Design of wireless pressure monitoring system
本文主要研究压力无线监测系统的设计，现以汽车轮胎压力无线监测展开研究。如今，汽车的数量慢慢的变多，交通事故的数量也慢慢变得多。人们对于交通事故这个问题非常的重视，只有最大限度的降低交通事故发生的频率，才能保证人们的出行的安全。有很多因素都会导致交通事故，其中轮胎的压力不正常就是一个非常重要的原因。本设计通过将传感器嵌于轮胎上，基于Zigbee技术，实时地监测轮胎的压力，并通过无线数据传输功能将监测到的信息及时的传送到司机那里，当司机发现压力异常时，就会采取一定的措施，以保证驾驶的安全。本系统具有实时性，精准度高等优点，对降低因轮胎压力问题导致的交通事故很有帮助。
如今，汽车慢慢的变多，这也导致了越来越多的交通事故，其中有很大一部分交通事故的原因都与汽车轮胎的压力不正常有关，在2006年全年的交通事故中，由于汽车胎压不正常问题导致的约占20％，其中又有46％的交通事故发生在高速公路上，不光对驾驶者本身的生命安全造成了极大的威胁，因为是在高速上，所以当一辆车发生爆胎事故时，对其他车的影响也是相当大的，可能导致其它车辆追尾，造成严重的交通事故，其中汽车轮胎的压力过大或过小都会影响驾驶员的安全。而一些传统的监测汽车胎压的方法可能会耗费大量的人力、物力，甚至会有一些检测的信息不准确，随着人们安全意识的提高，胎压监测逐渐成为购买汽车中的一项重要问题。我们希望有一种可以实时监测的无线压力监测系统，在汽车行驶前可以查看汽车胎压是否正常，而在汽车驾驶过程中，也可以对汽车的胎压进行实时监测，当胎压异常时，会给驾驶员相应的反馈，以保证驾驶员的安全问题。本论文就是在这一背景下选题的，针对这一问题，本论文提出了一种基于Zigbee技术的实时的压力无线监测系统，实现了测试轮胎压力的功能，如果轮胎压力超出了预设的阈值，就会发出警报以提醒驾驶员及时采取适当的措施，尽量保证驾驶人员的安全。
当今社会，汽车慢慢的变多，几乎每家每户都有了自己的私家车，日常的出行大家也会选择驾驶汽车，而驾驶汽车的安全问题不容忽视，但是现实中汽车的驾驶安全却有着很多的隐患，其中因汽车胎压问题导致的交通事故不在少数，为了尽量避免因轮胎压力异常而导致的交通事故的发生，本文提出了一种基于Zigbee技术的可以实时监测的无线压力监测系统。胎压安全已经成为了大家买车驾车的一项重要安全指标，人们的安全意识越来越高，对安全的标准也越来越高，传统的压力监测方式可能已经不能满足现在的状况，进而引发交通事故。而本文所提出的基于ZigBee技术的无线压力监测系统，可以实时监测汽车轮胎的压力值是否正常，当轮胎压力异常时，接收模块在接收到信号后，会传到汽车中控屏上或发出警报，以提示驾驶员尽快采取相应的措施，由此可以极大的降低了因轮胎压力异常引发的安全事故，保障了人们的驾驶安全。TPMS算是一种主动的预警系统，与汽车防抱死系统不同，汽车防抱死系统是在汽车轮胎发生打滑的时候，被动工作的系统，而TPMS是实时监测汽车胎压，并实时发送给驾驶员，无论什么时候都是主动发送信息给驾驶员的，如果轮胎气压超出了稳定的阈值，此时报警系统就会发出警报，提醒驾驶人员尽快采取相应的措施，最大效果的保证驾驶人员的安全，因此TPMS是一种非常优秀的汽车电子安全辅助产品。TPMS不光可以极大的保证驾驶人员的驾驶安全，同时也增长了汽车的使用寿命，增长了汽车轮胎的使用寿命，这样就减少了橡胶的使用率，同时也解决了一部分因橡胶污染导致的环境问题，有着很大的现实意义。
美国在2001年时通过了一系列相应的法案，要求新车出厂前都要安装TPMS，到2008年不管是新车还是旧车都要求安装TPMS系统，美国颁布的法规要求当汽车轮胎气压超出一定范围时胎压监测器就要发出警报。后来，欧洲也通过了相应的法律法规，要求新车出售前必须全部安装，TPMS作为新车的标配，同时旧车也需要在一定的时间内全部安装完成。
中国的汽车胎压监测系统近年来在市场上也逐渐兴起，中国政府也非常重视因胎压问题导致的交通事故，政府也开始采取了相应的措施来规范这件事，同时随着国外汽车胎压系统的不断发展，中国的TPMS也逐渐发展起来，甚至许多汽车厂家相继推出了专门适用于其汽车品牌的胎压监测系统，并且投入使用的数量也慢慢的变多。
但是由于传统的汽车胎压监测系统有着许多的不足之处，比如体积大，功耗大，可靠性低，稳定性低，延时长等问题，所以相关的技术人员一直在研究一种更加稳定高效的无线胎压监测系统，此时，技术人员开始关注基于Zigbee技术的无线胎压监测系统的设计，因为Zigbee技术有着许多优点，比如：1.可靠性高，对于无线通信而言，只保证能够传送是远远不够的，必须保证信号传送的可靠性，而电磁波在传送的过程中，容易受到多种因素的影响，比如温度、天气等原因，所以这就导致了很多无线通信技术并不能可靠的传送相应的信息。而Zigbee联盟在研发Zigbee技术时就已经考虑到了这些问题，所以就采取了相应的措施来保证信息传输的可靠性，比如星型网络可以使数据沿着不同的路径传输，这也就是增加了信息传输的可靠性。2.成本低，功耗低，这可以说是Zigbee技术最大的优势了。3.延时短，Zigbee技术的响应速率很快，从休眠状态到工作状态只需要15秒左右的时间，同时也节省了能量的损耗。
最开始的汽车轮胎压力监测系统分为两类，第一类是间接式的TPMS，第二类是直接式的TPMS。这两类系统都不完美，都有各自的优点和缺点。直接式的胎压监测系统通过安装在汽车轮胎内部的压力传感器来实时的监测轮胎气压的，相对来说准确度会高一点，但是该系统的使用成本偏高；其次间接式的胎压监测系统使用的成本较低，他只需要在已经安装了汽车防抱死制动系统的车上安装轮速传感器，在现有系统的基础上升级一下软件并制定相应的控制策略，但是间接式的胎压监测系统稳定性不高，在很多时候都无法使用。
直接式胎压监测系统，通过在汽车轮胎内安装各种传感器来监测汽车轮胎内的气压，监测到的数据经过处理后，将轮胎内的各种信息以无限射频发送到车内的接收器。当轮胎压力不在正常的阈值范围内时，驾驶员会接收到来自轮胎内部传感器发射来的信号，进而尽快的采取对应的措施，最大化的保证驾驶的安全。直接式的胎压监测系统采样周期短，反应速度快，同时直接式TPMS可监测的压力范围大，而且稳定性好，基本不受车速和周围环境的影响。图2-1是直接式TPMS的接收器，控制器和显示器件等。
间接式胎压监测系统，它和直接式胎压监测系统的工作原理不同，它不是利用传感器来监测汽车轮胎内的压力，它是通过汽车各个轮胎的转动半径之间的关系来传递胎压信号的，当汽车某一只轮胎内的气压降低时，它的转动半径将会减小，进而导致这只轮胎的转速比其它轮胎要快，相反，当某一只轮胎内的气压升高时，该轮胎的转动半径会增大，进而导致这只轮胎的转速要比其它轮胎慢，此时系统通过计算每只轮胎的转速及其转速之间的差异来监测轮胎内的气压。但是通过这种方式来监测汽车胎压有着较大的测量误差，而且系统响应速度较慢，而且当汽车时速超过一定的数值时，便不能进行精确的测量，同时也会发生很多误警报的状况，所以间接式的胎压监测系统在现在并不实用，也将慢慢退出市场。
星型网络的工作原理为：激活一个全功能设备，它就会建立一个属于自己的网络，并且会作为这个网络的协调器，其它的设备必须以这个协调器为中心，且必须通过这个协调器才能取得联系，而一个星型网络和另一个星型网络之间是互相独立运行的，这也就导致了星型网络一般只能用于设备少，范围小的场合，图3-2是星型网络的结构图：
本设计为汽车轮胎气压监测系统，设计的重点就是无线胎压监测系统。拟设定一个胎压监测板，将一个压力传感器，安装在汽车轮胎内侧，来实时的监测汽车轮胎内的气压；另一个是胎压采集板，用以接收胎压监测板检测到的数据。胎压监测部分将监测到的胎压信息，转换成模拟信号，传送给信息收集模块，胎压采集板接收到数据后经A/D转换将模拟信号转换成数字信号传到显示器和报警电路。
先从网上或实地调查一些现有的汽车轮胎气压监测系统，对其有一个初步的把握。通过分析现有的胎压监测装置的有点和缺点，逐步确定本次设计需要选择的各种器件。然后通过硬件和软件两方面，完成对该系统的设计。硬件部分采用单片机主控，当压力传感器采集到汽车轮胎内气压的数据后，传送到采集模块，经过处理后显示。软件部分采用C语言作为编程语言，通过对单片机各个端口进行设置，实现单片机各个模块芯片之间的联络和通讯的设定。
我认为研究轮胎气压无线监测系统对当今生活有着很大的帮助，在汽车行驶过程中，轮胎胎压监测模块中的压力传感器实时监测压力，作出反馈并不断的处理信号，经胎压采集模块采集数据后再进行数据的传输，当汽车不行使的时候也能监测当前的压力并显示出来。再加以zigbee技术的支持，使得这套系统不仅操作简单，而且防护更加有效，同时功耗低，也不会消耗过多的人力和物力，这样的系统必定深受广大汽车用户的喜爱，有很好的前景，最主要的是保障了驾驶员的安全。
汽车在路上行驶时，轮胎内的压力会随着温度和路况等的变化也有所改变，这时就需要实时监测轮胎内的气压，轮毂内的胎压监测模块监测到轮胎内压力的变化，并将监测到的数据进行实时的处理，处理完成后，将处理好的数据通过电路实时的传送给主控，驾驶人可以通过驾驶室内的主控屏看到此时胎压的数值和变化，方便驾驶人做出一系列的应对反应，极大的提高驾驶的安全性。
硬件部分主要是由两部分组成，一个是监测发射部分，另一个是接收显示部分，发射发射部分的压力传感器有四个，分别分布在汽车的四个轮毂中，压力传感器监测到轮胎内的压力之后，先由发射部分的信号处理器处理，转换为电信号之后，传输给接收部分的信号处理器，再经处理后，在LCD显示器上显示出来。该系统的体积一定要小，要保证安装方便，还需要保证低功耗，同时还要有较强的抗干扰性能，本车的信号不能被其他车所干扰。
无线收发芯片的发射功率要随着信号强度的增强而提高，但要保证发射的功率不能过高，同时芯片的尺寸要小，启动时间要短，响应速度要快，在网上查阅一系列相关问题后，我们发现，T57系列的无线收发芯片，不仅工作的温度范围大，响应速度快，功耗低，而且在相关的法规内，其数据传输速度也快，而且尺寸也符合我们的要求，所以我选择了T57系列芯片作为此系统的无线电池的选择
因为汽车在高速行驶过程中，轮胎内的温度是很高的，所以对电池的选择首先就是要耐高温，其次电池的电量要充足，这样就避免了频繁更换电池的麻烦，在这里我选择锂亚电池，锂亚电池由产品研发的运营商提供，比较容易得到，同时也可以满足该系统的设计要求，选择的锂亚电池的型号为ER2450系列，它的优点是耐高温、体积小、可以焊接在装置上，更加稳固。
网络结构采用zigbee星型结构，既降低了功耗，又满足了胎压监测系统的短距离要求，CC2430在整个模块中处于一个领袖的地位，数据的接收、处理和发送都需要由CC2430来完成。其需要完成的主要任务有：加入网络、数据读取、数据处理、数据成帧、数据发射、系统休眠等。图6-6是轮胎监测模块的电路图：
本系统设计一个很重要的点就是要保证低功耗，所以在社洗完系统以后一定要进行功耗分析，假设不符合要求要再进行改动。该系统不是何时都一直在工作的，系统在正常时的工作状态为定时唤醒，而且该系统采用了减少发射次数的方式来降低功耗。假设一天中汽车行驶的时间为3小时，未行驶的时间为21小时，在轮胎正常的情况下，对轮胎模块进行功耗分析，来判断一个轮胎模块的使用时间。
由于条件的限制，我们只进行了室内的实验，该实验的主要目的就是为了测试电路的畅通性，若有不合适的部分，再加以修改，以完成其基本功能。在经过一系列对CC2430无线模块的测试后，我们验证了该模块的可靠性和稳定性；同时对zigbee网络进行了一系列的测试，表明了zigbee网络数据传输成功，建立了成功的星型网络，符合设计要求。
我认为研究轮胎气压无线监测系统对当今生活有着非常大的帮助，在汽车行驶过程中，轮胎胎压监测模块中的压力传感器实时监测压力，作出反馈并不断的处理信号，经胎压采集模块采集数据后再进行数据的传输，当汽车不行使的时候也能监测当前的压力并显示出来。再加以zigbee技术的支持，使得这套系统不仅简单易操作，而且防护更加有效，同时功耗低，也不会消耗过多的人力和物力，这样的系统必定深受广大汽车用户的喜爱，有很好的前景，最主要的是保障了驾驶员的安全。
下面是我此次设计的主要过程：首先上网查资料，了解当前的轮胎胎压监测系统，了解其优点和不足之处，再分析国内外研究的进程，这样算是对胎压监测系统有了一个初步的把握。其次我研究了zigbee技术，为本次设计打下了理论基础。然后针对本次胎压监测系统的各种预期要求，选择各种传感器，设计电路和软件部分，完成了硬件和软件的设计，最后经过一系列的测试和分析，最终确定该系统符合预期的设计的基本要求。
首先，要感谢高军伟老师对我本次论文的指导，从最开始的课题选取、背景讨论，到方案研讨、方法确立，再到最后的结论分析等不能离开高军伟老师的悉心指导。其次，在系统模块设计过程中，我遇到了很多问题，有很多是自己没有办法解决的，高军伟老师每次都认真的指导我，帮助我解决了一个又一个的问题，这才使得我的设计能够顺利的完成。最后，高军伟老师在论文编写方面的经验对我也有很大的帮助，在这些丰富经验的支持下，我也顺利的完成了论文的编写。感谢高老师对我的帮助，同时也要感谢帮助过我的同学们！
介绍了山洪灾害危害、成因、风险隐患评估范围、风险评估方法、危险区范围及其危险等级、山洪灾害监测预警与防御等及其相关文档，可供相关工作人员参考。