Zigbee无线网络在汽车轮胎压力监测中的应用

1  Zigbee技术概述 

      Zigbee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。一般而言， 随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。相对于现有的各种无线通信技术，Zigbee技术将是最低功耗和成本的技术。同时基于Zigbee技术的低数据速率和通信范围较小的特点，也决定了Zigbee技术适合于承载数据流量较小的业务。Zigbee技术的主要优点有：省 电、可靠、成本低、时延短、网络容量大、安全。

      Zigbee是一组基于IEEE批准通过的802．15．4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。它不仅只是802．15．4的名字。IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，Zigbee联盟对其网络层协议和API 进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32   K 字节。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。Zigb ee 联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。

      完整的Zigbee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。网络层以上协议由Zi gbee 联盟制定，IEEE802．15．4负责物理层和链路层标准。图1所示为Zigbee协议架构。

2  Zigbee在汽车轮胎压力监测系统中的应用

      目前高速公路的车辆交通事故日益增多，很大部分是由于轮胎的气压过高或过低导致轮胎爆胎引起的。轮胎压力监测系统全天候对轮胎里的压力进行监测，对轮胎的漏气和低压、高压进行监测和报警，使车辆始终处于安全运行状态。尽量避免因轮胎气压所导致的交通事故。 

      Zigbee主要应用在距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间，典型的传输数据类型有周期性数据、 间歇性数据和低反应时间数据。根据设想，它的应用目标主要是：工业控制( 如自动控制设备、无线传感器网络)，汽车无线监测( 如轮胎气压、温度等)，医护( 如监视和传感) ，家庭智能控制( 如照明、水电气计量及报警)，消费类电子设备的遥控装置、PC外设的无线连接等领域。

2．1 系统组成及原理

      轮胎压力监测系统由轮胎压力传感器、控制器、射频发射器和接收机组成。轮胎压力传感器由摩托罗拉公司开发的集成电容式压力传感器MPXY8020A作为胎压检测单元，具有低功耗和全集成的特点。采用Zigbee模块CC2430作为信号控制处理与发射接收单元。 

装在每一个车轮胎里的压力传感器将轮胎里的压力、温度信息经射频发射器将轮胎压力、温度等信息从轮胎内部传送给驾驶室里的接收器模块，能够让驾驶员在汽车运行时了解到轮胎的工作情况，检测轮胎的气压、温度是否正常，并进行异常报警，确保安全。智能轮胎与汽车仪表盘上一个接受器及显示器配合，即构成一个轮胎压力器监测系 统( TP MS) 。 

2．2  CC2430在汽车检测系统的应用

      发射接收、数据处理元件以CC2430为核心的轮胎压力检测系统的原理结构如图2所示。

1 ) 传感器数据的处理。装在每一个车轮胎里( 4 个轮在车上，1个备用轮) 的压力传感器( Motorola器件号MP XY8020A)是电容型 ME MS压力传感器，专用于满足TP MS在温度和压力媒介兼容方面的要求。它是一个单体压力和温度传感器，并具备电源管理和数字输出功能。

2 ) 轮胎数据发射。为了保证在恶劣的环境下收发数据的可靠性，以及根据本应用信息量小、数据简单的特点，采用信息冗余的方法来保证数据可靠地接收，即连续发送相同内容的信息。数据的发送处理，这里采用CC2430模块。

3 ) 轮胎数据接收。为了降低功率，节约电池的电能，在驾驶室数据处理器中安装有加速度传感器，一旦车辆启动，就激活各轮胎中的压力检测发射电路，车辆停止，轮胎中电路进入睡眠模式。 

4 ) 轮胎压力显示、报警。根据轮胎类型、季节， 可在驾驶室控制器中设置轮胎压力、温度数据。控制器在车辆运行时连续接收轮胎数据，并进行数据分析、保存、显示。如果出现异常，报警提示驾驶员。存储在FLASH中的数据可供事后分析事故使用。

2．3  CC2430模块

      CC2430芯片以强大的集成开发环境作为支持，内部线路的交互式调试以遵从IDE的IAR工业标准为支持，得到嵌入式机构很高的认可。它结合Chipcon公司全球先进的Zigbee协议栈、工具包和参考设计，展示了领先的Zigbee解决方案。其产品广泛应用于汽车、工控系统和无线感应网络等领域， 同时也适用Zigbee之外2．4 G Hz 频率的其他设备。

1 ) CC2430芯片的主要特点：高性能和低功耗的8051微控制器核：集成符合IEEE802．15．4标准的2．4GHz的RF无线电收发机；优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性；在休眠模式时仅0．9的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统；在待机模式时少于0．6的流耗，外部的中断能唤醒系统；硬件支持cSMCA功能；较宽的电压范围(2．0～ 3．6V)；数字化的RSSI ／LQ1支持和强大的DMA功能；具有电池监测和温度感测功能；集成了14位模数转换的ADC；集成AES安全协处理器；带有2个强大的支持几组协议的USART，以及1个符合IEEE802．15．4规范的MAC计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器；强大和灵活的开发工具。CC2430的Zigbee基本组成框图如图3所示。

2 ) 典型应用电路。CC2430的典型应用电路如图4所示，其中：图4(a) 为TP MS发送器，图4(b)为TP MS接收器， 图4(c) 为 CC2430模块原理图。该电路主要用于低功耗耐压监控系统。

3  TPMS系统软件设计

      TPMS的软件比较简单，轮胎监测模块主要对气压、温度及电源电压数据进行测量、处理和传输。主机显示模块接收到数据帧并经校验后显示气压、 温度和电压值，并且与报警阈值进行比较以判断是否需要报警。整个系统对低功耗设计要求非常高，所以应尽可能合理安排程序流程，优化软件算法。轮胎监测模块的主程序在执行完初始化功能后便根据当前气压值与报警阈值的差值设置定时时间，然后进入低功耗模式。模块供电电压、轮胎气压和温度的监测与数据的传输都放置在定时程序，定时结束立即进入低功耗模式。主机上电后，进行CC2430初始化，配置完层次CC2430后，模块进入等待数据工作状态。在接收到一个数据帧并经CRC校验和轮胎ID判断无误后，送数码显示并点亮相应的指示灯以表示各模块工作正常。当轮胎监测模块供电电压、气压及温度接收或低于报警阈值时，主机启动LED闪烁警告或蜂鸣器报警。轮胎中模块软件流程图如图5所示， 车内控制器软件流程如图6所示。

图5　 轮胎中模块流程图

图6　 车内控制器流程图

      为了实现4个轮胎模块与中央接收模块进行无线通信的目的，发射机和接收机都需要按要求支持一个简单的通信协议。轮胎模块以数据包( 帧) 的形式发送数据，当轮胎模块中的MCU决定要发送数据(由传感器采集到的温度、压力数据) 时，通过发送数据帧的前导位唤醒接收模块，随后发送数据帧，其数据帧格式见表1 。

4   结束语

      Zigbee技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，通过传感器无线网络连接到汽车各种智能仪表、监控设备以及报警设备，达到监测轮胎压力、提前预警，避免因轮胎气压不符合标准所导致的交通事故的目的。该TPMS系统具有体积小、成本低、双向全时的特点，将会得到广泛的应用。