基于ZigBee的无线胎压监测系统的设计.docx

PAGE 1 PAGE 1 基于ZigBee的无线胎压监测系统的设计 本文主要提出了基于一种新的无线技术—ZigBee的新型的胎压监测系统（TPMS）的设计方案。鉴于ZigBee低成本、低功耗等特点，适用于胎压监测系统，目前业界还没有消失类似的设计方案。本设计为直接式胎压监测系统，即在车辆轮胎上安装压力和温度传感器，通过ZigBee无线方式将胎压的信息传送给车内显示模块，并显示在液晶显示屏上。由此可实时监测车辆的胎压状况，并在胎压特别状况下发出报警。 引言  随着商业用车和家庭用车的日益增多，汽车平安越来越受到人们的重视。美国汽车工程师协会的调查统计表明，美国每年有26万起交通事故是由于汽车轮胎气压低或渗漏造成的，美国运输部国家大路交通平安管理委员会（NHTSA）制定的法规中规定：2022年11月到2022年10月31日期间，美国新出厂的轻型汽车将逐步引入胎压监测系统（Tire Pressure Monitoring System,TPMS）[1].可见，TPMS的讨论和投产势在必行。TPMS主要用于实时监测汽车轮胎温度和压力，当压力和温度超出或低于标准值范围时，系统发出蜂鸣或光报警信号，从而有效的避开交通意外的发生。  1 ZigBee技术简介  ZigBee是一个简洁的、低成本的网络通信技术，它应用于一些功率有限和对网络吞吐量无严格要求的设备之间的无线连接。ZigBee能建立一个易于安装、有牢靠的数据传输、通信距离短、成本低、极好的电池寿命的网络，并且能保持简洁的和敏捷的网络协议。其主要技术特点如下：  低成本：ZigBee通信模块的单位成本已经减小到两美元左右。  低功耗：放射功率为1mw,两节一般干电池可以用6个月到两年。  数据传输率低：ZigBee通信在2.4 GHz工业、科学、医学（ISM）的传输速率为250kbps,适用于报文吞吐量较小的通信应用场合。  信道接入方式采纳CSMA-CA，能有效地削减了帧冲突。具有高牢靠性、良好的平安性和兼容性。  2 TPMS硬件设计  TPMS系统采纳直接式温度压力测量系统。该系统分为两个模块：远程感应模块和接收显示模块。远程感应模块利用车胎内的温度压力传感器和无线收发器，把数据发送给车内的接收显示模块。直接式系统特点是成本偏高，但监测效果较好，牢靠。  2.1 远程感应模块：  该模块固定安装于4个车胎内部，负责数据的采集、简要处理及传输。其硬件结构包括压力温度传感器元件、MCU、ZigBee无线通信装置、天线和供电设备，如图1所示：   图1 TPMS远程感应模块硬件结构图  传感器：选用Daytona传感器，它是一种表面微机械型电容性微机电系统（MEMS）单芯片压力传感器，包括压力变换器、正温度系数集中电阻温度传感器和全部必需电路，用以产生一个校准的8bit温度和压力数字输出。Daytona的特点是专用于TPMS温度和压力测量：单片MEMS微机械压力感应单元；3V工作电压；低功耗、待机电流600nA；压力采样电流1.5mA；温度采样电流500uA；4种工作模式敏捷运用以求节电；内置低频振荡器，可用于唤醒MCU；8位数据输出：SSOP封装；介质爱护[2]。  MUC和ZigBee无线通信装置：远程感应模块通信都是由ZigBee收发器来实现的。本设计中采纳Chipcon公司的ZigBee单芯片CC2430.该芯片集成了8051单片机（MCU）和ZigBee收发器，具有以下一些特点[3]:  16个信道。  典型的放射功率为0dBm。  采纳DSSS扩频通信技术，速率为250kbps。  在分组差错率为1%的状况下，其接收灵敏度为-94dBm。  邻近信道干扰gt;30dBm，间隔信道干扰gt;53dBm。  工作温度为-45oC到125oC.适用于恶劣的工作环境。  供电设备：使用的胎压监测系统电池，由于ZigBee和Daytona的低功率特点，其可有效供电10年以上。  2.2 接收显示模块：  一般安装于车内仪表板四周。用于接收和处理远程感应模块传送来的数据。该模块由ZigBee无线接收装置、天线、液晶显示装置、键盘和MCU组成，如图2所示：   图2 TPMS接收显示模块硬件结构图  接收显示模块的ZigBee收发器和MCU同样采纳CC2430来实现的。  LED:液晶显示装置需要图形显示和数字显示两个部分。图形显示为车辆的简化图，当发生报警时，可以分别接通该图中用于表示左前、右前、左后、右后4个车轮的发光二极管，显示告警的远程