ZigBee無線胎壓監(jiān)測系統(tǒng)解析

引言：
　　隨著商業(yè)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(xié)會的調(diào)查統(tǒng)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(guī)中規(guī)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(jiān)測系統(tǒng)（Tire Pressure Monitoring System，TPMS）［1］?？梢?，TPMS的研究和投產(chǎn)勢在必行。TPMS主要用于實時監(jiān)測汽車輪胎溫度和壓力，當(dāng)壓力和溫度超出或低于標(biāo)準(zhǔn)值范圍時，系統(tǒng)發(fā)出蜂鳴或光報警信號，從而有效的避免交通意外的發(fā)生。
　　1 ZigBee技術(shù)簡介
　　ZigBee是一個簡單的、低成本的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，它應(yīng)用于一些功率有限和對網(wǎng)絡(luò)吞吐量無嚴(yán)格要求的設(shè)備之間的無線連接。ZigBee能建立一個易于安裝、有可靠的數(shù)據(jù)傳輸、通信距離短、成本低、極好的電池壽命的網(wǎng)絡(luò)，并且能保持簡單的和靈活的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。其主要技術(shù)特點如下：
　　低成本：ZigBee通信模塊的單位成本已經(jīng)減小到兩美元左右。
　　低功耗：發(fā)射功率為1mw，兩節(jié)普通干電池可以用6個月到兩年。
　　數(shù)據(jù)傳輸率低：ZigBee通信在免費2.4 GHz工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)（ISM）的最高傳輸速率為250kbps，適用于報文吞吐量較小的通信應(yīng)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(shè)計
　　TPMS系統(tǒng)采用直接式溫度壓力測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為兩個模塊：遠(yuǎn)程感應(yīng)模塊和接收顯示模塊。遠(yuǎn)程感應(yīng)模塊利用車胎內(nèi)的溫度壓力傳感器和無線收發(fā)器，把數(shù)據(jù)發(fā)送給車內(nèi)的接收顯示模塊。直接式系統(tǒng)特點是成本偏高，但監(jiān)測效果較好，精確可靠。
　　2.1 遠(yuǎn)程感應(yīng)模塊：
　　該模塊固定安裝于4個車胎內(nèi)部，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、簡要處理及傳輸。其硬件結(jié)構(gòu)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(shè)備，如圖1所示：
　　
　　圖1 TPMS遠(yuǎn)程感應(yīng)模塊硬件結(jié)構(gòu)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(tǒng)（MEMS）單芯片壓力傳感器，包括壓力變換器、正溫度系數(shù)擴散電阻溫度傳感器和所有必需電路，用以產(chǎn)生一個校準(zhǔn)的8bit溫度和壓力數(shù)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(yīng)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(jié)電；內(nèi)置低頻振蕩器，可用于喚醒MCU；8位數(shù)據(jù)輸出：SSOP封裝；介質(zhì)保護(hù)［2］。
　　MUC和ZigBee無線通信裝置：遠(yuǎn)程感應(yīng)模塊通信都是由ZigBee收發(fā)器來實現(xiàn)的。本設(shè)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(fā)器，具有以下一些特點［3］：
　　16個信道。
　　典型的發(fā)射功率為0dBm。
　　采用DSSS擴頻通信技術(shù)，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(huán)境。
　　供電設(shè)備：使用專業(yè)的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)電池，由于ZigBee和Daytona的低功率特點，其可有效供電10年以上。