮中，不便于随时检修，这就要求内置的无线通信设备使用的电池寿命长(等于或者大于车胎本身的寿命)、体积小、功耗低，同时应该克服复杂的环境和金属结构对电磁波的屏蔽效应。本文设计中选用CC2430芯片作为控制器和射频收发器，它的体积小，很适合安装于轮胎内部。检测装置大多数情况下使系统处于休眠状态，当需要时，激活系统使其工作，以达到省电和延长电池寿命的目的。
　　胎压监测系统主要包含2个模块：从机发射模块和主机接收模块。从机发射模块安装于轮胎内部，主要由传感器模块、无线通信模块和电源模块组成，主要用于采集轮胎内部信息和A/D转换；无线通信模块中核心芯片是CC2430，它可以作为处理器来负责节点的操作，处理采集到的信息；CC2430还是射频收发器，负责与主机进行无线通信，交换信息并发送数据；电源模块一般采用微型电池，如锂亚电池。主机可以随时唤醒从机工作，主要用于接收和显示从机发送来的信息，当数据异常时报警提醒驾驶员，主机接收模块主要由无线通信模块、液晶显示及报警模块和电源模块组成。
2.2硬件电路设计
　　基于ZigBee无线网络的优势和特点，本文利用CC2430芯片的集成射频功能构建胎压监测系统，压力传感器选用SP12芯片。
2.2.1 CC2430芯片
　　CC2430[4]是Chipcon公司生产的首款符合ZigBee技术的2.4 GHz射频系统单芯片，采用直接序列扩频(DSSS)方式，调制方式是O-QPSK。它延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU(8051)，具有128 KB可编程闪存和8 KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、定时器(Timer)、AES128协同处理器、看门狗定时器(Watchdog timer)、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brown out detection)，以及21个可编程I/O引脚。它采用QLP-48封装，尺寸仅有7 mm×7 mm，具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能，电流消耗小，当微控制器内核运行在32 MHz时，RX为27 mA，TX为25 mA，在休眠模式下，电流消耗只有0.9μA，外部中断或者实时时钟能唤醒系统；在待机模式下，电流消耗小于0.6μA，外部中断能唤醒系统。CC2430从休眠模式转换到主动模式的超短时间的特性, 特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。