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ZigBee无线胎压监测系统解析
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2017-11-30
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引言：
随着商业用车和家庭用车的日益增多，汽车安全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，美国运输部国家公路交通安全管理委员会（NHTSA）制定的法规中规定：2003年11月到2006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的研究和投产势在必行。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，从而有效的避免交通意外的发生。
1 ZigBee技术简介
ZigBee是一个简单的、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、有可靠的数据传输、通信距离短、成本低、极好的电池寿命的网络，并且能保持简单的和灵活的网络协议。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：发射功率为1mw，两节普通干电池可以用6个月到两年。
数据传输率低：ZigBee通信在免费2.4 GHz工业、科学、医学（ISM）的最高传输速率为250kbps，适用于报文吞吐量较小的通信应用场合。
信道接入方式采用CSMA-CA，能有效地减少了帧冲突。具有高可靠性、良好的安全性和兼容性。
2 TPMS硬件设计
TPMS系统采用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，精确可靠。
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、正温度系数扩散电阻温度传感器和所有必需电路，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种工作模式灵活运用以求节电；内置低频振荡器，可用于唤醒MCU；8位数据输出：SSOP封装；介质保护［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。本设计中采用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。
典型的发射功率为0dBm。
采用DSSS扩频通信技术，最大速率为250kbps。
在分组差错率为1％的情况下，其接收灵敏度为－94dBm。
邻近信道干扰》30dBm，间隔信道干扰》53dBm。
工作温度为－45oC到125oC。适用于恶劣的工作环境。
供电设备：使用专业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。
随着商业用车和家庭用车的日益增多，汽车安全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，美国运输部国家公路交通安全管理委员会（NHTSA）制定的法规中规定：2003年11月到2006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的研究和投产势在必行。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，从而有效的避免交通意外的发生。
1 ZigBee技术简介
ZigBee是一个简单的、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、有可靠的数据传输、通信距离短、成本低、极好的电池寿命的网络，并且能保持简单的和灵活的网络协议。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：发射功率为1mw，两节普通干电池可以用6个月到两年。
数据传输率低：ZigBee通信在免费2.4 GHz工业、科学、医学（ISM）的最高传输速率为250kbps，适用于报文吞吐量较小的通信应用场合。
信道接入方式采用CSMA-CA，能有效地减少了帧冲突。具有高可靠性、良好的安全性和兼容性。
2 TPMS硬件设计
TPMS系统采用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，精确可靠。
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、正温度系数扩散电阻温度传感器和所有必需电路，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种工作模式灵活运用以求节电；内置低频振荡器，可用于唤醒MCU；8位数据输出：SSOP封装；介质保护［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。本设计中采用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。
典型的发射功率为0dBm。
采用DSSS扩频通信技术，最大速率为250kbps。
在分组差错率为1％的情况下，其接收灵敏度为－94dBm。
邻近信道干扰》30dBm，间隔信道干扰》53dBm。
工作温度为－45oC到125oC。适用于恶劣的工作环境。
供电设备：使用专业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。
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