周志偉，于惠鈞，張學(xué)毅，谷聚輝

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

0 引言

隨著社會的進步，汽車幾乎成為家庭必備的工具，汽車的安全與人們的生命、健康、財產(chǎn)以及社會穩(wěn)定有著密切的聯(lián)系。然而，做為汽車重要組成部分之一的輪胎，關(guān)乎著汽車的行駛安全，卻沒有得到相應(yīng)的重視。汽車輪胎壓力不足或壓力過大直接威脅到汽車的安全行駛，容易導(dǎo)致重大交通事故。對汽車輪胎壓力與溫度的實時監(jiān)控是汽車正常行駛以及駕駛員安全的重要保障。有關(guān)部門對汽車輪胎壓力與溫度進行統(tǒng)計：若輪胎壓力低于正常壓力的90%時，輪胎表面溫度將會迅速升高，在汽車高速行駛時容易發(fā)生爆胎；若輪胎壓力高于正常壓力的20%時，汽車輪胎壽命將會降低15%；若輪胎溫度升高至90℃，汽車輪胎強度將會降低40%，致使輪胎迅速變形，最終導(dǎo)致爆胎。并且汽車輪胎壓力檢測系統(tǒng)（tire pressure monitoring system，TPMS）為事前主動系統(tǒng)，對汽車輪胎參量（壓力、溫度）的實時檢測保障了汽車高速行駛過程中出現(xiàn)的問題，有效降低了爆胎的可能，確保了汽車在高速行駛過程中始終處于安全狀態(tài)。隨著我國科學(xué)技術(shù)的迅速提高，許多犯罪分子采用高科技手段來盜竊汽車，汽車盜竊已成為許多犯罪分子謀取利益的重要手段。為保障汽車安全，采用GPS與GSM相結(jié)合來遠程監(jiān)控汽車已成為當(dāng)今防盜的主流。

汽車輪胎壓力檢測系統(tǒng)主要為了實時檢測汽車每個輪胎的壓力、溫度，當(dāng)汽車輪胎參量（壓力、溫度）出現(xiàn)異常時，給車主報警提示。汽車輪胎壓力檢測系統(tǒng)主要分為直接式胎壓檢測系統(tǒng)和間接式胎壓檢測系統(tǒng)。直接式胎壓檢測系統(tǒng)主要利用安裝在汽車輪胎內(nèi)部的傳感器直接測量汽車輪胎參量（壓力、溫度、加速度），并通過微處理器進行顯示，當(dāng)輪胎參量出現(xiàn)異常時，駕駛員能夠及時檢測出輪胎異常信息，有效防止輪胎爆胎；間接式胎壓檢測系統(tǒng)主要依靠安裝在汽車輪軸上的速度傳感器來對比汽車輪胎間的轉(zhuǎn)速差別，從而實現(xiàn)測量輪胎壓力的目的，它的成本較低、實用性較強、可靠性較高、不需要電池供電，但它不能在兩個輪胎同時出現(xiàn)問題時給予檢測。

因此，針對直接式胎壓檢測系統(tǒng)與間接式胎壓檢測系統(tǒng)的優(yōu)缺點以及目前汽車存在的這種問題，本文設(shè)計了直接式汽車輪胎壓力檢測及其遠程監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由SP12傳感器以及汽車終端監(jiān)控模塊微處理器MSP430F149等組成，采用LF喚醒技術(shù)，只有當(dāng)MCU接收LF喚醒信號，傳感器與射頻芯片才開始工作，從而進一步降低系統(tǒng)功耗，達到節(jié)能的目的；并且結(jié)合了GPS模塊與GSM模塊，當(dāng)車主遠離汽車后，能夠啟動GPS模塊與GSM模塊，對汽車進行遠程監(jiān)控。

1 TPMS總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 TPMS系統(tǒng)組成與工作原理

汽車輪胎壓力檢測系統(tǒng)主要由汽車輪胎模塊和汽車終端遠程監(jiān)控模塊兩部分組成。汽車輪胎模塊以MCU微處理器為核心，主要包括傳感器模塊、RF發(fā)射模塊、天線模塊以及電池模塊。傳感器模塊主要是為了測量汽車輪胎參量（壓力、溫度），MCU微控制器模塊主要是將所測的輪胎參量（壓力、溫度）進行處理，并通過無線射頻模塊發(fā)射出去，該模塊由鋰電池供電。由于電池工作的時間有限，本設(shè)計中采用低頻喚醒模塊，可以有效延長電池的使用時間，達到節(jié)能的目的。汽車終端遠程監(jiān)測模塊主要是接收射頻信號與處理GPS定位的信息，通過MCU微處理器進行處理顯示、報警，以及依靠GSM無線通信模塊的AT短信指令，將汽車的情況發(fā)送到駕駛員手機中，這樣便實現(xiàn)了遠程監(jiān)控[1-2]。

1.2 TPMS硬件結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)上述TPMS組成與工作原理，本設(shè)計采用直接式胎壓檢測方式，設(shè)計了基于SP12的汽車胎壓檢測和遠程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由4個汽車輪胎模塊與汽車終端智能監(jiān)控模塊組成。輪胎內(nèi)的MCU處理傳感器所檢測的輪胎參量（壓力、溫度）以數(shù)據(jù)幀的方式，通過無線射頻收發(fā)模塊與汽車終端智能監(jiān)控模塊內(nèi)的中央處理器進行通信，對汽車輪胎的（壓力、溫度）進行實時監(jiān)控，一旦輪胎出現(xiàn)氣壓過高、氣壓過低、高溫、以及快速漏氣時，系統(tǒng)便會自動報警，保障了行車安全。并且在車主遠離汽車后，一旦汽車遭遇非法破壞，便會自動啟動GPS模塊與GSM模塊，車主能夠及時了解汽車情況，并采取適當(dāng)措施，保障汽車安全。本設(shè)計創(chuàng)新點在于采取了低頻喚醒模塊、GPS模塊與GSM模塊，不但可以延長電池使用時間，達到節(jié)能的目的，而且能夠讓駕駛員對汽車進行遠程監(jiān)控。本設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 直接式 TPMS總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The block diagram of direct TPMS structure

2 TPMS硬件模塊設(shè)計

2.1 汽車輪胎模塊設(shè)計

汽車輪胎模塊，可以實時地檢測各汽車輪胎參量（壓力、溫度、加速度等）數(shù)據(jù)信息。將傳感器裝入汽車輪胎中，并且利用發(fā)射模塊將所測到的輪胎參量發(fā)射出去。本研究設(shè)計的汽車輪胎模塊以單片機C8051F300為核心，包括SP12[3]傳感器模塊、C8051微處理器模塊、TDA5101 RF發(fā)射模塊、低頻喚醒電路以及電源模塊。其中SP12屬于英飛凌傳感器系列，內(nèi)部集成了壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器以及電源電壓檢測器，并且它具有低功耗性能，能夠提供復(fù)位與喚醒功能。TDA5101射頻芯片中心頻率為315MHz，調(diào)制方式采用FSK調(diào)制，汽車輪胎結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 汽車輪胎結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 The schematic structure of automobile tires

2.2 汽車終端遠程監(jiān)控模塊設(shè)計

本模塊以MSP430F149為核心，包括：RF射頻模塊、12864液晶顯示模塊、發(fā)光二極管報警模塊、MAX232模塊、8251模塊、ATA5275低頻發(fā)射模塊、GPS全球定位系統(tǒng)模塊、GSM/GPRS無線通信模塊、AT短信指令模塊以及SIM卡模塊。汽車終端遠程監(jiān)控模塊由車載供電，其中：低頻發(fā)射模塊發(fā)射125kHz的低頻信號，用來實現(xiàn)低頻通信；MSP430F149作為汽車胎壓檢測的中央處理器，它負責(zé)處理射頻發(fā)來的信號，將所檢測的輪胎參量（壓力、溫度）通過液晶顯示器顯示出來；對于所測輪胎參量（壓力、溫度）出現(xiàn)異常時，通過發(fā)光二級管進行報警，提醒駕駛員采取相關(guān)措施。同時，本系統(tǒng)采用GPS全球定位系統(tǒng)模塊SIRFstar III來監(jiān)控汽車，實時了解汽車的位置、狀態(tài)以及運動軌跡，并通過MSP430F149單片機存儲和處理這些信息；一旦汽車狀態(tài)出現(xiàn)異常，單片機便會接收GPS全球定位系統(tǒng)模塊所檢測的汽車位置、汽車狀態(tài)以及汽車的運動軌跡，通過GSM/GPRS模塊，將GPS所檢測的信息及時發(fā)送給駕駛員，以便駕駛員了解車輛情況，采取相關(guān)措施，保障汽車安全[4]。

2.2.1 GPS模塊設(shè)計

GPS模塊采用如今市場占主流的SIRFstar III三代芯片。該GPS采用串口通訊，因MSP430F149內(nèi)部只有2個串口，故采用8251模塊，用來擴展串口，與MSP40F149連接，內(nèi)部具有MCX天線接口，因此放在汽車內(nèi)部任何地方，都可以對汽車進行定位，提高了靈敏度與抗干擾能力。

2.2.2 GSM 模塊設(shè)計

GSM無線通信模塊采用德國西門子公司推出的TC35i，TC35i內(nèi)部集成射頻電路、基帶電路、RS232數(shù)據(jù)接口和AT短信指令接口，工作頻段為GSM1800，GSM正常工作電壓是4.2 V，SIM卡工作電壓為1.8 V，TC35i可通過AT短信指令實現(xiàn)短信發(fā)送與語音通話。GSM通過ZIF連接器與天線接口分別連接SIM卡與天線，單片機模塊與GSM模塊采用串行口通信方式，GSM模塊負責(zé)接收GPS定位信息，并將接收到的信息發(fā)送給駕駛員手機。

3 TPMS軟件設(shè)計

3.1 通訊協(xié)議設(shè)計

為了提高輪胎模塊與監(jiān)控模塊的通信質(zhì)量，必須采用一個合理的通信協(xié)議，本系統(tǒng)采用曼徹斯特編碼，利用頻移鍵控（frequency-shift keying, FSK）調(diào)制解調(diào)信號，波特率為9 600bps，輪胎模塊采用數(shù)據(jù)幀發(fā)送數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)幀格式Table1 data frame format

前導(dǎo)位：8位，設(shè)置成0X05h，為了識別射頻信號，讓發(fā)射信號與接收信號模塊同步。

輪胎ID：24位，檢查輪胎ID并確定輪胎位置。如果發(fā)現(xiàn)輪胎ID錯誤，就重新接收輪胎數(shù)據(jù)幀。

壓力值、溫度值：長度都為16位，表示輪胎壓力值。

狀態(tài)位：8位，識別輪胎模塊數(shù)據(jù)是否報警、確定輪胎位置以及啟動GPS與GSM模塊。

校驗位：16位，對比之前發(fā)射數(shù)據(jù)，降低系統(tǒng)誤碼率，提高信號傳輸穩(wěn)定性。

3.2 汽車輪胎發(fā)射模塊流程設(shè)計

首先系統(tǒng)進行初始化，輪胎模塊發(fā)射器與單片機C8051F300處于休眠狀態(tài)，等待傳感器SP12與汽車終端的低頻喚醒；如果傳感器SP12將單片機喚醒，傳感器SP12采集輪胎參量并判斷，若所采集的輪胎參量出現(xiàn)異常，則立即通過發(fā)射模塊將異常輪胎參量發(fā)送給汽車終端，否則不發(fā)送數(shù)據(jù)；如果汽車終端低頻喚醒模塊將單片機喚醒，則將存儲的數(shù)據(jù)通過發(fā)射模塊發(fā)送出去，之后再處于休眠狀態(tài)；如果有SP12的復(fù)位信號，則單片機復(fù)位，等待下一次喚醒。

3.3 汽車接收模塊設(shè)計

首先上電復(fù)位，MCU初始化，啟動接收芯片TDA5201，微處理器MSP430F149[5]接收TDA5201發(fā)來的輪胎參量數(shù)據(jù)幀，并進行CRC數(shù)據(jù)校驗碼檢驗及ID判斷。如果接收到的輪胎參量數(shù)據(jù)幀正確，處理器則根據(jù)所檢測到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，并送至液晶顯示；如果接收到的輪胎參量數(shù)據(jù)幀異常（包括高壓判斷、低壓判斷、高溫判斷、快速漏氣判斷），則進行聲光報警，并迅速送至液晶顯示。其中，壓力設(shè)為P，溫度設(shè)為T，高壓判斷上限設(shè)為P_Max，低壓判斷下限設(shè)為P_Min，高溫判斷上限設(shè)為T_Max，快速漏氣判斷設(shè)為P_Leak，汽車的標(biāo)準(zhǔn)汽壓一般在2.2 Bar與2.8 Bar間，因此，高壓報警壓力值P_Max設(shè)為2.8 Bar，低壓報警壓力值設(shè)為2.2 Bar，汽車高溫報警T_Max為75 ℃；當(dāng)快速漏氣P_Leak超過30 kPa/min時，則實施快速漏氣報警，并用4個發(fā)光二極管表示各個輪胎相應(yīng)狀態(tài)，若其中一個輪胎出現(xiàn)異常，則相應(yīng)的二極管亮燈，并進行蜂鳴器報警，具體流程如圖3所示。

圖3 汽車接收模塊流程圖Fig.3 Flowchart of vehicle receiver module

圖4 GPS與GSM通信軟件流程圖Fig.4 Flowchart of GPS and GSM communication software

3.4 GPS和GSM通信軟件設(shè)計

GPS主要用于確定汽車的位置，GSM模塊主要是將GPS所定位的數(shù)據(jù)通過單片機發(fā)送到駕駛員手機中，其流程如圖4所示。

該模塊主程序流程圖包括復(fù)位上電、初始化、單片機對GPS定位信息的解碼、以AT短信指令方式對GSM模塊進行編碼以及循環(huán)檢測，主要實現(xiàn)報警和短消息收發(fā)[6]。單片機與GSM, GPS通信采用異步串行口通信，通信時需要對串口進行設(shè)置。

3.4.1 GPS通信協(xié)議及信息處理

GPS模塊中，采用國際標(biāo)準(zhǔn)NMEA-0183協(xié)議，由單片機采集GPS定位信息。首先GPS初始化上電，接收汽車運行信息，并將運行信息傳送到單片機串行口UART0中的特殊功能寄存器SBUF，串行口控制寄存器SCON中的D0位RI被內(nèi)部硬件置1，向單片機發(fā)出中斷請求，使UART0中斷，接收GPS定位汽車信息；在定位信息中，因為GPS能接收汽車多種信息，因此根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)NMEA-0183協(xié)議，CPU選擇汽車的位置、時間以及汽車速度并進行存儲處理。

3.4.2 GSM短信發(fā)送協(xié)議

GSM與單片機采用串行口進行通信，GSM短消息使用GSM03.48與 GSM04.11雙協(xié)議。短信發(fā)送協(xié)議分為塊（block）模式、基于AT短信指令文本（text）模式和PDU模式，而AT指令發(fā)送短信有兩種發(fā)送方式，分別為文本（text）和PDU，本設(shè)計采用PDU編碼方式。

3.4.3 PDU編碼發(fā)送短消息

以下是用PDU編碼發(fā)送短消息的過程。

1）設(shè)置短信中心號碼，并去掉“+”號，用addr表示，若中心號碼為奇數(shù)，在其后加F；結(jié)果如下：addr=“8613800000002F”。

2）先將addr奇偶位交換位置，再將短信中心號碼前加上“91”，最后將addr長度除以2可以得addr=“08919168310800000020”。

3）設(shè)置接收手機號碼為：13786398002，方法同步驟3（號碼后加F，再將奇偶位交換），用tele表示即tele=683187368900F2。

4）將發(fā)送中文轉(zhuǎn)換為Unicode碼用message表示，如“車輛移動”的Unicode碼為8F668F8679FB52A8，并將message長度除以2，用16進制數(shù)表示“O8”加在message后得message=“088F668F8679FB52A8”。

5）將接收手機號碼tele前加上11000D91。

6）將接收手機號碼tele后加000800與message得tele=11000D91683187368900F20008000A8F668F8679FB52A8。

7）將tele長度除以2，轉(zhuǎn)為十進制得 46/2=23。

8）發(fā)送短消息內(nèi)容如下：

sendaddr+tele//是發(fā)送符，控制鍵（ctrl）+z16進制代碼為 0X1A

receive +CMGS：50 OK;

如果返回ERRON，則發(fā)送失敗；否則發(fā)送成功！

4 系統(tǒng)應(yīng)用

本文設(shè)計的汽車胎壓檢測系統(tǒng)和遠程監(jiān)控系統(tǒng)適用于各種類型汽車，該系統(tǒng)的汽車終端實物圖如圖5所示。它能夠?qū)崟r檢測汽車輪胎壓力與溫度，當(dāng)輪胎壓力與輪胎溫度出現(xiàn)異常時給予報警提示。并且當(dāng)車主遠離汽車后，若車輛遭到人為破壞，系統(tǒng)將會將車輛情況以AT短信指令方式傳遞到車主手機，保障了汽車安全。本系統(tǒng)的無線發(fā)射頻率為315MHz, 無線信號傳輸穩(wěn)定、可靠性高，不會對其他無線信號產(chǎn)生干擾，符合我國的法定要求。因此，本設(shè)計為一個可靠、經(jīng)濟、環(huán)保的系統(tǒng)。

圖5 汽車終端監(jiān)控電路板實物圖Fig.5 Picture of car terminal monitors circuit board

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于SP12的汽車胎壓檢測和遠程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可靠性高、節(jié)能，當(dāng)汽車輪胎壓力過高、壓力不足、快速漏氣、高溫時，系統(tǒng)會通過液晶顯示及聲光報警，提醒駕駛員采取相關(guān)措施；本設(shè)計特別采用了GPS與GSM相結(jié)合的通信方式，使汽車駕駛員通過GPS對汽車進行定位，實時了解汽車情況，實現(xiàn)了汽車遠程監(jiān)控，此設(shè)計產(chǎn)品已在實際應(yīng)用中取得了較好的社會效益和經(jīng)濟效益。

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