基于ZigBee无线网络技术的TPMS研究

摘 要： 研究一种基于ZigBee技术的TPMS系统，该系统可随时测量轮胎的压力、温度、加速度及电池电压，确定故障轮胎并及时报警。

关键词： 轮胎压力；TPMS；ZigBee；加速度

中国分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1210005－02

汽车轮胎压力监测系统，通称Tire Pressure Monitoring System，简称TPMS，该系统通过对汽车轮胎的压力、温度等进行动态实时监测，并在监测到轮胎状况异常时进行报警，从而有效预防爆胎，以保障驾乘者的行车安全。

ZigBee技术[1]是一种新兴的智能传感器与控制技术，是传感器与无线网络技术的结合，广泛应用在环境监控以及工业控制等领域。由于其具有低成本、体积小、实时性强、功耗低、抗干扰能力强、嵌入性好等特点[2]，特别适用于工作现场恶劣、实时性强、传输距离短且布线不方便的场合。同时，采用了碰撞避免机制（CSMA-CA），避免了发送数据时的冲突。

本文结合对汽车轮胎压力监测系统的要求，研究一种基于ZigBee技术的TPMS，减少了系统的成本和复杂性，降低了系统的功耗，提高了系统控制精度。

1 系统总体结构

系统由四个轮胎模块、一个主控模块和一个显示报警模块组成。其总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构图

2 系统硬件设计

系统轮胎模块和主控模块分别选用超低功耗的MSP430F1232和MSP430F149作为核心微处理器。两者工作电压为1.8～3.6V均可，工作温度范围为：-40℃～+85℃，采用3.3V的工作电压。

2.1 轮胎模块

图2 轮胎模块功能图

轮胎模块是整个TPMS设计的精华所在。轮胎模块体积尽量小、重量尽量轻，所选择的芯片满足汽车/军工级，还应考虑低功耗、便于微处理器控制和管理等问题。轮胎模块功能图如图2所示。

2.1.1 传感器模块

传感器是TPMS中的基础器件，负责最初的信号采集和转换工作，其工作的稳定性和精度最终影响整个系统的性能与质量[3]。系统选用Infineon公司的传感器SP12，其集成了硅微机械加工的压力、加速度、温度和电池电压监测器，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CMOS大规模集成电路，能直接以数字形式输出各物理量的示值。

SP12提供两路输出，WAKEUP信号和RESET信号，均为低电平有效。SP12的WAKEUP信号每隔6s为微处理器提供唤醒信号，将微处理器从低功耗PM0模式下唤醒；RESET信号每隔51min为微处理器提供定时复位信号，防止系统死机时，工作于恶劣环境的轮胎模块程序跑飞。

2.1.2 无线通信模块

系统选用Chipcon AS公司推出的用来实现ZigBee应用的RF收发器CC2420。它具有集成度高、低成本、低电压、低功耗的特点，能够进行鲁棒的无线通信；支持2.4GHz IEEE802.15.4/ZigBee协议。

2.2 主控模块

当TPMS应用于具有车载网络的汽车上时，主控模块和显示报警模块可以通过CAN接口实现数据传输。针对CAN接口电路，这里不再赘述。

主控模块的无线通信模块与轮胎模块无线通信模块设计相似，如图2所示。CC2420仍以SPI方式和MSP430F149进行数据通信，只是连接的引脚不同。

3 系统软件设计

系统对低功耗设计要求非常高，故在软件设计上应尽可能合理安排程序流程，优化算法，以减少系统功耗[4]。

3.1 轮胎模块程序设计

系统将轮胎模块分为三种工作模式：休眠模式、低速工作模式和高速工作模式。当轮胎模块进入休眠状态时，传感器SP12每51min会提供一个外部复位信号给MSP430F1232，防止程序跑飞。轮胎模块从休眠状态转为工作状态可以通过SP12的WAKEUP信号实现，该信号每6s向MSP430F1232发送低频脉冲信号唤醒MSP430F1232。当其被唤醒时，检测离心加速度 ，据 推算出汽车的行驶速度 ，换算公式如式（1）、式（2）和式（3）所示。

式中：

-轮胎模块安装处离心加速度

-车轮角速度

-轮胎模块安装处距离轮轴的距离

-车轮最大半径

-车轮最大半径处线速度

-汽车行驶速度

由式（1）、（2）和（3）可以看出离心加速度 和车速 一一对应，根据 的大小将汽车行驶状态分为停放、低速和高速行驶三种状态，并设定高速阈值 。

轮胎模块一次测量各参数的流程如图3所示。当微处理器接到唤醒进入中断响应，并唤醒SP12进入工作状态，先测量加速度 ，并对 进行比较判断：

1）停放状态（ ），系统转入休眠模式。该模式下，不测量数据，也不发送数据，MSP430F1232进入休眠模式，6s后SP12的WAKEUP信号唤醒MSP430F1232进入工作模式，重新测量加速度 。

2）低速行驶状态（ ），系统转入低速工作模式。该模式下，轮胎模块测量压力和温度值，当温度、压力值超出正常范围时，每6s发送一次数据；当压力、温度值在正常范围内时，延时3min后发送一次数据。之后，微处理器进入休眠模式，等待下一次SP12唤醒。

3）高速行驶状态（ ），系统转入高速工作模式。在该模式下，轮胎模块除了测量压力和温度数据外，还测量轮胎模块的供电电压值，发送数据的时间间隔也相应缩短，每隔3s测量一次并发送。

图3 轮胎模块软件流程图

表1 数据帧格式

3.2 主控模块程序设计

主控模块程序流程如图4所示。接通电源，微控制器MSP430F149先对自身进行初始化，等待数据到来。当有数据到来时，检测CRC以及ID码正确后，则将数据传送到显示报警模块进行显示或报警。

3.3 无线通信协议

系统无线通信为半双工异步通信，工作频段为2.4GHz，O-QPSK信号调制方式，发射波特率为250kbps。按照ZigBee/ IEEE802.15.4网络标准的帧格式，设计本系统的可变包长通信协议，其数据帧格式如表1所示。

4 结束语

本文所设计的基于ZigBee

技术的TPMS系统，具有低成本、低功耗、运行可靠、实时性强等特点，在未来汽车网络监控系统中具有较好的应用前景。

参考文献：

[1]Zigbee work Specification(Draft Version1.0)，[EB/OL].2004.www.省略.2009.

[2]任秀丽、于海斌，ZigBee技术的无线传感器网络的安全性研究[J].仪器仪表学报，2007，28（12）：2133.

[3]刘芳，基于射频收发芯片CC1100的TPMS系统[D].合肥：合肥工业大学，2008.

[4]陈广秋、秦永左、杨洪伟，智能轮胎压力监视系统的研究与实现，长春理工大学学报，2007.