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論 文 專 利 著 作 項 目 ZigBee 與 Uwb動態 技術FAQ
 

        基于 ZigBee的無線胎壓監測系統的設計
             金純[1、2] 羅鳳[1] 萬正兵[1] 陳峰[3]
(1.重慶郵電大學,400065;2.重慶金甌科技股份有限公司,400041;
3.重慶市科學技術委員會,401147) 摘要:本文主要提出了基于一種新的無線技術——ZigBee的新型的胎壓監測系統(TPMS)的設計方案。鑒于ZigBee低成本、低功耗等特點,適用于胎壓監測系統,目前業界還沒有出現類似的設計方案。本設計為直接式胎壓監測系統,即在車輛輪胎上安裝壓力和溫度傳感器,通過ZigBee無線方式將胎壓的信息傳送給車內顯示模塊,并顯示在液晶顯示屏上。由此可實時監測車輛的胎壓情況,并在胎壓異常情況下發出報警。
關鍵詞:胎壓監測系統 ZigBee 無線通信網絡
文獻識別碼:A
該論文發表于《計算機應用研究》2008年7月第25卷
國際標準刊號:ISSN 1001-3695

The Design of the Wireless Tire Pressure Monitoring System based on the ZigBee
JIN Chun [1、2] LUO Feng [1] WAN Zheng-bing[1] CHEN Feng[3]
(1 Chongqing university of posts and telecommunications, Chongqing, 400065,China,
2 Chongqing JINOU science and technology development co., Ltd, Chongqing, 400039, China
3.Chongqing Science and Technology Commission, Chongqing, 401147, China)

Abstract: This paper give a design about the TPMS based on the ZigBee. Because of the low cost and very low power, ZigBee adapt well to the TPMS, and has not appeared the design currently. This system is the direct TPMS,which fixed the temperature and pressure sensors in its tires, then transmitted the messages to the module in the car through the ZigBee network, and show them on the LED. This system can monitor real-time temperature and pressure information of the tire, and warning at abnormal time.

Keyword:TPMS ZigBee wireless network

引言:
隨著商業用車和家庭用車的日益增多,汽車安全越來越受到人們的重視。美國汽車工程師協會的調查統計表明,美國每年有26萬起交通事故是由于汽車輪胎氣壓低或滲漏造成的,美國運輸部國家公路交通安全管理委員會(NHTSA)制定的法規中規定:2003年11月到2006年10月31日期間,美國新出廠的輕型汽車將逐步引入胎壓監測系統(Tire Pressure Monitoring System,TPMS)[1]?梢,TPMS的研究和投產勢在必行。TPMS主要用于實時監測汽車輪胎溫度和壓力,當壓力和溫度超出或低于標準值范圍時,系統發出蜂鳴或光報警信號,從而有效的避免交通意外的發生。

1 ZigBee技術簡介
ZigBee是一個簡單的、低成本的網絡通信技術,它應用于一些功率有限和對網絡吞吐量無嚴格要求的設備之間的無線連接。ZigBee能建立一個易于安裝、有可靠的數據傳輸、通信距離短、成本低、極好的電池壽命的網絡,并且能保持簡單的和靈活的網絡協議。其主要技術特點如下:

  • 低成本:ZigBee通信模塊的單位成本已經減小到兩美元左右。
  • 低功耗:發射功率為1mw,兩節普通干電池可以用6個月到兩年。
  • 數據傳輸率低:ZigBee通信在免費2.4 GHz工業、科學、醫學(ISM)的最高傳輸速率為250kbps,適用于報文吞吐量較小的通信應用場合。
  • 信道接入方式采用CSMA-CA,能有效地減少了幀沖突。具有高可靠性、良好的安全性和兼容性。

2 TPMS硬件設計
TPMS系統采用直接式溫度壓力測量系統。該系統分為兩個模塊:遠程感應模塊和接收顯示模塊。遠程感應模塊利用車胎內的溫度壓力傳感器和無線收發器,把數據發送給車內的接收顯示模塊。直接式系統特點是成本偏高,但監測效果較好,精確可靠。
2.1 遠程感應模塊:
該模塊固定安裝于4個車胎內部,負責數據的采集、簡要處理及傳輸。其硬件結構包括壓力溫度傳感器元件、MCU、ZigBee無線通信裝置、天線和供電設備,如圖1所示:


                        圖1 TPMS遠程感應模塊硬件結構圖
傳感器:選用Daytona傳感器,它是一種表面微機械型電容性微機電系統(MEMS)單芯片壓力傳感器,包括壓力變換器、正溫度系數擴散電阻溫度傳感器和所有必需電路,用以產生一個校準的8bit溫度和壓力數字輸出。Daytona的特點是專用于TPMS溫度和壓力測量:單片MEMS微機械壓力感應單元;3V工作電壓;低功耗、待機電流600nA;壓力采樣電流1.5mA;溫度采樣電流500uA;4種工作模式靈活運用以求節電;內置低頻振蕩器,可用于喚醒MCU;8位數據輸出:SSOP封裝;介質保護[2]。
MUC和ZigBee無線通信裝置:遠程感應模塊通信都是由ZigBee收發器來實現的。本設計中采用Chipcon公司的ZigBee單芯片CC2430。該芯片集成了8051單片機(MCU)和ZigBee收發器,具有以下一些特點[3]:

  • 16個信道。
  • 典型的發射功率為0dBm。
  • 采用DSSS擴頻通信技術,最大速率為250kbps。
  • 在分組差錯率為1%的情況下,其接收靈敏度為-94dBm。
  • 鄰近信道干擾>30dBm,間隔信道干擾>53dBm。
  • 工作溫度為-45oC到125oC。適用于惡劣的工作環境。

供電設備:使用專業的胎壓監測系統電池,由于ZigBee和Daytona的低功率特點,其可有效供電10年以上。
2.2 接收顯示模塊:
一般安裝于車內儀表板附近。用于接收和處理遠程感應模塊傳送來的數據。該模塊由ZigBee無線接收裝置、天線、液晶顯示裝置、鍵盤和MCU組成,如圖2所示:

圖2 TPMS接收顯示模塊硬件結構圖
接收顯示模塊的ZigBee收發器和MCU同樣采用CC2430來實現的。
LED:液晶顯示裝置需要圖形顯示和數字顯示兩個部分。圖形顯示為車輛的簡化圖,當發生報警時,可以分別接通該圖中用于表示左前、右前、左后、右后4個車輪的發光二極管,顯示告警的遠程感應模塊的具體位置,同時數字顯示部分顯示每個車輪的溫度和壓力的具體數字信息。并在數值超出門閾值時,發出蜂鳴聲告警。
鍵盤用于開啟TMPS系統電源、并可對存儲在MCU的RAM中的歷史數據進行查詢。

3 系統網絡結構和協議
ZigBee網絡層(NWK)支持星形、樹形和網狀網拓撲。在本系統中采用星形拓撲結構,即其網絡由一個單獨設備——ZigBee協調器控制。ZigBee協調器負責發起和維護網絡上的設備和所有的其它設備,終端設備直接和ZigBee協調器通信。位于4個輪胎里的遠程感應模塊為ZigBee終端設備,由簡單功能設備(RFD)組成。位于車內的接收顯示模塊為全功能設備(FFD),作為ZigBee協調器。當ZigBee協調器被激活后,它就可以開始建立一個自己的網絡。通過選擇一個PAN標識符可實現其唯一性,即在某個網絡的覆蓋范圍內,該標識符不能被其它網絡所使用。當選定PAN標識符以后,PAN協調器就可以允許其它設備加入該網絡當中。在本系統中,遠程感應模塊有其唯一的64位IEEE地址,當協調器掃描到具有匹配的64位擴展地址的設備時,便允許其加入網絡,并進行數據傳輸。所有的星形網絡和其它的星形網絡各自獨立運行,就可以避免在車輛行駛中與其它ZigBee設備產生干擾,造成數據丟失。

4 軟件設計
首先應初始化系統,設置壓力、溫度的門閾值以及遠程感應模塊的設備ID。系統啟動后,接收顯示模塊首先發送命令幀給遠程感應模塊,喚醒遠程感應模塊的接收器。遠程感應模塊收到命令幀,返回確認幀,以告知車內接收顯示模塊已激活接收機。遠程感應模塊激活后,傳感器首先采集數據,傳遞給MCU進行處理,然后通過無線收發模塊將數據傳輸給接收顯示模塊,然后自動轉入休眠狀態。接收顯示模塊在收到數據以后,MCU處理數據。通過與標準溫度和壓力數據門閾值的比較,判斷是否產生告警,并把處理結果存儲在MCU的RAM中,以供及時查詢。最后將結果顯示于液晶顯示屏上,以供駕駛員觀測。系統每3秒鐘激活一次遠程感應模塊采集數據;每30秒遠程感應模塊向接收顯示模塊傳送一次數據。
系統的軟件設計主要采用嵌入式操作系統,用C語言進行編程和調試。其軟件流程如圖3所示:

圖3 TPMS軟件流程圖
5 系統誤碼率分析
ZigBee對于不同的信噪比的可以選用不同的消息傳輸速率,從而有效地降低誤碼率。由于本系統的遠程感應模塊放置于胎內,環境較為惡劣。運用低比特率、2字節消息的數據傳輸,可以保證較高的可靠性。對于本系統分析所得的消息誤碼率與信噪比的關系見圖4:

                         圖4 消息誤碼率VS信噪比
小結:通信技術和傳感器技術的迅速發展,TPMS的結構也隨之不斷的更新,在降低功耗和成本的同時,也需要提供數據傳輸的可靠性和安全性。本系統主要是基于ZigBee技術的TPMS,能實時監控的車胎內的溫度和壓力,并能可靠地將數據發送到接收端,有效在各個方面提高TPMS的性能,具有一定的創新性,進一步增強了系統的實用價值。

參考文獻:
[1] 彭鍇、丁國清. 輪胎智能監測系統的研究[J]. 微計算機信息. 2005,21(4):82-83。
[2] TPMS System And Freescale's TPMS Solutions. http://www.Freescale.com, 2006, 11。
[3] cc2430 Data sheet. http:// www.Chipcon.com. 2006. 2006,12.

項目介紹:本文受到重慶市科委自然科學基金"基于無線通信的可穿戴式網絡設備,系統結構及其關鍵技術研究"項目支持,項目編號:CSTC,2005BB2220

作者簡介:
金純(Jin chun):(1966- ),男,籍貫重慶,美國伊利諾伊大學計算機專業博士,重慶郵電大學教授,碩士研究生導師,研究方向:通信網。
羅鳳(Luo feng):(1982- ),女,籍貫重慶,重慶郵電大學通信與信息系統專業碩士研究生,研究方向:個人通信。
萬正兵(Wan Zhengbing):(1981-),男,籍貫湖北,重慶郵電大學通信與信息系統專業碩士研究生,研究方向:個人通信。
陳峰(Cheng feng):男,博士,重慶大學教授,重慶市科學技術委員會,重慶市科委高新技術發展及產業化處副處長。

詳細聯系方式:
通信地址:重慶市高新區石橋鋪渝州路華軒支路108號歸谷城市美墅12-2-101 重慶市金甌科技發展有限責任公司 實習研究生 羅鳳 (收)
郵政編碼:400041 電話:13206149256 E-mail: [email protected]

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