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BLE与2.4GHZ私有协议在胎压监测(TPMS)上的应用

时间:2019-07-24 作者:Inplay公司供稿 阅读:
TPMS系统主要有二个部分组成:安装在汽车轮胎里的远程轮胎压力监测模块(Remote Tire Pressure Monitor)和安装在汽车驾驶台上的中央显示器(LCD)。通过无线传输技术,利用固定于汽车轮胎内的高灵敏度微型无线传感装置在行车或静止的状态下采集汽车轮胎压力、温度等数据,并将数据传送到驾驶室内的中央显示器中,以数字化的形式实时显示汽车轮胎压力和温度等相关数据,并在轮胎出现异常时以蜂鸣或语音等形式提醒驾驶者进行预警的汽车主动安全系统。TPMS可以确保轮胎的压力和温度维持在标准范围内,起到减少爆胎的概率。
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2019年5月2日,在济广高速公路广州方向311KM+400M菏泽段,一辆白色厢式面包车行驶途中突然右后轮爆胎发生侧翻。trOEETC-电子工程专辑

2019年5月11日,海南一皮卡车高速上爆胎翻车,车轮飞出数米外。trOEETC-电子工程专辑

2019年5月21日,南京绕越高速四桥方向江宁殷巷附近,一辆小轿车突然爆胎并与一辆货车相撞,当场一人死亡,二人受伤。trOEETC-电子工程专辑
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仅仅在2019年的5月,由爆胎引起的交通事故多达30余起,这个是否能够唤醒我们所有人对车辆轮胎安全的重视?trOEETC-电子工程专辑

而据统计,在国内高速公路上的交通事故的直接原因有70%是因爆胎而引起的,而爆胎的主要原因有胎压、载荷、行驶速度、环境温度和轮胎本身设计制造缺陷等因素,但胎压变化过大而造成的爆胎已成为公认的最主要原因。在爆胎前,轮胎压力和温度都会产生剧烈的变化。trOEETC-电子工程专辑

由此,轮胎压力监测系统(Tire Pressure Monitoring System,TPMS)应运而生。trOEETC-电子工程专辑

TPMS系统主要有二个部分组成:安装在汽车轮胎里的远程轮胎压力监测模块(Remote Tire Pressure Monitor)和安装在汽车驾驶台上的中央显示器(LCD)。通过无线传输技术,利用固定于汽车轮胎内的高灵敏度微型无线传感装置在行车或静止的状态下采集汽车轮胎压力、温度等数据,并将数据传送到驾驶室内的中央显示器中,以数字化的形式实时显示汽车轮胎压力和温度等相关数据,并在轮胎出现异常时以蜂鸣或语音等形式提醒驾驶者进行预警的汽车主动安全系统。TPMS可以确保轮胎的压力和温度维持在标准范围内,起到减少爆胎的概率。trOEETC-电子工程专辑

TPMS根据不同的监测方式分为间接式和直接式。trOEETC-电子工程专辑

间接式(Wheel-Speed Based TPMS,简称WSB,也有称ITPMS),这种系统是通过汽车ABS 系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别,以达到监测胎压的目的。trOEETC-电子工程专辑

直接式(Pressure-Sensor Based TPMS,简称PSB,也有称DTPMS),这种系统是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器和温度传感器来直接测量轮胎的气压和温度,利用无线发射装置将这些信息从轮胎内部发送到中央接收器模块上,在汽车静止或者行驶过程中对轮胎气压和温度进行实时监测,以达到监控胎压变化的目的。trOEETC-电子工程专辑

中国已经成为全球最大的汽车市场,根据《GB26149-2017》乘用车轮胎气压监测系统的性能要求和试验方法,胎压监测系统(TPMS)强制性国家标准规定:自2019年1月1日起,中国市场所有新认证乘用车必须安装TPMS;自2020年1月1日起,所有在产乘用车开始实施强制安装要求,并且TMPS系统能够完成高压报警、低压报警、高温报警、漏气报警等功能应用。trOEETC-电子工程专辑

在TPMS系统区分中,对于间接系统来说,成本比较便宜,但是准确率相对直接系统来说比较低。对于直接系统,需要解决的则是无线信号传输的稳定性和可靠性、传感器和电池的使用寿命等。而本文所讨论的重点在于直接式TPMS系统。trOEETC-电子工程专辑

目前美国的TPMS无线工作频率标准是315MHZ, 欧洲标准为433MHZ,现在还没有一个世界统一的无线标准。一般433MHZ和315MHZ的受干扰能力比较差,所以大多数的情况下需要使用125KHZ的低频信号激活,而315MHZ/433MHZ是数据传输领域比较早期的产品,用来做数据传输存在一定的隐患,系统安全性和保密性比较差,很容易被攻击和破解,而且用的是调幅技术,抗干扰性比较差,频点的漂移也比较严重,这些都会造成通信的不可靠和不稳定。另外,315MHZ和433MHZ的发射机和天线体积都比较大,功耗也比较高。trOEETC-电子工程专辑

由于以上这些的局限性,现在部分制造商把目光投向了2.4GHZ的私有协议和基于2.4GHZ频段的蓝牙协议,相比315MHZ和433MHZ,蓝牙与2.4GHZ用的是跳频和扩频技术,在抗干扰性上要优秀得多,而且在通信加密上使用国际标准的加密算法,能够大大提高通信的保密性能。在新一代的蓝牙5的协议中,定义了能够实现远距离的PHY层(coded PHY 500kbps/125kbps),使原来受制于传输距离和穿透性的蓝牙产品在TPMS上有了大显身手的舞台。trOEETC-电子工程专辑

蓝牙5的物理层定义了新的Coded PHY,采用高斯频移键控GFSK。Coded PHY可以对报文进行编码,使接收端收到的报文具有前向纠错(FEC)的能力,在相同误码率条件下,能够显著降低误码重传的次数,从而提高通信效率。如果采用8符号编码,比特率为125kbps,如果采用2符号编码,比特率为500kbps。trOEETC-电子工程专辑
当然,虽然Coded PHY赋予了蓝牙5新的远距离的特性,但只有搭配上蓝牙SoC优异的接受灵敏度的性能后才能使之发挥出应有的远距离和穿透的能力。trOEETC-电子工程专辑

在理想的条件下,假设发射机输出功率是0dBm,接收机灵敏度是-90dBm,发射机输出信号经过一段路径到达接收机,功率衰减到-90dBm,意味着这段路径上的路径损耗等于90dB。如果输出功率是20dBm,当衰减至-90dBm时,路径损耗就是110dB。trOEETC-电子工程专辑
路径损耗与通信距离有如下相关性:trOEETC-电子工程专辑

path loss = 40 + 25 × log(distance)trOEETC-电子工程专辑

一般来说会有以下的关系trOEETC-电子工程专辑

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蓝牙协议与2.4GHZ的产品在发射机,天线设计等方面也可以选择体积小的器件,使得产品整体设计更小型化,轻量化,完全符合现代汽车设计的思路趋势。在功耗上也相对地要低地多,能够实现用纽扣电池来经年驱动整个射频电路的设想。trOEETC-电子工程专辑

并且,蓝牙是与手机相连接的天然入口,使得消费者(驾驶员)可以方便地用手机的APP来查看轮胎的各项数据。另外,蓝牙/2.4GHZ的技术利用其高带宽的传输方式(蓝牙5特有的2Mbps)也可以为车辆其他传感器与车内主机/TBOX的通讯预备了未来可扩展的空间和潜能。trOEETC-电子工程专辑

但是我们知道,蓝牙传输也有其缺点,一是在于连接配对的繁琐,二是对保持从设备连接数量的限制。一般的蓝牙芯片在保持连接状态下,最多只能支持4-7个从设备。对一些商用车辆,比如大型巴士,载重卡车,轮胎数量在8-64个不等,而这种情况下,用蓝牙作为传输的方式明显不太合适,而在这样的场景下,私有的2.4GHZ协议就能完美地解决这些问题,连接配对加密完全是由制造厂商自己决定,对于连接的从设备,因为是按照地址来分配,所以理论上能够连接65,535个设备,对应TPMS的多点连接的应用场景绰绰有余。那么我们知道2.4GHZ能解决多组轮胎与车内主机/TBOX通讯,但怎么解决与手机通讯的问题?在车辆出发前怎么通过手机APP能查看胎压状态以保证出车安全呢?trOEETC-电子工程专辑

有没有一个两全其美的方案呢?trOEETC-电子工程专辑

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INPLAY 公司的SwiftRadioTM SoC完美地解决了这一个问题。SwiftRadioTM 的IN612L系列产品为开发人员提供了一种灵活的架构,可以设计自己的私有通信协议栈,以满足其特定的应用需求。开发人员可以通过编程SwiftRadioTM SoC的 SDR 的MAC(Software Define Radio /2.4GHZ私有协议)直接控制无线电收发器,从而构建自己的私有网络应用,与此同时,开发人员也可以使用 SwiftRadioTM SoC集成的蓝牙5协议栈所提供的所有功能。 SDR MAC(Software Define Radio/2.4GHZ私有协议)和蓝牙5可以同时运行,因此开发者将拥有更多的想象空间,将二者的优势互补,开发更具创新性的无线应用。trOEETC-电子工程专辑

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InPlay SwiftRadioTM SoC是一款基于2.4Ghz射频工作频段的无线SoC。它集成了超低功耗2.4Ghz射频收发器,调制解调器,InPlay私有多模协同通讯协议(其中包含蓝牙5和InPlay 软件定义无线电(SDR/2.4GHZ 私有协议))和片上电源管理单元;此芯片还集成了主频高达64Mhz的带浮点运算处理单元的高性能Arm Cortex-M4F微处理器及子系统,包含256KB ROM,512KB Flash Memory和64KB SRAM。考虑到无线系统对安全性要求的不断提升,SwiftRadioTM SoC集成了独立的硬件安全引擎给开发者编程安全应用,例如AES256, SHA256和ECC256。芯片支持认证授权安全启动。trOEETC-电子工程专辑

Inplay SwiftRadioTM SoC的低功耗设计使其在无线物联网应用上优势明显,尤其是在基于电池应用的产品或系统的设计上。在射频发射功率为0dBm的情况下峰值电流只有6.5mA不到,其睡眠电流(保持RC时钟开启)只有0.5uA。对于需要基于电池供电并要求长时间操作寿命的产品应用,例如TPMS,这些指标就至关重要。trOEETC-电子工程专辑

Inplay SwiftRadioTM SoC集成了多模协同协议MCP (Multi-Mode Collaborative Protocol),支持蓝牙5完整的协议栈和软件无线电开发平台,协议可以提供支持远距离,高数据吞吐率和增强的广播数据包等特点。芯片集成的射频收发器性能优异,在远距离125Kbps模式下射频接收灵敏度高达-104dBm,2.4Ghz频段无线链接预算可以做到107dBm,这对远距离通讯有要求的应用非常有用。在TPMS的应用中,一些大型巴士,重型卡车的最远轮胎与中央监视器/TBOX之间的距离就比较远,还要穿透汽车的铁架,这样的情况下,远距离模式对传输稳定性和可靠性就起着非常关键的作用。trOEETC-电子工程专辑

在集成了INPLAY SwiftRadioTM SoC的TPMS系统中,除了拥有极低的开发成本和极低的功耗,对于不同的车辆也可以非常方便地进行模式的切换。比如对于一般的M1的车型仅通过蓝牙连接的方式就可以让4个轮胎与中央监视器/TBOX以及消费者(驾驶员)的手机或者平板电脑通讯;而对于一些轮胎数量超过蓝牙连接上限的商用车,特种车辆,用2.4GHZ的私有协议可以和方便地让所有的轮胎与中央监视器/TBOX进行连接通讯,通过INPLAY特有的蓝牙协议兼容模式,也可以很方便的把结果传给消费者(驾驶员)的手机或者平板电脑上;在发车前,在车辆熄火的状态下,消费者(驾驶员)也可以提前使用手机或者平板电脑通过蓝牙来查看每一个轮胎的充气状态和磨损程度,为出行做好完善的准备。trOEETC-电子工程专辑

试想一下,这样的话,未来的交通事故一定会减少很多了吧…trOEETC-电子工程专辑

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