基于ZigBee技术的新型TPMS设计

监测网络软件方案设计

对于胎压监测网络的软件设计，有以下三个关键技术需要解决。

1 如何识别轮胎

为降低数据帧的长度，降低功耗，本设计没有采用IEEE 802.15.4规定的标准帧格式，而是对其进行了简化，如表1所示。在胎压监测ZigBee网络中，四个轮胎监测器的地址分别为0x01、0x02、 0x03、0x04，车载监视器的地址设为0x88。当车载监视器接收到一帧数据后，只需根据源地址域的内容即可判断是哪一个轮胎的检测数据。

2 避免发送冲突

IEEE 802.15.4介质访问控制层协议规定采用CSMA/CA竞争性接入方式以避免访问冲突。而CSMA/CA方式会使得大多数目的地址不符的节点由于接收信标帧造成无谓的能耗。为此，采用了一种基于素数的动态时延算法，上电后各轮胎监测节点先采集数据，数据采集完成后按素数进行延时，延时一到再把数据发送出去，发送完关闭无线收发器，开始新一轮数据采集。例如，地址为0x01的轮胎监测器延时按150ms×N1（N1=2，19）周期变化。四个轮胎N1、 N2、N3、N4分别取不同的素数，这种基于素数动态延时的算法既能有效避免各监测节点发送冲突，又能降低能耗，延长网络寿命。

3 如何节能

一个轮胎监测器节点要在一节锂电池下工作2～5年。射频发送数据帧时耗电最大，因此在保证数据传输正确的前提下应尽量减少发送次数。监测器节点上电初始化之后就开始数据采集，把测量的数据与设定阀值相比较，如果超过或低于设定值就立刻进行数据发送，反之计数器减1，采取测量10次（约60s）上传一次数据。这样既能降低功耗又能及时应对轮胎压力和温度的异常变化。数据包发送控制算法流程如图3所示。

图3 数据包发送控制流程图

性能测试

根据上述方案设计了一套测试用样品，包括四个轮胎监测器和一个车载监视器。将四个轮胎监测器放在同一个轮胎中，进行充放气实验。当气压值从正常到低压或高压时，车载监视器能够准确显示气压值，气压低或气压高时LCD屏对应状态图标闪动，蜂鸣器同时发出报警，经反复测试得出具体性能指标如下。

　　● 可监测胎压范围为100～450kPa，精度1.4kPa，通常轿车的轮胎气压在220～280kPa之间。

　　● 可监测温度范围为-40℃～125℃，轿车的轮胎温度一般在75℃左右。

　　● 利用SmartRF评估平台测得室内点对点数据传输速率最大约250Kb/s。

　　● 监测网络的工作寿命可达到2年以上。由于数据在收发的时候功耗最大（可达到10mA以上），为使整个网络的工作寿命达到2年以上，一方面在体积允许的条件下选用了较大容量的锂电池（1700mA·h），另一方面通过提高动态时延的基数值以减小数据收发的时间和频率。

结束语

本文提出一种基于ZigBee网络的TPMS设计方案。该系统不仅成本低廉而且性能安全可靠。经实际测试，该TPMS系统在低功耗、气压异常报警等各项性能指标均达到设计要求，同时配有直观的操作界面方面用户使用。

本设计的创新之处在于实现了轮胎识别的唯一性，采用一种基于素数的动态时延算法有效解决了发送数据的冲突，提出的节能算法既实现了功耗控制又兼顾了数据发送的实时性。