轮胎压力实时监测系统.pdf

本发明涉及一种轮胎压力实时监测系统，该系统包括轮胎模块和车身模块，轮胎模块包括一个用于检测轮胎离心力的加速度传感器，能够精确测量车辆行驶时轮胎产生的离心力，从而估算车辆的当前速度来确定车辆的运行状态，当车辆停止时，轮胎模块在省电模式下工作；当车辆行驶时，轮胎模块在正常模式下工作；当压力或温度突变时，轮胎模块在报警模式下工作，直到压力和温度恢复正常。轮胎模块在省电模式、正常模式、报警模式下的功耗依次增加。轮胎模块采用虚拟冲突退避算法以较低的发射功耗获得较高的发射成功率。用户可以实时查询各个轮胎近期的压力和温度值。本发明实现了一种低功耗的轮胎压力实时监测系统。

1、  一种轮胎压力实时监测系统，包括：轮胎模块和车身模块，轮胎模块主要由轮胎压力、温度、加速度传感器及内含射频发送芯片的微控制器组成，内含射频发送芯片的微控制器分别与压力、温度、加速度传感器相连，车身模块主要由射频接收芯片、微控制器及相关的电路组成，射频接收芯片与微控制器相连，微控制器通过相关的电路将信息发送到人机界面。

2、  根据权利要求1所述的轮胎压力实时监测系统，其特征在于：轮胎模块中的加速度传感器通过检测轮胎离心力的大小判断车辆的运行状态是停止或者行驶。

3、  根据权利要求2所述的轮胎压力实时监测系统，其特征在于：轮胎模块中的加速度传感器能够精确测量车辆行驶时轮胎产生的离心力，从而估算车辆的当前速度。

4、  根据权利要求1-3之一所述的轮胎压力监测系统，其特征在于：轮胎模块工作于三种模式：省电模式、正常模式、报警模式。

5、  根据权利要求4所述的轮胎压力实时监测系统，其特征在于：根据加速度传感器检测到的车辆运行状态，当车辆停止时，轮胎模块在省电模式下工作；当车辆行驶时，轮胎模块在正常模式下工作；当压力或温度突变时，轮胎模块在报警模式下工作，直到压力和温度恢复正常。

6、  根据权利要求1所述的轮胎压力实时监测系统，其特征在于：在轮胎模块内部，加速度传感器检测车辆运行状态，指示微控制器按照预定的频率检测轮胎内部的压力、温度以及电池的电压，当测量结果满足一定的门限条件时，微控制器启动射频发送芯片，按照虚拟冲突退避算法将测量结果通过射频的方式发送给车身模块。

7、  根据权利要求1所述的轮胎压力实时监测系统，其特征在于：在车身模块内部，射频接收芯片随时准备接收数据，当数据到来时，射频接收芯片将解调后的数据传输给微控制器，微控制器通过声音或者液晶屏显示的方式通知用户。

8、  根据权利要求7所述的轮胎压力实时监测系统，其特征在于：用户可以实时查询各个轮胎近期的压力和温度值。

9、  根据权利要求1所述的轮胎压力实时监测系统，其特征在于：轮胎模块安装于轮胎内部的轮毂上，车身模块安装于车辆内部驾驶员座椅前方。

轮胎压力实时监测系统
                        技术领域
本发明涉及一种低功耗的轮胎压力实时监测系统。
                        背景技术
在车辆的高速行驶过程中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。轮胎压力监测系统(TPMS，Tire Pressure Monitoring System)用于在车辆行驶时实时的对轮胎内部的温度、压力进行自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，保障行车安全。
根据监测方式的不同，轮胎压力监测系统主要分为两种类型：
(1)间接式轮胎压力监测系统(Wheel-Speed Based TPMS)
间接式轮胎压力监测系统通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，达到监测胎压的目的。其主要缺点是无法对两个以上轮胎同时缺气的状况和速度超过100公里/小时的情况进行判断。
(2)直接式轮胎压力监测系统(Pressure-Sensor Based TPMS)
直接式轮胎压力监测系统利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并对各轮胎气压进行显示及监视，当轮胎气压太低或有泄漏时，系统自动报警。直接式轮胎压力监测系统从功能和性能上均优于间接式轮胎压力监测系统。
在直接式轮胎压力监测系统中，控制功耗和避免发射碰撞是两个亟需解决的难题。
压力传感器安装在轮胎内部的轮毂上，仅靠携带的电池供电。当电池的电量耗尽时，更换电池是一件麻烦的事情。因此，汽车厂商希望轮胎压力监测系统的工作寿命超过轮胎，这就是说，轮胎压力监测系统的工作寿命至少在5年以上。那么，在满足性能的条件下尽量降低功耗是开发直接式轮胎压力监测系统的关键。
每个轮胎的压力和温度数据都是通过射频的方式发送。当某个轮胎准备发送其测量数据时，并不知道是否有其它轮胎的压力和温度数据正在发送。这就存在发射碰撞的问题。发射碰撞导致接收测量数据的失败，需要进行多次发送来保证一定的数据接收率。而多次发送又往往意味着功耗的增加。
降低功耗的直接方法是使用具有睡眠功能的芯片(包括压力传感器、微控制器、射频发射芯片)。在汽车行驶时，轮胎压力监测系统全速工作；在汽车停止时，轮胎压力监测系统降低检测和发射的频率。可以采取多种方法确定汽车的运动状态，如检测车辆启动时产生的噪声，或者检测车辆行驶时轮胎旋转产生的离心力，或者通过一个低频信号开关轮胎压力监测系统，等等。
                        发明内容
本发明为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种低功耗的轮胎压力实时监测系统，对行驶车辆的对轮胎内部的温度、压力进行实时自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，保障行车安全。
本发明包括：轮胎模块和车身模块，轮胎模块主要由轮胎压力、温度、加速度传感器及内含射频发送芯片的微控制器组成，内含射频发送芯片的微控制器分别与压力、温度、加速度传感器相连，车身模块主要由射频接收芯片、微控制器及相关的电路组成，射频接收芯片与微控制器相连，微控制器通过相关的电路将信息发送到人机界面。
轮胎模块中的加速度传感器通过检测轮胎离心力的大小判断车辆的运行状态是停止或者行驶；轮胎模块中的加速度传感器能够精确测量车辆行驶时轮胎产生的离心力，从而估算车辆的当前速度。
轮胎模块工作于三种模式：省电模式、正常模式、报警模式。
轮胎模块固定在轮胎内部的轮毂上，车身模块位于汽车内部驾驶员座椅前方。
在轮胎模块内部，加速度传感器检测车辆运行状态，指示微控制器按照预定的频率检测轮胎内部的压力、温度以及电池的电压，当测量结果满足一定的门限条件时，微控制器启动射频发送芯片，按照虚拟冲突退避算法将测量结果通过射频(RF)的方式发送给车身模块。
在车身模块内部，射频接收芯片随时准备接收数据。当数据到来时，射频接收芯片将解调后的数据传输给微控制器。微控制器通过声音或者液晶屏显示的方式通知驾驶员注意轮胎的状况。
车身模块自动记录最近一段时间内轮胎模块报告的测量数据值，以供用户随时查询。
本发明采用检测轮胎的离心力的方法确定汽车的运动状态以切换轮胎模块的工作模式，采用虚拟冲突退避算法提高轮胎模块的发射成功率。通过上述方法，本发明实现了一种低功耗的轮胎压力实时监测系统。
                        附图说明
图1为本发明结构方框图。
图2为轮胎模块结构框图。
图3为车身模块结构框图。
图4为轮胎模块工作模式转换框图。
图5为虚拟冲突退避算法框图。
                      具体实施方式
本发明由轮胎模块与车身模块两部分组成。
轮胎模块主要由轮胎压力、温度、加速度传感器及内含射频发送芯片的微控制器组成。
微控制器是轮胎模块的“大脑”，直接决定轮胎模块的行为。
首先，微控制器需要判断车辆的运行状态是行驶还是停止，从而决定轮胎模块的工作模式是正常模式还是省电模式。当已经知道车辆处于行驶状态时，微控制器需要判断车辆是否停止；当已经知道车辆处于停止状态时，微控制器需要判断车辆是否启动，从而更新车辆地当前运行状态。微控制器通过操作加速度传感器定时检测轮胎的离心力来完成这个判断。
在车辆的不同运行状态下，轮胎离心力检测的时间间隔可以相同，也可以不同。
当轮胎模块的工作模式为省电模式时，微控制器操作轮胎压力和温度传感器的时间间隔长于正常模式下的时间间隔。
在获得轮胎压力和温度的测量数据后，微控制器并不总是将测量数据通过射频发送给车身模块，而是有选择的发送。
受外界因素的影响，轮胎所能承受的高压、低压的门限值是变化的；同时，轮胎模块与车身模块之间的数据交换是单向的，从轮胎模块到车身模块。这就决定了轮胎模块不适合判断轮胎压力的测量数据是否超过预先设定的门限值，而只能通过检查最近一段时间内获得的轮胎压力的测量数据判断轮胎压力是否存在突变的情况。相反，车身模块可以通过人机界面根据实际情况设定合适的轮胎压力的门限值，超过门限值的报警将由车身模块发出。
这样做不会降低系统的监测效果。当轮胎模块监测到轮胎压力的突变时，微控制器将进入报警模式，加快传感器测量和射频发送的频率，车身模块能够密切监视轮胎压力的变化，判断其是否超过门限值，发出报警；当轮胎模块没有监测到轮胎压力的突变，而当前的轮胎压力的测量数据又接近门限值时，虽然微控制器进行传感器测量和射频发送的频率低于报警状态下的频率，但是因为轮胎压力的变化是缓慢的，车身模块总能及时收到轮胎压力的危险值，发出警报。
对于温度的报警，可以在轮胎模块实现。为了增加系统的灵活性，也可以将其由车身模块实现。
微控制器在操作完毕轮胎压力、温度或加速度传感器，立即使其进入睡眠。
微控制器操作轮胎压力、温度或加速度传感器需要一个过程。微控制器首先发出相应的测量命令，然后等待一段时间，最后读取测量的数据。在中间等待的时候，不应让微控制器处于空闲，应该让它进入睡眠并等待定时中断唤醒，或者利用这段时间射频发送上一次的测量数据。
当满足发射的条件时，微控制器启动射频发送芯片，按照虚拟冲突退避算法将测量结果通过射频的方式发送给车身模块。某个轮胎模块的微控制器准备启动发送时，应该确定是否有其它轮胎模块正在发送信息。如果介质是空闲的，则可以发送；如果介质是忙碌的，则应等到介质空闲时方可发送。但是，对于轮胎模块来说，监听介质是否空闲在技术上难以实现，所以应该尽量避免冲突。设置一个最大重传次数，假设每次发送都发生冲突、需要重传，发送完成后，随机延迟一个时间量，再进行下一次发送，直到满足最大重传次数。
通常采用的延迟算法是二进制指数退避算法，算法过程如下：当第一次发生冲突时，设置参数L＝2；退避时间间隔取1到L个时间片中的一个随机数。1个时间片等于2a，a为信息从始端传输到末端所需的时间；每当重复发生一次冲突，将参数L加倍。
虚拟冲突退避算法通过避免冲突而不是检测冲突来提高发射成功率。算法不保证每一次发射都能被车身模块正确接收。增加最大重传次数可以提高发射成功率，但相应的会增加功耗。
车身模块主要由射频接收芯片、微控制器及相关的外围电路组成。
在车身模块内部，射频接收芯片随时准备接收数据。当数据到来时，射频接收芯片将解调后的数据传输给微控制器。微控制器通过声音或者液晶屏显示的方式通知驾驶员注意轮胎的状况。车身模块自动记录最近一段时间内轮胎模块报告的测量数据值，以供用户随时查询。这样，即使轮胎发生异常时驾驶员不在现场，当他回到车上时，也能迅速发现问题，及时排解隐情。