基于蓝牙4.0（Bluetooth Low Energy）胎压监测方案设计

chinarfstar · 发表于 2013-10-8 21:22:47

基于一种新的蓝牙技术——蓝牙4.0（Bluetooth Low Energy）新型的胎压监测系统（TPMS）的设计方案。鉴于蓝牙4.0（Bluetooth Low Energy）的低成本、低功耗、高稳定性等特点，适用于胎压监测系统，目前业界还没有出现类似的设计方案。本设计为直接式胎压监测系统，即在车辆轮胎上安装压力和温度传感器，通过蓝牙传输方式将胎压的信息传送给搭载蓝牙4.0的iPod、iPhone以及iPad，并在所安装的APP软件上显示实时数据。由此可实时监测车辆的胎压情况，并在胎压异常情况下发出报警。

引言：
随着商业用车和家庭用车的日益增多，汽车安全越来越受到人们的重视。美国汽车工程师协会的调查统计表明，美国每年有26万交通事故是由于轮胎气压低或漏气造成的，同时75%的轮胎故障是由于轮胎充气不足或渗漏而引起的。美国运输部国家公路交通安全管理委员会（NHTSA）制定的法规中规定：2003年11月到2006年10月31日期间，美国新出厂的轻型汽车将逐步引入胎压监测系统（Tire ressure Monitoring System，TPMS）。可见，TPMS的研究和投产势在必行。中国作为世界汽车消费增长最快的国家，相信不久将来政府也会制定类似法规。车厂对TPMS的重要性日益重视。

TPMS主要用于实时监测汽车轮胎温度和压力，当压力和温度超出或低于标准值范围时，系统发出蜂鸣或光报警信号，从而有效的避免交通意外的发生。

1 蓝牙4.0（Bluetooth Low Energy）技术简介
蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)2010年7月宣布，正式推出最新的蓝牙规范一Bluetooth V4.0技术。该技术拥有极低的运行和待机功耗，使用一粒纽扣电池甚至可连续工作数年之久。同时还拥有低成本，跨厂商互操作性，3毫秒低延迟、100米以上超长距离、AES-128加密等诸多特色，可以用于计步器、心律监视器、智能仪表、传感器物联网等众多领域，大大扩展蓝牙技术的应用范围。其主要技术特点如下：

◇高效率的发现机制：低耗能蓝牙技只用3个信道做广播信道，允许毫秒级快速建立连接，效率远高于传统蓝牙的32个信道方式。

◇少的数据频道和宽频道间隔：传统蓝牙有79个数据信道，频道间隔是1MHz；低耗能蓝牙有40个数据信道，频道间隔是2MHz。

◇低工作电流和超低睡眠电流：传统蓝牙的工作峰值电流一般是35mA，睡眠状态电流是0.01mA。而低耗能蓝牙的工作峰值电流是小于15mA，睡眠状态电流是0.004mA。

◇低耗能蓝牙具有抗干扰能力更强、数据发送更快、工作效率更高、可与手机/计算机连接等优势，具有无可比拟的技术和市场优势，特别适用于近距离、小数据量、非频繁操作的应用场景，如医疗、健身监视器、腕式设备/手表、家电遥控器、玩具、手机、计算机及附件、工业自动化、电子游戏等。

◇低成本：蓝牙4.0通信模块的单位成本已经减小到三美元左右。

2.蓝牙4.0（Bluetooth Low Energy）TPMS系统介绍：
TPMS系统采用直接式温度压力测量系统。该系统分为两个模块：蓝牙4.0通信模块和智能终端。蓝牙4.0通信模块利用车胎内的温度压力传感器和蓝牙4.0收发器，把数据发送给智能终端。实时监测轮胎的压力和温度，数据信号无线传送到智能终端上，并显示在相应APP程序界面上。当轮胎出现漏气、胎压过高或过低、温度过高等异常情况，手机会自动报警和显示轮胎状态，从而确保汽车行驶的安全。该系统特点是成本偏高，但监测效果较好，精确可靠。每个轮胎安装了高灵敏度的感应发射器，

安装TPMS系统的优势

o 1.防爆胎
实时监测轮胎气压和温度,防患于未然。

o 2.省燃油
保持正确的轮胎压力,降低汽车油耗。

o 3.减磨损
气压不足,会造成过度磨损(吃胎),缩短轮胎使用寿命。

o 4.低成本

只需一部搭载蓝牙4.0的智能显示终端且安装相应APP程序，链接之后，即可实时监控接收数据，省去了购买显示终端的费用，且具有相当好的便携操作性。

2.1 远程感应模块：
蓝牙4.0模块固定安装于4个车胎内部，负责数据的采集、简要处理及传输。其硬件结构包括压力温度传感器元件、MCU、蓝牙4.0通信模块、天线和供电设备，如图1所示：

图1 TPMS远程感应模块硬件结构图

传感器：选用Daytona传感器，它是一种表面微机械型电容性微机电系统(MEMS)单芯片压力传感器，包括压力变换器、正温度系数扩散电阻温度传感器和所有必需电路，用以产生一个校准的8bit温度和压力数字输出。Daytona的特点是专用于TPMS温度和压力测量：单片MEMS微机械压力感应单元；3V工作电压；低功耗、待机电流600nA；压力采样电流1.5mA；温度采样电流500uA；4种工作模式灵活运用以求节电；内置低频振荡器，可用于唤醒MCU；8位数据输出：SSOP封装；介质保护[2]。
MCU：该单片机为主要用来采集/控制/处理压力传感器与温度传感器数据功能,通过串口与蓝牙4.0通信模块连接.

蓝牙4.0通信模块：蓝牙4.0通信模块是采用TI德州仪器公司的蓝牙4.0单模式芯片CC2540。该芯片集成了增强型8051单片机（MCU）和低功耗蓝牙收发器，具有以下一些特点：

20个信道。

典型的发射功率为-23dBm一4.5dBm。

自适应跳频GFSK，最大传输速率为1Mbps。

在分组差错率为1％的情况下，其接收灵敏度为－97dBm。

邻近信道干扰>30dBm，间隔信道干扰>53dBm。

待机电流仅为0.4uA。

工作温度为－45℃到80℃。适用于恶劣的工作环境。

供电设备：使用专业的胎压监测系统电池，由于蓝牙4.0(Bluetooth Low Energy)和Daytona的低功率特点，其可有效供电2年以上。

2.2 接收显示端：
透过搭载蓝牙4.0功能的iPod5、iPhone4S/5或者iPad3/mini，掌握你爱车的状况，即便是行驶中，也可以随时监测，显示独立每一轮胎的压力、温度资讯.你只需要拿起你的iPhone再搭配上嵌入蓝牙4.0通信模块的胎压监测器，在弹指之间，透过直觉式的界面设计，即可从容不迫的轻易的得知轮胎状况。