隨辰揚，潘宏博，馮 明，金 星

（1.中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所，上海 200050;2.哈爾濱理工大學，黑龍江哈爾濱 150080）

0 引言

輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)［1］（tire pressure monitoring system，TPMS）是通過采用無線射頻通信的胎壓傳感器，實現(xiàn)對輪胎壓力的實時監(jiān)控的汽車安全系統(tǒng)，其主要作用是在汽車行駛過程中對輪胎氣壓進行實時監(jiān)測，并對輪胎氣壓異常進行報警，以確保行車安全。

智能手機作為最廣泛使用的手持電子終端，是人們日常生活中必不可少的一部分［2］。隨著半導體技術的不斷進步，智能手機的性能不斷提高，功能也越來越強大［3］，與外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信技術多元化，比如:WiFi技術、藍牙技術、NFC技術等。藍牙技術作為一種短距離（10 m內）的通信技術，在汽車電子產品的開發(fā)中，有著巨大的優(yōu)勢［4，5］。基于藍牙技術開發(fā)的汽車電子產品也越來越多。

現(xiàn)有的TPMS存在屏幕顯示效果差、用戶交互性差、傳感器匹配不便等問題，這極大地影響了TPMS的用戶體驗效果。隨著移動智能終端市場的崛起，高質量用戶體驗的需求與日俱增，因此，如何開發(fā)一種可靠的、具有高品質用戶體驗的汽車TPMS成為當前汽車安全控制領域的一個熱門問題，而基于智能手機的汽車TPMS能有效地解決這個問題。

1 智能手機式TPMS設計

1.1 TPMS發(fā)展現(xiàn)狀和技術要求

從1997年，通用汽車公司開始使用的間接式TPMS，到2000年5月，直接式TPMS在美國上市。如今，TPMS已經(jīng)經(jīng)歷了十幾年發(fā)展。在美國、歐洲等地已出臺強制法案，要求汽車在規(guī)定時限內必須全部安裝TPMS［6］。我國在2000年前后通過引進技術的方式開始了TPMS的生產，后來迎來了一波TPMS的研發(fā)生產高潮。2011年，中國國家標準管理委員會發(fā)布了“基于胎壓監(jiān)測模塊的汽車TPMS”的國家標準，但目前沒有出臺強制性法規(guī)。

目前市場上的TPMS通常由兩部分組成［7］:若干安裝于輪胎內的傳感器和位于駕駛室的接收器。傳感器在行車的狀態(tài)下，實時監(jiān)測輪胎的壓力、溫度等數(shù)據(jù)，并通過無線射頻發(fā)射到接收器;接收器對接收到的數(shù)據(jù)進行處理，并在自帶顯示器上顯示各種數(shù)據(jù)變化，當輪胎數(shù)據(jù)異常時，以蜂鳴形式提醒駕車者，以保障行車安全。

1.2 智能手機式TPMS結構說明

基于智能手機的TPMS由三部分組成:若干安裝于輪胎內的傳感器、位于駕駛室的中繼器和智能手機。傳感器與中繼器通過無線射頻技術進行單向連接通信，中繼器與智能手機通過藍牙技術進行雙向連接通信，如圖1所示。

圖1 智能手機式TPMS組成Fig 1 Composition of TPMS based on smart phone

在行車過程中，傳感器實時監(jiān)測輪胎的壓力、溫度等數(shù)據(jù)，并通過無線射頻技術發(fā)射到中繼器，中繼器對接收到的數(shù)據(jù)進行處理，然后通過藍牙技術發(fā)送到智能手機，智能手機通過特定的應用程序接收并顯示輪胎數(shù)據(jù)，改善了TPMS的顯示界面。智能手機可以設置TPMS的報警閾值、傳感器ID等信息，并同步至中繼器，增強TPMS的交互性，方便了傳感器的匹配工作。當輪胎壓力、溫度出現(xiàn)異常時，中繼器通過蜂鳴器和智能手機通過語音提示同時報警，保障行車安全，提高了駕駛員的用戶體驗。智能手機式TPMS硬件框圖如圖2所示。

圖2 智能手機式TPMS硬件框圖Fig 2 Hardware block diagram of TPMS based on smart phone

2 智能手機式TPMS實現(xiàn)

2.1 傳感器設計

本系統(tǒng)傳感器采用英飛凌公司的SP37技術方案，SP37［8］是一種高集成度的胎壓傳感器芯片，內部集壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、單片機、無線射頻發(fā)射單元于一體，同時具有低頻接收功能。壓力測量范圍為1.00～4.50 bar，溫度測量范圍為 -40～125℃，最大輸出功率為+8 dBm（50 Ω 負載），最低工作電壓為 1.9 V，中心頻率為433.92 MHz，射頻天線使用專用氣門嘴。在行車過程中，傳感器1 min發(fā)送1次輪胎狀態(tài)數(shù)據(jù);當輪胎出現(xiàn)異常時，立即發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.2 中繼器硬件電路設計

中繼器位于駕駛室內，工作電壓為+5 V，由車內點煙頭接口或USB口供電，當采用點煙頭接口供電時，需要對電壓進行轉換。

主控模塊采用飛思卡爾公司的16位單片機MC9SG48，該單片機有2個SCI串口、2個SPI接口，其中，SCI串口與藍牙模塊連接，SPI接口與無線接收模塊連接。

中繼器中的藍牙模塊［9］采用 CSR（Cambridge Silicon Radio）公司BlueCore4-External藍牙芯片，使用藍牙2.1+EDR核心規(guī)范，內置2.4 GHz天線，靈敏度為 -80 dBm，最大輸出功率為4 dBm，最高支持3 Mbps的數(shù)據(jù)速率，基于RFCOMM協(xié)議與主控模塊進行通信。

無線接收模塊采用英飛凌公司的TDA5235芯片方案，TDA5235是一種可以工作在425～450 MHz低功耗的FSK接收器，信號接收靈敏度為-118 dBm，內部集成低噪聲放大器（LNA）、自動頻率控制（AFC）、21位Sigma-Delta鎖相環(huán)合成器、接收信號強度指示器、時鐘同步的數(shù)字基帶接收器、SPI接口總線等，只需極少外部電路就可實現(xiàn)系統(tǒng)的無線射頻接收功能。

2.3 軟件設計

2.3.1 中繼器軟件方案

本系統(tǒng)中繼器取消了LED顯示功能，當中繼器接收到有效的傳感器數(shù)據(jù)時，通過藍牙模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行保存，當壓力、溫度出現(xiàn)異常時，進行蜂鳴器報警;當中繼器接收到有效的藍牙數(shù)據(jù)時，對藍牙數(shù)據(jù)進行判斷解析，之后可配置報警閾值、傳感器ID等TPMS參數(shù)。軟件流程如圖3所示。

圖3 中繼器軟件流程Fig 3 Software flow chart of repeater

2.3.2 智能手機APP軟件方案

本系統(tǒng)中，智能手機承擔了胎壓信息顯示、語音報警、TPMS參數(shù)設置的任務。主要由2個界面組成:數(shù)據(jù)顯示界面、參數(shù)設置界面，如圖4所示。

圖4 智能手機APP界面Fig 4 Interface of smart phone APP

當打開該手機軟件時，首先設置與中繼器的藍牙連接，選擇進入數(shù)據(jù)顯示界面后，開始接收中繼器數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行顯示和保存，當壓力、溫度出現(xiàn)異常時，進行語音報警;進入?yún)?shù)設置界面后，輸入報警閾值、傳感器ID等有效的TPMS參數(shù)并對手機端進行配置，再通過藍牙發(fā)送編碼后的數(shù)據(jù)，發(fā)送成功后返回主界面。軟件流程如圖5所示。

圖5 手機APP軟件流程Fig 5 Software flow chart of smart phone APP

3 實驗測試

3.1 實驗室測試

根據(jù)“基于胎壓監(jiān)測模塊的汽車TPMS”等國家標準的要求，實驗測試具體指標如下:

1）可監(jiān)測輪胎壓力范圍 1～4.50 bar，最大誤差為±0.06 bar，如圖 6。通常轎車的胎壓為 2.20～2.80 bar。

2）可監(jiān)測溫度范圍為-40～125℃，轎車在行駛過程中的輪胎溫度在40～65℃之間。

3）當傳感器所處環(huán)境壓力在智能手機設置的低壓、高壓范圍時，中繼器和智能手機同時進行報警。

4）對4只傳感器進行匹配，僅需1 min左右。

圖6 傳感器壓力測量誤差Fig 6 Error of pressure measurement of sensors

5）將市場上某種TPMS產品的接收器與本系統(tǒng)同時接收同一傳感器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)誤差為0，數(shù)據(jù)延時約為200 ms。

6）使用頻譜儀和矢量信號發(fā)生器測得輪胎壓力傳感器發(fā)射功率約為-28 dBm。中繼器中無線接收模塊的接收靈敏度為-95 dBm，藍牙模塊的發(fā)射功率為3 dBm，接收靈敏度為-75 dBm。

3.2 上車測試

以某款車型為測試對象，在3 000 km共40 h的上車測試中，實際應發(fā)數(shù)據(jù)約9 600次（4只傳感器），實際接收數(shù)據(jù)9438次，丟失率為1.69%。

4 結論

本文設計了基于智能手的TPMS，經(jīng)試驗測試:該系統(tǒng)最大測量誤差為±0.06 bar，上車測試的丟失率為1.69%，傳感器匹配時間為1 min左右。系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，交互性良好，傳感器匹配過程簡便，能夠有效地推進TPMS產品的普及，具有極高的產業(yè)化價值。

［1］百度百科.TPMS 詞條［EB/OL］.［2013—06—04］.http://baike.baidu.com/view/600870.htm.

［2］吳 燁.智能手機市場的發(fā)展分析研究［D］.北京:北京郵電大學，2007.

［3］海 納.淺談智能手機硬件發(fā)展趨勢［J］.軟件工程師，2013（3）:47-48.

［4］丁龍剛.基于藍牙的汽車物聯(lián)網(wǎng)應用與開發(fā)［J］.辦公自動化，2011（6）:45-46.

［5］馬建輝，馬共立，劉 媛.藍牙技術在汽車電子產品中的應用［J］.電子設計應用，2010（2-3）:42-43，48.

［6］歐陽濤.汽車輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）評價與測試方法［D］.長春:吉林大學，2008.

［7］魏檸檸.TPMS汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵技術研究和工程實現(xiàn)［D］.杭州:浙江大學，2006.

［8］肖文光，李艷華.基于SP37的新型TPMS系統(tǒng)設計［J］.電子設計工程，2011，19（6）:86-88.

［9］胡 杰，盛祥政，李洪飛，等.基于智能手機的汽車故障診斷系統(tǒng)研究與開發(fā)［J］.汽車技術，2011（9）:4-10.