基于無(wú)線通信的貨車輪胎胎壓監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

摘要近年來(lái)，隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，汽車的數(shù)量和種類不斷增加，因此對(duì)于汽車輪胎的安全性要求也越來(lái)越高。然而，許多車輛在行駛中會(huì)出現(xiàn)胎壓不足的問(wèn)題，這可能會(huì)導(dǎo)致汽車行駛不穩(wěn)定，甚至發(fā)生嚴(yán)重的車禍?zhǔn)鹿省Ｒ虼?，胎壓檢測(cè)技術(shù)顯得尤為重要。胎壓檢測(cè)是一種關(guān)鍵的安全措施，可以保證汽車行駛時(shí)的穩(wěn)定性和安全性。本設(shè)計(jì)基于無(wú)線通信的貨車輪胎胎壓監(jiān)測(cè)裝置，整個(gè)系統(tǒng)包括協(xié)調(diào)器和兩個(gè)終端，且均以CC2530單片機(jī)為主控制器，兩個(gè)終端分別通過(guò)內(nèi)部的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)XGZP6847A氣體壓力傳感器輸出的檢測(cè)，以獲得胎壓大小，并將其通過(guò)Zigbee無(wú)線通信的方式傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器獲取到胎壓信息后在OLED12864液晶進(jìn)行顯示，并且如果胎壓異常會(huì)通過(guò)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警提示。本文完成了系統(tǒng)的電路圖，軟件程序，實(shí)物的制作，并對(duì)實(shí)物功能進(jìn)行測(cè)試，達(dá)到了目標(biāo)要求。關(guān)鍵詞：胎壓；單片機(jī)；Zigbee

AbstractIn

recent

years,

with

the

rapid

development

of

the

automotive

industry,

the

number

and

types

of

cars

have

continuously

increased.

Therefore,

the

safety

requirements

for

car

tires

are

also

becoming

higher

and

higher.

However,

many

vehicles

may

experience

insufficient

tire

pressure

during

driving,

which

may

lead

to

unstable

driving

and

even

serious

car

accidents.

Therefore,

tire

pressure

detection

technology

is

particularly

important.

Tire

pressure

detection

is

a

key

safety

measure

that

can

ensure

the

stability

and

safety

of

a

car

while

driving.This

design

is

based

on

wireless

communication

for

a

truck

tire

pressure

monitoring

device.

The

entire

system

includes

a

coordinator

and

two

terminals,

both

of

which

are

controlled

by

a

CC2530

microcontroller.

The

two

terminals

detect

tire

pressure

through

internal

ADC

converters

and

transmit

it

to

the

coordinator

through

Zigbee

wireless

communication.

After

obtaining

tire

pressure

information,

the

coordinator

displays

it

on

the

OLED12864

LCD,

And

if

the

tire

pressure

is

abnormal,

an

alarm

will

be

triggered

through

a

buzzer..

This

article

has

completed

the

circuit

diagram,

software

program,

and

physical

production

of

the

system,

and

tested

the

physical

functions,

achieving

the

target

requirements.Keywords:

tire

pressure;

singlechip;

Zigbee第一章緒論1.1研究背景及意義貨車在行駛過(guò)程中，由于行駛速度高，輪胎故障導(dǎo)致的交通事故通常較為嚴(yán)重，而胎壓異常引起的爆胎或輪胎欠壓行駛占了很大比重。高速路網(wǎng)不斷擴(kuò)增完善，顯著提升車流行駛速度，據(jù)交管部門統(tǒng)計(jì)，70%的高速公路交通事故是由于行駛過(guò)程中輪胎爆胎造成的REF_Ref135859687\r\h[1]。美國(guó)汽車工業(yè)工程師協(xié)會(huì)曾做過(guò)胎壓與交通事故相互影響因素研究，研宄表明，每年約發(fā)生26萬(wàn)起交通事故中，75%的事故是由于輪胎胎壓保持不當(dāng)引起的REF_Ref135859702\r\h[2]。美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局（NHTSA）曾發(fā)布報(bào)告稱，胎壓低于標(biāo)準(zhǔn)值25%，爆胎幾率增加３倍；高于標(biāo)準(zhǔn)值25%，爆胎幾率增加１倍。正常的輪胎氣壓對(duì)車輛的行駛安全和駕乘舒適性有著關(guān)鍵性影響。當(dāng)輪胎氣壓過(guò)低時(shí)，胎面內(nèi)凹，造成胎肩和胎壁接觸路面的面積增大，胎壁厚度薄，長(zhǎng)時(shí)間行駛后，加速磨損，如若發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，造成輪胎簾布層斷開(kāi)，最終導(dǎo)致爆胎，引發(fā)脫層或者簾線折斷與輪輞之間產(chǎn)生過(guò)度的摩擦造成胎圈部位損傷，異常磨損，造成方向盤很沉，易跑偏等不利駕乘安全的因素REF_Ref135859713\r\h[3]。另外，胎壓過(guò)高會(huì)使簾布層過(guò)度伸張變形，胎體剛度增大，耐扎性下降，在遇到不良路面沖擊時(shí)會(huì)使受力瞬間集中，引發(fā)爆胎，適當(dāng)?shù)奶嚎蓽p少爆胎的概率REF_Ref135859723\r\h[4]。此外，胎壓過(guò)高則會(huì)降低剎車性能，胎面和地面接觸面積減少，胎面中間花紋局部磨損，摩擦力減少，會(huì)延長(zhǎng)剎車距離，加速減震系統(tǒng)的磨損。另外，輪胎氣壓過(guò)低，輪胎與地面接觸面積增大，行駛阻力增大，油耗增大。2017年中國(guó)汽油消費(fèi)量約為1.23億噸，柴油消費(fèi)量約為1.41億噸，當(dāng)輪胎氣壓低于標(biāo)準(zhǔn)氣壓值30%，油耗將上升１０％，數(shù)據(jù)顯示，如果僅保持乘用車胎壓正常，每年就可節(jié)約燃油消耗101萬(wàn)噸，節(jié)約燃油費(fèi)用76億元REF_Ref135859738\r\h[5]。在行駛中，保持正常的胎壓，及時(shí)發(fā)現(xiàn)輪胎漏氣能夠很好避免車輪爆胎的發(fā)生，但僅依靠駕駛?cè)藛T的日常檢查往往無(wú)法有效地辨別胎壓是否符合標(biāo)準(zhǔn)。胎壓監(jiān)測(cè)裝置是主動(dòng)安全設(shè)備的一種，它可以在輪胎出現(xiàn)危險(xiǎn)征兆時(shí)立刻報(bào)警，提醒司機(jī)采取相應(yīng)措施，預(yù)防事故發(fā)生，還可以延長(zhǎng)輪胎使用周期，有了胎壓監(jiān)測(cè)裝置，我們即可隨時(shí)讓輪胎基本都維持在限定的壓力、溫度范圍內(nèi)工作，那么就會(huì)降低車胎的損毀，延長(zhǎng)輪胎使用周期。有資料顯示在輪胎氣壓不足時(shí)駕駛，當(dāng)車輪氣壓比正常值降低10%，輪胎壽命就降低15%，可以使開(kāi)車更為經(jīng)濟(jì)，當(dāng)輪胎內(nèi)的氣壓過(guò)低時(shí)，那么就會(huì)增大輪胎與地面的接觸面積，那么就會(huì)增大摩擦阻力，當(dāng)輪胎氣壓低于規(guī)范氣壓值30%，耗油將升高10%。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀貨車輪胎胎壓監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種非常重要的安全監(jiān)測(cè)技術(shù)，在保障貨車行駛安全方面起到了重要作用。本文將從國(guó)內(nèi)外兩個(gè)方面介紹貨車輪胎胎壓監(jiān)測(cè)裝置的研究現(xiàn)狀。TPMS是安全產(chǎn)品,有必要制定TPMS國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范和引導(dǎo)其產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展。國(guó)際上,很多國(guó)家和地區(qū)都已經(jīng)明文規(guī)定汽車上要強(qiáng)制安裝TPMS,如美國(guó)政府早已推出了FMVSS138法規(guī),從2007年起要求所有乘用車必須安裝輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng),以求減少輪胎事故的發(fā)生;韓國(guó)法規(guī)要求3.5t以下的乘用車,2013年1月1日起新車型強(qiáng)制安裝TPMS,到2014年6月30日所有車型強(qiáng)制安裝。由此可見(jiàn),多國(guó)政府對(duì)TPMS技術(shù)的重視。在國(guó)內(nèi),2011年也推出了輪胎氣壓監(jiān)測(cè)技術(shù)推廣標(biāo)準(zhǔn),GB/T

26149—2010雖然是推薦性標(biāo)準(zhǔn),但國(guó)內(nèi)的TPMS產(chǎn)業(yè)整體也得到了很大的發(fā)展,有了一定的技術(shù)儲(chǔ)備。相信未來(lái)將會(huì)推出強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn),從而大大提高TPMS在國(guó)內(nèi)車型上普及率REF_Ref135859738\r\h[5]。在2017年10月發(fā)布的GB261492017《乘用車輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能要求和試驗(yàn)方法》[6]強(qiáng)制要求新車型在2019年1月1日起配備胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TyrePressureMonitor-ingSystem，簡(jiǎn)稱TPMS）。而目前上市的TPMS基本是集信號(hào)采集及無(wú)線通訊功能為一體的MCU，特點(diǎn)是集成度高[7]。近年來(lái)，貨車輪胎胎壓監(jiān)測(cè)技術(shù)逐漸得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用，國(guó)內(nèi)一些大型貨車制造商開(kāi)始逐步加入貨車胎壓監(jiān)測(cè)裝置，以提高貨車行駛的安全性和可靠性。此外，也有一些學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)對(duì)貨車輪胎胎壓監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。國(guó)內(nèi)的貨車輪胎胎壓監(jiān)測(cè)技術(shù)相對(duì)成熟，主要采用無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)輪胎胎壓的監(jiān)測(cè)和傳輸。主要的監(jiān)測(cè)方式包括基于MEMS的傳感器、RFID、Zigbee等無(wú)線通信技術(shù)。其中，基于MEMS傳感器的胎壓監(jiān)測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性的監(jiān)測(cè)，但成本相對(duì)較高，不太適用于大規(guī)模應(yīng)用。而RFID和Zigbee等無(wú)線通信技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗的胎壓監(jiān)測(cè)，適用于大規(guī)模應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)一些大型貨車制造商已經(jīng)開(kāi)始逐步將胎壓監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于貨車制造中。同時(shí)，也有一些企業(yè)研發(fā)了相關(guān)的胎壓監(jiān)測(cè)裝置，如哈工大機(jī)器人股份有限公司的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、浙江卓一物聯(lián)科技有限公司的胎壓監(jiān)測(cè)裝置等。這些胎壓監(jiān)測(cè)裝置均采用無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)輪胎胎壓的監(jiān)測(cè)和傳輸，可以在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。在國(guó)外，貨車輪胎胎壓監(jiān)測(cè)技術(shù)同樣受到廣泛關(guān)注。各大輪胎制造商和汽車制造商紛紛推出了胎壓監(jiān)測(cè)裝置，并取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果。在國(guó)外貨車輪胎胎壓監(jiān)測(cè)技術(shù)相對(duì)較成熟，主要采用傳感器和無(wú)線通信技術(shù)。各大輪胎制造商和汽車制造商紛紛推出了胎壓監(jiān)測(cè)裝置。比如，米其林、普利司通、高德納等輪胎制造商均推出了相關(guān)的胎壓監(jiān)測(cè)裝置。同時(shí)，通用、福特、本田等汽車制造商也在汽車生產(chǎn)中加入了胎壓監(jiān)測(cè)裝置。除了傳統(tǒng)的胎壓監(jiān)測(cè)技術(shù)外，近年來(lái)，還出現(xiàn)了一些新的技術(shù)和裝置，如智能輪胎技術(shù)和胎壓感應(yīng)器等。智能輪胎技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輪胎胎壓、溫度、磨損等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋，能夠提高車輛行駛的安全性和可靠性。而胎壓感應(yīng)器則采用無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)輪胎胎壓的監(jiān)測(cè)和傳輸，可以實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗的胎壓監(jiān)測(cè)，適用于大規(guī)模應(yīng)用?？傊?，在國(guó)內(nèi)外，貨車輪胎胎壓監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，并得到了廣泛的應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，相信貨車輪胎胎壓監(jiān)測(cè)技術(shù)將會(huì)在未來(lái)發(fā)揮更加重要的作用。第二章技術(shù)路線；核心設(shè)備選型；總體設(shè)計(jì)2.1技術(shù)路線胎壓檢測(cè)技術(shù)主要分為兩種：基于直接檢測(cè)的胎壓檢測(cè)技術(shù)和基于間接檢測(cè)的胎壓檢測(cè)技術(shù)?；谥苯訖z測(cè)的胎壓檢測(cè)技術(shù)需要在每個(gè)輪胎上安裝一個(gè)壓力傳感器，可以直接測(cè)量輪胎內(nèi)部的氣壓，但是需要使用大量的傳感器，而且安裝起來(lái)比較困難，成本也比較高。相比之下，基于間接檢測(cè)的胎壓檢測(cè)技術(shù)則可以通過(guò)監(jiān)測(cè)車輛行駛時(shí)的輪胎旋轉(zhuǎn)速度來(lái)推測(cè)輪胎的胎壓，這種技術(shù)無(wú)需安裝傳感器，可以大大降低成本，并且在汽車行駛過(guò)程中能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，具有很大的優(yōu)勢(shì)。無(wú)線通信技術(shù)在胎壓檢測(cè)領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)的胎壓檢測(cè)技術(shù)需要使用有線連接的方式將傳感器與車載電子設(shè)備相連，這種方式不僅需要布線和連接的費(fèi)用，而且對(duì)于車輛的維護(hù)和保養(yǎng)也增加了復(fù)雜度。相比之下，無(wú)線通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)，避免了布線和連接的麻煩，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)車輛與其他設(shè)備的無(wú)縫連接，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。例如，使用藍(lán)牙無(wú)線通信技術(shù)，可以將輪胎傳感器的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)杰囕d電子設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)胎壓檢測(cè)。在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)線通信技術(shù)可以進(jìn)一步完善和優(yōu)化胎壓檢測(cè)系統(tǒng)的功能和性能。例如，可以使用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將車輛的胎壓數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，從而?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和管理。此外，還可以使用無(wú)線通信技術(shù)與胎壓檢測(cè)技術(shù)的結(jié)合，不僅可以提高車輛的安全性和穩(wěn)定性，還可以降低車輛的運(yùn)營(yíng)成本，提高車輛的經(jīng)濟(jì)性。例如，當(dāng)車輛胎壓不足時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，提醒駕駛員及時(shí)進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，避免了因胎壓不足導(dǎo)致的安全事故和車輛故障，提高了車輛的使用壽命和可靠性。此外，胎壓檢測(cè)技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的，因?yàn)樘翰蛔銜?huì)導(dǎo)致輪胎與地面的摩擦增大，從而增加了燃油的消耗，使用胎壓檢測(cè)技術(shù)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理胎壓不足的問(wèn)題，從而降低燃油的消耗，減少排放，保護(hù)環(huán)境?？傊?，無(wú)線通信技術(shù)與胎壓檢測(cè)技術(shù)的結(jié)合，具有重要的研究背景和實(shí)際應(yīng)用意義。這種技術(shù)可以提高車輛的安全性和穩(wěn)定性，降低車輛的運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)還可以節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境。隨著無(wú)線通信技術(shù)和車載電子技術(shù)的不斷發(fā)展，相信這種技術(shù)將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用和推廣。2.2主控制器方案選擇在設(shè)計(jì)貨車輪胎胎壓監(jiān)測(cè)裝置的方案時(shí)，可以考慮使用STM32單片機(jī)或CC2530微控制器。這兩種方案都可以實(shí)現(xiàn)輪胎胎壓監(jiān)測(cè)功能，但它們有一些不同的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)。方案一：使用STM32單片機(jī)優(yōu)點(diǎn)：STM32單片機(jī)具有強(qiáng)大的處理能力和豐富的外設(shè)資源，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法和多種通信協(xié)議。STM32單片機(jī)有廣泛的開(kāi)發(fā)和支持社區(qū)，可以方便地獲取資料和解決問(wèn)題。STM32單片機(jī)可以使用多種編程語(yǔ)言，包括C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言，可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇。處理速度快，自帶固件庫(kù)，可加速開(kāi)發(fā)進(jìn)程。同時(shí)，該芯片具有定時(shí)器，SPI，I2C，USB，UART等多種功能，滿足本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)功能的需求REF_Ref135859784\r\h[8]。缺點(diǎn)：STM32單片機(jī)開(kāi)發(fā)需要較高的技術(shù)水平和較長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)周期。STM32單片機(jī)開(kāi)發(fā)需要較高的硬件和軟件成本。STM32單片機(jī)需要進(jìn)行繁瑣的初始化和配置，對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)比較困難。方案二：使用CC2530微控制器優(yōu)點(diǎn)：CC2530是德州儀器(TI)日前推出的完整的用于2.4GHzIEEE802.15.4/RF4CE/ZigBee的第二代片上系統(tǒng)解決方案。它結(jié)合了高性能的2.4GHzDSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器和一個(gè)高性能低功耗的8051微控制器,用于搭建功能健全價(jià)格低廉的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530在單個(gè)芯片上集成了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)2.4GHz頻段的RF無(wú)線電收發(fā)機(jī),具有優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和抗干擾性?？梢詫?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。CC2530微控制器開(kāi)發(fā)可以使用IAR等現(xiàn)成的開(kāi)發(fā)工具，可以快速上手。缺點(diǎn)：CC2530微控制器的處理能力和外設(shè)資源相對(duì)較弱，可能無(wú)法滿足一些復(fù)雜應(yīng)用的需求。主控制器成本功耗性能外設(shè)資源STM32單片機(jī)較高低好豐富CC2530微控制器低低好相對(duì)較弱總體來(lái)說(shuō)，兩種方案都有其優(yōu)缺點(diǎn)，在此需要低成本、低功耗和遠(yuǎn)距離通信，外設(shè)資源沒(méi)有太多要求，所以選擇CC2530微控制器。2.3顯示系統(tǒng)方案選擇在設(shè)計(jì)貨車輪胎胎壓監(jiān)測(cè)裝置的方案時(shí)，可以考慮使用LCD1602液晶或OLED12864液晶。這兩種液晶顯示器都可以實(shí)現(xiàn)輪胎胎壓監(jiān)測(cè)功能，但它們有一些不同的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)。方案一：使用LCD1602液晶優(yōu)點(diǎn)：液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點(diǎn),

在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。目前字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的信息顯示器件。LCD1602液晶顯示模塊可以顯示兩行,

每行16個(gè)字符,

采用單+5V電源供電,

外圍電路配置簡(jiǎn)單,

價(jià)格便宜,

具有很高的性價(jià)比REF_Ref135859806\r\h[9]。缺點(diǎn)：LCD1602液晶的分辨率相對(duì)較低，顯示效果不如高分辨率的液晶顯示器。LCD1602液晶需要使用背光源，功耗較高，可能會(huì)影響電池壽命。LCD1602液晶的顯示角度有限，需要注意安裝方向和角度。方案二：使用OLED12864液晶優(yōu)點(diǎn)：OLED12864液晶具有高分辨率和良好的顯示效果，可以顯示更加豐富的信息。OLED12864液晶具有較低的功耗和較快的響應(yīng)速度，可以延長(zhǎng)電池壽命。OLED12864液晶具有較高的對(duì)比度和廣泛的可視角度，可以在不同的環(huán)境下顯示清晰的圖像。缺點(diǎn)：OLED12864液晶的成本相對(duì)較高，可能會(huì)增加產(chǎn)品的成本。OLED12864液晶的使用壽命較短，需要注意避免過(guò)度使用和頻繁開(kāi)關(guān)屏幕。OLED12864液晶的顯示效果可能會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的使用而出現(xiàn)圖像殘留的問(wèn)題。顯示模塊體積功耗分辨率成本LCD1602液晶小較高低且顯示角度有限性價(jià)比高OLED12864液晶小低高且適應(yīng)各種環(huán)境顯示較高總體來(lái)說(shuō)，兩種方案都有其優(yōu)缺點(diǎn)，如果需要顯示簡(jiǎn)單的文本和數(shù)字，可以選擇LCD1602液晶；如果需要顯示更加豐富的信息和高分辨率的圖像，可以選擇OLED12864液晶，所以在此選擇OLED液晶。2.4無(wú)線通信技術(shù)的選擇Zig

BeeREF_Ref135859823\r\h[10]是一種新興的短距離、低速率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),

是基于IEEE802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的,

關(guān)于組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其突出優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用簡(jiǎn)單,

工作頻段靈活,

低功耗,

低成本,

高可靠性,

具有自組網(wǎng)和自恢復(fù)能力等REF_Ref135859832\r\h[11]。低功耗：Zigbee通信技術(shù)采用低功耗的傳輸方式，可以延長(zhǎng)設(shè)備的電池壽命，同時(shí)也可以減少能源浪費(fèi)。高可靠性：Zigbee通信技術(shù)使用了多路徑信道、頻譜擴(kuò)展、自組織網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，可以保證通信的可靠性和穩(wěn)定性。高安全性：Zigbee通信技術(shù)采用了加密技術(shù)、身份認(rèn)證、消息驗(yàn)證等技術(shù)，可以保證通信數(shù)據(jù)的安全性和隱私性。短距離：Zigbee通信技術(shù)適用于短距離的無(wú)線通信，其通信范圍一般為10-100米，因此適用于家庭、辦公室等小范圍的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。多節(jié)點(diǎn)：Zigbee通信技術(shù)支持多節(jié)點(diǎn)通信，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備之間的無(wú)線通信和互聯(lián)。應(yīng)用場(chǎng)景：Zigbee通信技術(shù)可以應(yīng)用于智能家居、工業(yè)自動(dòng)化、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能健康等領(lǐng)域。藍(lán)牙：采用簡(jiǎn)單的GFSK調(diào)制，擁有極低的運(yùn)行和待機(jī)功耗，使用一粒紐扣電池甚至可連續(xù)工作數(shù)年之久，但一般用于文件傳輸。通信技術(shù)功耗傳輸距離成本傳遞速率ZigBee低近低較慢藍(lán)牙中等遠(yuǎn)低快Wifi低遠(yuǎn)低快總體來(lái)說(shuō)，ZigBee技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于近距離、低功耗、低成本，在貨車應(yīng)用上，應(yīng)用距離很近，不需要藍(lán)牙和wifi的遠(yuǎn)距離傳輸；同時(shí)低成本對(duì)于貨車司機(jī)也是首選這個(gè)的原因。所以選擇ZigBee通信技術(shù)。2.5氣壓傳感器的選擇XGZP6847A氣體壓力傳感器：高精度，該傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)氣體的高精度檢測(cè)，檢測(cè)范圍廣等。高穩(wěn)定性：該傳感器采用進(jìn)口電化學(xué)傳感器芯片，具有高穩(wěn)定性，可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，不易受到環(huán)境因素的干擾。高靈敏度：該傳感器具有高靈敏度，能夠快速檢測(cè)目標(biāo)氣體，響應(yīng)速度快。高可靠性：該傳感器具有高可靠性，可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，不易出現(xiàn)故障。低功耗：該傳感器采用低功耗設(shè)計(jì)，功耗低，使用壽命長(zhǎng)。測(cè)量方法簡(jiǎn)單。BMP180氣壓傳感器：BMP180氣壓溫度傳感器，該傳感器工作時(shí)的電壓較低，所以損耗較小，整體性能較好，工作穩(wěn)定，但是不能防水，所以對(duì)工作環(huán)境要求較高。該傳感器中已經(jīng)儲(chǔ)存了個(gè)人的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，這可以用來(lái)補(bǔ)償偏移量和其他的一些參數(shù)REF_Ref135859850\r\h[12]。傳感器精度穩(wěn)定性功耗工作環(huán)境XGZP6847A氣體壓力傳感器高高低要求較低BMP180氣壓傳感器高高低要求高在此設(shè)計(jì)中，使用BMP180氣壓傳感器需要制作一個(gè)密封性良好的容器來(lái)測(cè)量氣壓，制作不易且密封性難以保證，而XGZP6847A氣體壓力傳感器則可以直接測(cè)量氣壓密封性制作更簡(jiǎn)單，可以直接測(cè)量。總體來(lái)說(shuō)，兩種方案都有其優(yōu)缺點(diǎn)，相差不大，在此需要測(cè)量方法簡(jiǎn)單，制作容易，所以選擇XGZP6847A氣體壓力傳感器。2.6總體方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)為基于無(wú)線通信的貨車輪胎胎壓監(jiān)測(cè)裝置，其整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2.5所示，系統(tǒng)包括協(xié)調(diào)器和兩個(gè)終端，且均以CC2530單片機(jī)為主控制器，兩個(gè)終端分別通過(guò)內(nèi)部的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)XGZP6847A氣體壓力傳感器輸出的檢測(cè)，以獲得胎壓大小，其中通過(guò)并將其通過(guò)Zigbee無(wú)線通信的方式傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器獲取到胎壓信息后在OLED12864液晶進(jìn)行顯示，并且如果胎壓異常會(huì)通過(guò)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警提示。設(shè)計(jì)包括三部分：胎壓采集傳輸部分，接受處理部分和顯示及報(bào)警部分。裝置通過(guò)安裝在貨車輪胎上的氣壓傳感器對(duì)貨車的四個(gè)輪胎的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將車胎胎壓狀態(tài)及大小通過(guò)無(wú)線通信的方式發(fā)送給接收器。接收處理終端基CC2530單片機(jī)處理器，對(duì)接收到的信號(hào)分析處理。并傳輸給顯示及報(bào)警部分，將車胎狀況顯示給駕駛員并進(jìn)行提醒。當(dāng)胎壓數(shù)值信息超過(guò)閾值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警提示駕駛員車胎胎壓異常，妥善處理車胎預(yù)警，防止因胎壓異常導(dǎo)致的車禍危險(xiǎn)發(fā)生。圖2.6系統(tǒng)總體框圖第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)主控模塊在基于無(wú)線通信的貨車輪胎胎壓監(jiān)測(cè)裝置中采用的是CC2530單片機(jī)作為主控制器，CC2530是一款低功耗、高性能、多功能的ZigBee系統(tǒng)級(jí)芯片。它集成了ARMCortex-M3處理器和IEEE802.15.4無(wú)線收發(fā)器，并支持多種無(wú)線協(xié)議。CC2530可以廣泛應(yīng)用于智能家居、智能電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，成為無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)中的重要組成部分，如圖3.1是CC2530單片機(jī)的最小系統(tǒng)。CC2530的最小系統(tǒng)包括CC2530芯片、晶振、電源管理芯片、外部天線等。晶振：CC2530需要外部晶振提供時(shí)鐘信號(hào)，一般采用16MHz的晶振。電源管理芯片：CC2530需要穩(wěn)定的電源供應(yīng)，可以使用低壓差穩(wěn)壓器或DC/DC轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)電源管理。外部天線：CC2530需要外部天線進(jìn)行無(wú)線通信，一般采用螺旋天線或貼片天線。圖3.1CC2530最小系統(tǒng)圖CC2530芯片的引腳共有38個(gè)，其中包括了數(shù)字輸入輸出引腳、模擬輸入輸出引腳、中斷引腳等。以下是一些關(guān)鍵引腳的介紹：VDD:電源輸入引腳，連接芯片的電源。RESET:芯片復(fù)位引腳，低電平有效。PA/LNA:射頻功率放大器/低噪聲放大器控制引腳，用于控制射頻信號(hào)的放大和接收。SPI:串行外設(shè)接口引腳，用于與外部設(shè)備進(jìn)行通信。GPIO:通用輸入輸出引腳，可用于連接外部設(shè)備或控制芯片內(nèi)部的功能。CC2530芯片的參數(shù)包括處理器和無(wú)線收發(fā)器的性能指標(biāo)，以下是一些關(guān)鍵參數(shù)的介紹：處理器：CC2530集成了ARMCortex-M3處理器，主頻為32MHz，支持高速執(zhí)行和低功耗運(yùn)行。無(wú)線收發(fā)器：CC2530的無(wú)線收發(fā)器支持IEEE802.15.4協(xié)議和ZigBee協(xié)議，頻率范圍為2400MHz~2483.5MHz，最大輸出功率為4dBm。存儲(chǔ)器：CC2530具有32KB的閃存和2KB的RAM，可用于存儲(chǔ)程序代碼和數(shù)據(jù)。電源：CC2530的工作電壓范圍為2.0V~3.6V，支持多種低功耗模式，可以延長(zhǎng)電池壽命。CC2530芯片內(nèi)部集成了12位精度的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部模擬信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換。CC2530的ADC可以通過(guò)軟件配置和控制實(shí)現(xiàn)多種采樣速率、采樣精度和輸入通道的選擇，具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。：CC2530的ADC可以實(shí)現(xiàn)多種采樣速率的選擇，最大采樣速率為200KSPS（千次采樣/秒），最小采樣速率為4KSPS。CC2530的ADC采用12位精度的ADC，可以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并輸出12位的轉(zhuǎn)換結(jié)果。CC2530的ADC支持多種輸入通道的選擇，包括單端輸入和差分輸入，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部不同類型的模擬信號(hào)的采集。輸入電壓范圍：CC2530的ADC支持不同的輸入電壓范圍選擇，可以通過(guò)軟件配置選擇不同的輸入電壓范圍，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。3.2胎壓檢測(cè)模塊對(duì)于胎壓的檢測(cè)，在此采用的是XGZP6847A氣體壓力傳感器，XGZP6847A氣體傳感器是一種基于電化學(xué)原理的氣體傳感器，XGZP6847A氣體傳感器采用電化學(xué)傳感器芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)氣體的高精度檢測(cè)。該傳感器具有以下特點(diǎn)：高精度：該傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)氣體的高精度檢測(cè)，檢測(cè)范圍廣，能夠檢測(cè)多種氣體等。高穩(wěn)定性：該傳感器采用進(jìn)口電化學(xué)傳感器芯片，具有高穩(wěn)定性，可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，不易受到環(huán)境因素的干擾。高靈敏度：該傳感器具有高靈敏度，能夠快速檢測(cè)目標(biāo)氣體，響應(yīng)速度快。高可靠性：該傳感器具有高可靠性，可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，不易出現(xiàn)故障。低功耗：該傳感器采用低功耗設(shè)計(jì)，功耗低，使用壽命長(zhǎng)。其輸出連接到CC2530單片機(jī)的P15管腳，通過(guò)其內(nèi)部ADC實(shí)現(xiàn)對(duì)胎壓的檢測(cè)。圖3.2胎壓檢測(cè)電路3.3顯示模塊在此次貨車輪胎胎壓監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)中，采用的是OLED12864液晶，其是一種高分辨率、高對(duì)比度、低功耗的OLED液晶顯示器。它通常用于嵌入式系統(tǒng)、便攜式設(shè)備等領(lǐng)域，因其優(yōu)異的顯示效果和低功耗特性而備受青睞。OLED12864的顯示區(qū)域?yàn)?28x64像素，可以顯示多種圖像和文字信息，對(duì)于需要高質(zhì)量顯示效果的應(yīng)用場(chǎng)景具有很高的實(shí)用價(jià)值。圖3.3顯示電路OLED12864一般有兩種接口方式：SPI接口和IIC接口。其中，6個(gè)引腳接口是一種SPI接口方式，常用于單片機(jī)等嵌入式設(shè)備中。這種接口方式只需要6根引腳，可以通過(guò)SPI通信協(xié)議控制OLED12864的顯示內(nèi)容和功能。在此采用的是SPI通信的OLED12864，具有SPI接口的一般特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，如傳輸速度快、穩(wěn)定性高、易于控制等。分辨率：OLED12864的分辨率為128x64像素，可以實(shí)現(xiàn)高清晰度的圖像和文字顯示效果。對(duì)比度：OLED12864的對(duì)比度高，可以顯示深黑色和鮮明的顏色，具有良好的視覺(jué)效果。亮度：OLED12864的亮度高，可以適應(yīng)不同的光線環(huán)境和使用場(chǎng)景。顯示顏色：OLED12864可以顯示多種顏色，如紅色、綠色、藍(lán)色等，可以根據(jù)需求進(jìn)行顏色選擇。應(yīng)用范圍：OLED12864的應(yīng)用范圍廣泛，可以用于嵌入式系統(tǒng)、便攜式設(shè)備、智能家居等領(lǐng)域。在使用OLED128646個(gè)引腳接口時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：引腳連接：在連接OLED12864和主控單元時(shí)，需要正確連接6個(gè)引腳，確保信號(hào)和電源連接正確。SPI通信協(xié)議：在程序設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)OLED12864的SPI通信協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)的控制和配置，以實(shí)現(xiàn)顯示內(nèi)容和功能的控制。電源控制：在使用OLED12864時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行電源控制，以達(dá)到低功耗的目的。3.4報(bào)警模塊蜂鳴器控制電路是控制系統(tǒng)中常用的聲音提示電路，蜂鳴器作為一種震動(dòng)發(fā)聲器件，可以不需要借助喇叭實(shí)現(xiàn)聲音的放大，就可以有效的進(jìn)行發(fā)聲，因此可以通過(guò)蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警等聲音提示功能。市場(chǎng)上的蜂鳴器包括有源和無(wú)源兩種蜂鳴器，這兩種蜂鳴器在外形上幾乎一致，需要根據(jù)外殼上的“+”號(hào)進(jìn)行區(qū)分，有“+”的為有源蜂鳴器，反之則是無(wú)源蜂鳴器。有源蜂鳴器控制只需要上電有電流流過(guò)就可以發(fā)出聲音，而無(wú)源的必須發(fā)出PWM脈沖進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，較為繁瑣，因此在此選擇有源蜂鳴器，并將電路設(shè)計(jì)如同3.4所示，其中三極管是電流放大作用，因?yàn)榉澍Q器在工作時(shí)需要至少幾十mA的電流，而單片機(jī)管腳的電流輸出能力較弱，因此需要通過(guò)三極管進(jìn)行放大，然后實(shí)現(xiàn)蜂鳴器的聲音發(fā)出，在此單片機(jī)的P01通過(guò)三極管放大實(shí)現(xiàn)對(duì)蜂鳴器控制，當(dāng)P01輸出高電平時(shí)，其5V輸出電壓經(jīng)過(guò)R6電阻將三極管的基極導(dǎo)通，從而使得三極管的CE端導(dǎo)通既而將蜂鳴器的一端連接到低，使得蜂鳴器正常工作，發(fā)出聲音。圖3.4報(bào)警控制電路第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1協(xié)調(diào)器主程序在貨車輪胎胎壓監(jiān)測(cè)裝置協(xié)調(diào)器程序運(yùn)行后，其流程如圖4.1所示。初始化：對(duì)CC2530芯片進(jìn)行初始化配置，包括設(shè)置芯片的時(shí)鐘、IO口、SPI通信協(xié)議等參數(shù)。Zigbee無(wú)線通信初始化：對(duì)Zigbee無(wú)線通信模塊進(jìn)行初始化配置，包括設(shè)置通信頻率、通信速率、信道等參數(shù)。OLED12864液晶初始化：對(duì)OLED12864液晶進(jìn)行初始化配置，包括設(shè)置顯示區(qū)域、顯示顏色、顯示模式等參數(shù)。蜂鳴器初始化：對(duì)蜂鳴器進(jìn)行初始化配置，包括設(shè)置蜂鳴器IO口、工作模式等參數(shù)。接收數(shù)據(jù)：通過(guò)Zigbee無(wú)線通信接收終端發(fā)送的胎壓數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括胎壓值和終端ID等信息。胎壓異常檢測(cè)：對(duì)接收到的胎壓數(shù)據(jù)進(jìn)行異常檢測(cè)，判斷胎壓是否超出預(yù)設(shè)范圍，如超出范圍則進(jìn)行報(bào)警處理。數(shù)據(jù)顯示：將接收到的胎壓數(shù)據(jù)顯示在OLED12864液晶上，包括胎壓值、終端ID等信息。圖4.1協(xié)調(diào)器主程序流程圖4.2終端主程序在貨車輪胎胎壓監(jiān)測(cè)裝置終端器程序運(yùn)行后，其流程如圖4.3所示。初始化：對(duì)CC2530芯片進(jìn)行初始化配置，包括設(shè)置芯片的時(shí)鐘、IO口、SPI通信協(xié)議等參數(shù)。Zigbee無(wú)線通信初始化：對(duì)Zigbee無(wú)線通信模塊進(jìn)行初始化配置，包括設(shè)置通信頻率、通信速率、信道等參數(shù)。ADC胎壓檢測(cè)初始化：對(duì)內(nèi)部的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行初始化配置，包括設(shè)置采樣速率、參考電壓等參數(shù)。胎壓檢測(cè)：定時(shí)對(duì)輪胎胎壓進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器將胎壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)封裝：將胎壓值和終端ID等信息封裝成數(shù)據(jù)包，并通過(guò)Zigbee無(wú)線通信發(fā)送給協(xié)調(diào)器。圖4.3終端主程序流程圖4.3終端胎壓檢測(cè)程序本次貨車輪胎胎壓監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)CC2530單片機(jī)的ADC通道實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力傳感器輸出的模擬電壓數(shù)值進(jìn)行檢測(cè)，CC2530在ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換上可以實(shí)現(xiàn)12位高精度的轉(zhuǎn)換，并且有單次轉(zhuǎn)換和連續(xù)轉(zhuǎn)換等多種模式，在使用時(shí)需要對(duì)其ADC的時(shí)鐘，使用通道，轉(zhuǎn)換模式等進(jìn)行配置，其具體流程如圖所示。圖4.4胎壓檢測(cè)程序流程圖第五章系統(tǒng)調(diào)試本章將對(duì)基于無(wú)線通信的貨車輪胎胎壓監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行全面測(cè)試，以確保系統(tǒng)有效運(yùn)行。首先，我們完成了系統(tǒng)硬件選型及硬件連接，以及軟件設(shè)計(jì)。接下來(lái)，通過(guò)對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析討論，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的有效性驗(yàn)證。本章主要介紹的是仿真調(diào)試及功能測(cè)試，仿真調(diào)試是先通過(guò)軟件工具模擬硬件環(huán)境進(jìn)行調(diào)試，可快速找出錯(cuò)誤進(jìn)行修復(fù)；功能測(cè)試即對(duì)設(shè)計(jì)中的各項(xiàng)功能進(jìn)行逐一測(cè)試，觀察系統(tǒng)是否按照預(yù)定功能設(shè)計(jì)完成相應(yīng)的工作。5.1仿真調(diào)試測(cè)試所需的硬件設(shè)備包括：計(jì)算機(jī)一臺(tái)、SmartRF0EB仿真器一個(gè)、CC2530開(kāi)發(fā)套件三個(gè)（一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、一個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)、一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)）、XGZP6847A氣體壓力傳感器一個(gè)、蜂鳴器一個(gè)、OLED12864顯示模塊兩個(gè)，數(shù)據(jù)線若干。在測(cè)試的計(jì)算器上需要安裝好如下軟件：IAREmbeddedWorkbench8.1for8051、芯片仿真器驅(qū)動(dòng)、串口調(diào)試助手等軟件。在終端的P0_5接口連接X(jué)GZP6847A氣體壓力傳感器。在組網(wǎng)通信之前首先需要將編寫的程序下載到CC2530節(jié)點(diǎn)中去。將計(jì)算機(jī)與仿真器以及CC2530節(jié)點(diǎn)連接好后，啟動(dòng)IAR軟件，在編譯選項(xiàng)下拉列表中分別選定EndeDeviceEB-Pro、RouterEB-Pro以及CoordinatorEB-Pro，編譯成功后通過(guò)仿真器將該程序下載到CC2530節(jié)點(diǎn)中，于是設(shè)備就分別被配置成為終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。程序下載完畢后，依次給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)上電，觀察各節(jié)點(diǎn)LED燈的狀態(tài)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電后其LED1燈常亮，證明協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)成功組建Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。終端節(jié)點(diǎn)上電時(shí)LED燈先閃爍，證明正在捜索并申請(qǐng)加入?yún)f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組建的Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，一旦