基于ZigBee无线网络的汽车轮胎监测及报警系统
时间：2020-12-23 08:03:28 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州 315037)
摘 要：本文介绍了一种基于ZigBee无线网络的汽车轮胎监测及报警系统，由ZigBee 网络设备、英飞凌面向TPMS应用的SP12传感器、TI公司的MSP430F149单片机等超低功耗元器件组成，成功解决了汽车轮胎气压检测系统使用年限不足的问题，且利用ZigBee 网络使汽车的无钥门、自动窗、自动雨刷等组成一个智能无线网络，给出了硬件图，并详细介绍了系统实现方案。
关键词：ZigBee；
轮胎监测；
无线网络；
报警系统
中图分类号：U463.341∶TP274+.5 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2007)07—0097—02
随着时代的发展，社会的进步，越来越多的汽车进入了普通百姓的家庭。据中国公安部统计，在国内高速公路上，约70%以上的交通事故是由于爆胎引发的，轮胎缺气行驶是爆胎的祸根。汽车胎压智能监测及报警系统的主要功能是在汽车行驶过程中对各个轮胎的气压和温度进行实时自动地监测，并能对轮胎漏气、低气压、高气压和高温等存在危险隐患的情况进行自动报警，有效防止爆胎事故的发生，保障人们的生命及财产安全，同时能节省油料、延长轮胎寿命及优化车辆性能，从而也提供了汽车的安全附加价值。
本文提出一种基于ZigBee无线网络的汽车轮胎监测及报警系统，在轮胎内部安装的压力传感器和汽车的其他各种传感器组成一个无线局域网，把汽车的无钥车门、自动窗、自动雨刷等集成一体。由于ZigBee设备的地址是全球惟一的，所以能使监控报警端快速识别气压异常的轮胎，而不会在车辆与车辆之间造成干扰。
1 Zigbee无线网络
ZigBee技术是主要应用于自动控制的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信技术。它主要工作在无须注册的2.4GHz ISM频段，数据速率为20～250kbit/s，最大传输范围在10～75m，典型距离为30m，基于ZigBee的无线模块由高度集成的天线、电池及频率控制器组成。在以ZigBee构成的WPAN网络中能支持高达254个用户节点，外加一个全功能器件或主器件，可实现双向通信。ZigBee主要通过降低收发信机的忙闲比及数据传输的频率，降低帧开销以及实行严格的功率管理机制，例如关机及睡眠模式等方式来降低设备的综合功耗。
ZigBee定义了两种物理设备类型：全功能设备FFD (Full Function Device)和精简功能设备RFD (Reduced Function Device)。一般来说FFD支持任何拓扑结构，可以充当网络协调器 (Coordinator)，能和任何设备通信；
RFD通常只用于星型网络拓扑结构中，不能完成网络协调器功能，且只能与FFD通信，两个RFD之间不能通信，但它的内部电路比FFD少，只有很少或没有消耗能量的内存，因此实现相对简单，也更利于节能。ZigBee网络常见的有两种拓扑结构，即星型拓扑和点对点拓扑，如图1所示。每个ZigBee网络至少需要一个FFD实现网络协调功能，终端设备可以是RFD用来降低系统成本。
ZigBee设备在轮胎监控系统中有其独特的优势：①功耗低：ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其他无线设备望尘莫及的。低功耗是轮胎监控的必然要求，因为其放置在轮胎内部，不可能更换电池。②成本低：ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5～2.5美元，并且ZigBee协议是免专利费的。③时延短：通信时延和从休眠状态到激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。短时延可在爆胎的瞬间给出数据，利于安全气囊的弹出等补救措施的实施，把损失降到最低。
2 基于ZigBee无线网络轮胎监控系统介绍
整个系统为星型拓扑结构。硬件示意图如图2所示：
ZigBee FFD为整个汽车的ZigBee网络协调器，一般安装在驾驶室的适当位置，应有良好的人机界面，声光报警等。RFD设备包括安装在轮胎内部的胎压监控终端、无钥车门电子开锁器、自动雨刷的雨量传感器，以及空调开关、温度传感器与自动窗的协调设备等。
3 基于ZigBee无线网络的轮胎监控终端硬件结构
基于ZigBee无线网络的轮胎监控系统中，在每个轮胎内部(位置示意见图3)安装胎压传感器以及一个Zigbee RFD设备。
汽车轮胎独特的工作环境条件，决定了胎压实时监测的压力传感器的高要求：要求宽温区宽电源电压范围内较高的精度和可靠性；
低功耗要求；
恶劣环境无线信号传输稳定性要求。
整个硬件系统为图4所示：
胎压传感器选用英飞凌面向TPMS应用的SP12传感器，该传感器整合了硅显微机械加工的压力与加速度传感器、温度传感器和一个电池电压监测器，提供四合一传感功能，并配有一个能完成测量、信号补偿与调整及SPI串行通信接口的CMOS大规模集成电路。其主要参数指标如下：
压力范围：SP12：100 到 450KPa
SP12T：50 到 1400KPa (大型车辆用)
加速度范围：-12g～115g
温度范围：-40℃～+125℃
传感器供电电压：1.8V～3.6V
检测精度方面：硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成的惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的，其测量精度能达0.01～0.03%FS。
测量可靠性方面：由于传感器的工作环境比较恶劣，在不同温度和不同信号供电电压等的情况下会出现漂移, SP12设有补偿功能，可以对压力、加速度、温度、供电电压信号进行检测和补偿，准确提供不同型号轮胎在不同环境时的正确补偿值，有效地保证了测量可靠性。
降低功耗方面：①英飞凌的SP12传感器首先是采用了唤醒瞬态工作模式，当它工作在睡眠工作模式时其功耗仅0.6微安秒；
②在传感器模块中增加了加速度传感器，利用其质量模块对运动的敏感性，可以实现汽车启动自动开机后才进入系统自检，而如果检测到加速度很小时(表示汽车没有运动)让系统进入睡眠状态，这样大大地降低了系统功耗。
单片机系统方面：中心处理器采用TI公司的MSP430F149单片机。MSP430 F149作为一种新型的单片机，采用了TI公司最新的低功耗技术， MSP430 F149工作在1.8～3.6V电压下，有正常工作模式(AM)和4种低功耗工作模式(LPM1、LPM2、LPM3、LPM4)，在电源电压为3V时，各种模式的工作电流分别为 AM：340uA、LPM1：70uA、LPM2：17uA、LPM3：2uA、LPM4：0.1uA。单片机可以方便地在各种工作模式之间切换。MSP430 F149的超低功耗使其在电池供电、便携式设备的应用中表现出非常优良的特性，可实现胎压的实时取数、Zigbee的协议栈等。
Zigbee射频器件选用CC2420。CC2420是 ChipconAS公司推出的首款符合2.4GHz ZigBee标准的射频收发器。该器件包括众多额外功能，是第一款适用于ZigBee产品的RF器件。它基于Ch
ipcon公司的SmartRF03技术，以0.18umCMOS工艺制成，只需极少的外部元器件，性能稳定且功耗极低。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802154标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250kbs，可以实现多点对多点的快速组网。
4 结束语
对整个系统来说，由于采用的都是低功耗设备，都具有休眠模式，并且利用SP12的加速度传感器，进行整个系统的唤醒，所以在胎压终端采用750 MA的锂电池供电的情况下，预计可工作6～10年时间，具有较大的市场推广应用前景。
［参考文献］
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［2］ 顾瑞红.基于ZigBee的无线网络技术及其应用［J］.电子技术应用,2005,(6):1～3.
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