1 Zigbee技術(shù)概述
Zigbee技術(shù)是一種近距離、低復雜度,、低功耗,、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù),，主要適合于自動控制和遠程控制領域,，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能,。一般而言,， 隨著通信距離的增大，設備的復雜度,、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù),，Zigbee技術(shù)將是最低功耗和成本的技術(shù),。同時基于Zigbee技術(shù)的低數(shù)據(jù)速率和通信范圍較小的特點，也決定了Zigbee技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務,。Zigbee技術(shù)的主要優(yōu)點有：省 電,、可靠、成本低,、時延短,、網(wǎng)絡容量大、安全,。
Zigbee是一組基于IEEE批準通過的802．15．4無線標準研制開發(fā)的,，有關組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術(shù)標準,。它不僅只是802．15．4的名字,。IEEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，Zigbee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡層協(xié)議和API 進行了標準化,。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個設備的基本節(jié)點的4K字節(jié)或者作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32 K 字節(jié),。每個協(xié)調(diào)器可連接多達255個節(jié)點，而幾個協(xié)調(diào)器則可形成一個網(wǎng)絡,，對路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制,。Zigb ee 聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設備不會意外泄漏其標識,，而且這種利用網(wǎng)絡的遠距離傳輸不會被其它節(jié)點獲得,。
完整的Zigbee協(xié)議套件由高層應用規(guī)范、應用會聚層、網(wǎng)絡層,、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成,。網(wǎng)絡層以上協(xié)議由Zi gbee 聯(lián)盟制定，IEEE802．15．4負責物理層和鏈路層標準,。圖1所示為Zigbee協(xié)議架構(gòu),。
2 Zigbee在汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)中的應用
目前高速公路的車輛交通事故日益增多，很大部分是由于輪胎的氣壓過高或過低導致輪胎爆胎引起的,。輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)全天候?qū)喬ダ锏膲毫M行監(jiān)測,，對輪胎的漏氣和低壓、高壓進行監(jiān)測和報警,，使車輛始終處于安全運行狀態(tài),。盡量避免因輪胎氣壓所導致的交通事故。
Zigbee主要應用在距離短,、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間,，典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)、 間歇性數(shù)據(jù)和低反應時間數(shù)據(jù),。根據(jù)設想,，它的應用目標主要是：工業(yè)控制( 如自動控制設備、無線傳感器網(wǎng)絡),，汽車無線監(jiān)測( 如輪胎氣壓,、溫度等)，醫(yī)護( 如監(jiān)視和傳感) ,，家庭智能控制( 如照明,、水電氣計量及報警)，消費類電子設備的遙控裝置,、PC外設的無線連接等領域,。
2．1 系統(tǒng)組成及原理
輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)由輪胎壓力傳感器、控制器,、射頻發(fā)射器和接收機組成,。輪胎壓力傳感器由摩托羅拉公司開發(fā)的集成電容式壓力傳感器MPXY8020A作為胎壓檢測單元，具有低功耗和全集成的特點,。采用Zigbee模塊CC2430作為信號控制處理與發(fā)射接收單元,。
裝在每一個車輪胎里的壓力傳感器將輪胎里的壓力、溫度信息經(jīng)射頻發(fā)射器將輪胎壓力,、溫度等信息從輪胎內(nèi)部傳送給駕駛室里的接收器模塊,，能夠讓駕駛員在汽車運行時了解到輪胎的工作情況，檢測輪胎的氣壓,、溫度是否正常,，并進行異常報警,，確保安全。智能輪胎與汽車儀表盤上一個接受器及顯示器配合,，即構(gòu)成一個輪胎壓力器監(jiān)測系 統(tǒng)( TP MS) ,。
2．2 CC2430在汽車檢測系統(tǒng)的應用
發(fā)射接收、數(shù)據(jù)處理元件以CC2430為核心的輪胎壓力檢測系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如圖2所示,。
1 ) 傳感器數(shù)據(jù)的處理,。裝在每一個車輪胎里( 4 個輪在車上，1個備用輪) 的壓力傳感器( Motorola器件號MP XY8020A)是電容型 ME MS壓力傳感器,，專用于滿足TP MS在溫度和壓力媒介兼容方面的要求,。它是一個單體壓力和溫度傳感器，并具備電源管理和數(shù)字輸出功能,。
2 ) 輪胎數(shù)據(jù)發(fā)射,。為了保證在惡劣的環(huán)境下收發(fā)數(shù)據(jù)的可靠性，以及根據(jù)本應用信息量小,、數(shù)據(jù)簡單的特點,，采用信息冗余的方法來保證數(shù)據(jù)可靠地接收，即連續(xù)發(fā)送相同內(nèi)容的信息,。數(shù)據(jù)的發(fā)送處理,，這里采用CC2430模塊。
3 ) 輪胎數(shù)據(jù)接收,。為了降低功率，節(jié)約電池的電能,，在駕駛室數(shù)據(jù)處理器中安裝有加速度傳感器,，一旦車輛啟動，就激活各輪胎中的壓力檢測發(fā)射電路,，車輛停止,，輪胎中電路進入睡眠模式。
4 ) 輪胎壓力顯示,、報警,。根據(jù)輪胎類型、季節(jié),， 可在駕駛室控制器中設置輪胎壓力,、溫度數(shù)據(jù)?？刂破髟谲囕v運行時連續(xù)接收輪胎數(shù)據(jù),，并進行數(shù)據(jù)分析、保存,、顯示,。如果出現(xiàn)異常,，報警提示駕駛員。存儲在FLASH中的數(shù)據(jù)可供事后分析事故使用,。
2．3 CC2430模塊
CC2430芯片以強大的集成開發(fā)環(huán)境作為支持,，內(nèi)部線路的交互式調(diào)試以遵從IDE的IAR工業(yè)標準為支持，得到嵌入式機構(gòu)很高的認可,。它結(jié)合Chipcon公司全球先進的Zigbee協(xié)議棧,、工具包和參考設計，展示了領先的Zigbee解決方案,。其產(chǎn)品廣泛應用于汽車,、工控系統(tǒng)和無線感應網(wǎng)絡等領域， 同時也適用Zigbee之外2．4 G Hz 頻率的其他設備,。
1 ) CC2430芯片的主要特點：高性能和低功耗的8051微控制器核：集成符合IEEE802．15．4標準的2．4GHz的RF無線電收發(fā)機,；優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性；在休眠模式時僅0．9的流耗,，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng),；在待機模式時少于0．6的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng),；硬件支持cSMCA功能,；較寬的電壓范圍(2．0～ 3．6V)；數(shù)字化的RSSI ／LQ1支持和強大的DMA功能,；具有電池監(jiān)測和溫度感測功能,；集成了14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC；集成AES安全協(xié)處理器,；帶有2個強大的支持幾組協(xié)議的USART,，以及1個符合IEEE802．15．4規(guī)范的MAC計時器，1個常規(guī)的16位計時器和2個8位計時器,；強大和靈活的開發(fā)工具,。CC2430的Zigbee基本組成框圖如圖3所示。
2 ) 典型應用電路,。CC2430的典型應用電路如圖4所示,，其中：圖4(a) 為TP MS發(fā)送器，圖4(b)為TP MS接收器,， 圖4(c) 為 CC2430模塊原理圖,。該電路主要用于低功耗耐壓監(jiān)控系統(tǒng)。
3 TPMS系統(tǒng)軟件設計
TPMS的軟件比較簡單,，輪胎監(jiān)測模塊主要對氣壓,、溫度及電源電壓數(shù)據(jù)進行測量、處理和傳輸,。主機顯示模塊接收到數(shù)據(jù)幀并經(jīng)校驗后顯示氣壓,、 溫度和電壓值,，并且與報警閾值進行比較以判斷是否需要報警。整個系統(tǒng)對低功耗設計要求非常高,，所以應盡可能合理安排程序流程,，優(yōu)化軟件算法。輪胎監(jiān)測模塊的主程序在執(zhí)行完初始化功能后便根據(jù)當前氣壓值與報警閾值的差值設置定時時間,，然后進入低功耗模式,。模塊供電電壓、輪胎氣壓和溫度的監(jiān)測與數(shù)據(jù)的傳輸都放置在定時程序,，定時結(jié)束立即進入低功耗模式,。主機上電后，進行CC2430初始化,，配置完層次CC2430后,，模塊進入等待數(shù)據(jù)工作狀態(tài)。在接收到一個數(shù)據(jù)幀并經(jīng)CRC校驗和輪胎ID判斷無誤后,，送數(shù)碼顯示并點亮相應的指示燈以表示各模塊工作正常,。當輪胎監(jiān)測模塊供電電壓、氣壓及溫度接收或低于報警閾值時,，主機啟動LED閃爍警告或蜂鳴器報警,。輪胎中模塊軟件流程圖如圖5所示， 車內(nèi)控制器軟件流程如圖6所示,。
圖5 輪胎中模塊流程圖
圖6 車內(nèi)控制器流程圖
為了實現(xiàn)4個輪胎模塊與中央接收模塊進行無線通信的目的,，發(fā)射機和接收機都需要按要求支持一個簡單的通信協(xié)議。輪胎模塊以數(shù)據(jù)包( 幀) 的形式發(fā)送數(shù)據(jù),，當輪胎模塊中的MCU決定要發(fā)送數(shù)據(jù)(由傳感器采集到的溫度,、壓力數(shù)據(jù)) 時，通過發(fā)送數(shù)據(jù)幀的前導位喚醒接收模塊,，隨后發(fā)送數(shù)據(jù)幀，其數(shù)據(jù)幀格式見表1 ,。
4 結(jié)束語
Zigbee技術(shù)彌補了低成本,、低功耗和低速率無線通信市場的空缺，通過傳感器無線網(wǎng)絡連接到汽車各種智能儀表,、監(jiān)控設備以及報警設備,，達到監(jiān)測輪胎壓力、提前預警,，避免因輪胎氣壓不符合標準所導致的交通事故的目的,。該TPMS系統(tǒng)具有體積小、成本低,、雙向全時的特點,，將會得到廣泛的應用,。