基于智能手机的汽车胎压监测系统*

随辰扬，潘宏博，冯 明，金 星

（1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海 200050;2.哈尔滨理工大学，黑龙江哈尔滨 150080）

0 引言

轮胎压力监测系统［1］（tire pressure monitoring system，TPMS）是通过采用无线射频通信的胎压传感器，实现对轮胎压力的实时监控的汽车安全系统，其主要作用是在汽车行驶过程中对轮胎气压进行实时监测，并对轮胎气压异常进行报警，以确保行车安全。

智能手机作为最广泛使用的手持电子终端，是人们日常生活中必不可少的一部分［2］。随着半导体技术的不断进步，智能手机的性能不断提高，功能也越来越强大［3］，与外部系统数据通信技术多元化，比如:WiFi技术、蓝牙技术、NFC技术等。蓝牙技术作为一种短距离（10 m内）的通信技术，在汽车电子产品的开发中，有着巨大的优势［4，5］。基于蓝牙技术开发的汽车电子产品也越来越多。

现有的TPMS存在屏幕显示效果差、用户交互性差、传感器匹配不便等问题，这极大地影响了TPMS的用户体验效果。随着移动智能终端市场的崛起，高质量用户体验的需求与日俱增，因此，如何开发一种可靠的、具有高品质用户体验的汽车TPMS成为当前汽车安全控制领域的一个热门问题，而基于智能手机的汽车TPMS能有效地解决这个问题。

1 智能手机式TPMS设计

1.1 TPMS发展现状和技术要求

从1997年，通用汽车公司开始使用的间接式TPMS，到2000年5月，直接式TPMS在美国上市。如今，TPMS已经经历了十几年发展。在美国、欧洲等地已出台强制法案，要求汽车在规定时限内必须全部安装TPMS［6］。我国在2000年前后通过引进技术的方式开始了TPMS的生产，后来迎来了一波TPMS的研发生产高潮。2011年，中国国家标准管理委员会发布了“基于胎压监测模块的汽车TPMS”的国家标准，但目前没有出台强制性法规。

目前市场上的TPMS通常由两部分组成［7］:若干安装于轮胎内的传感器和位于驾驶室的接收器。传感器在行车的状态下，实时监测轮胎的压力、温度等数据，并通过无线射频发射到接收器;接收器对接收到的数据进行处理，并在自带显示器上显示各种数据变化，当轮胎数据异常时，以蜂鸣形式提醒驾车者，以保障行车安全。

1.2 智能手机式TPMS结构说明

基于智能手机的TPMS由三部分组成:若干安装于轮胎内的传感器、位于驾驶室的中继器和智能手机。传感器与中继器通过无线射频技术进行单向连接通信，中继器与智能手机通过蓝牙技术进行双向连接通信，如图1所示。

图1 智能手机式TPMS组成Fig 1 Composition of TPMS based on smart phone

在行车过程中，传感器实时监测轮胎的压力、温度等数据，并通过无线射频技术发射到中继器，中继器对接收到的数据进行处理，然后通过蓝牙技术发送到智能手机，智能手机通过特定的应用程序接收并显示轮胎数据，改善了TPMS的显示界面。智能手机可以设置TPMS的报警阈值、传感器ID等信息，并同步至中继器，增强TPMS的交互性，方便了传感器的匹配工作。当轮胎压力、温度出现异常时，中继器通过蜂鸣器和智能手机通过语音提示同时报警，保障行车安全，提高了驾驶员的用户体验。智能手机式TPMS硬件框图如图2所示。

图2 智能手机式TPMS硬件框图Fig 2 Hardware block diagram of TPMS based on smart phone

2 智能手机式TPMS实现

2.1 传感器设计

本系统传感器采用英飞凌公司的SP37技术方案，SP37［8］是一种高集成度的胎压传感器芯片，内部集压力传感器、温度传感器、加速度传感器、单片机、无线射频发射单元于一体，同时具有低频接收功能。压力测量范围为1.00～4.50 bar，温度测量范围为 -40～125℃，最大输出功率为+8 dBm（50 Ω 负载），最低工作电压为 1.9 V，中心频率为433.92 MHz，射频天线使用专用气门嘴。在行车过程中，传感器1 min发送1次轮胎状态数据;当轮胎出现异常时，立即发送数据。

2.2 中继器硬件电路设计

中继器位于驾驶室内，工作电压为+5 V，由车内点烟头接口或USB口供电，当采用点烟头接口供电时，需要对电压进行转换。

主控模块采用飞思卡尔公司的16位单片机MC9SG48，该单片机有2个SCI串口、2个SPI接口，其中，SCI串口与蓝牙模块连接，SPI接口与无线接收模块连接。

中继器中的蓝牙模块［9］采用 CSR（Cambridge Silicon Radio）公司BlueCore4-External蓝牙芯片，使用蓝牙2.1+EDR核心规范，内置2.4 GHz天线，灵敏度为 -80 dBm，最大输出功率为4 dBm，最高支持3 Mbps的数据速率，基于RFCOMM协议与主控模块进行通信。

无线接收模块采用英飞凌公司的TDA5235芯片方案，TDA5235是一种可以工作在425～450 MHz低功耗的FSK接收器，信号接收灵敏度为-118 dBm，内部集成低噪声放大器（LNA）、自动频率控制（AFC）、21位Sigma-Delta锁相环合成器、接收信号强度指示器、时钟同步的数字基带接收器、SPI接口总线等，只需极少外部电路就可实现系统的无线射频接收功能。

2.3 软件设计

2.3.1 中继器软件方案

本系统中继器取消了LED显示功能，当中继器接收到有效的传感器数据时，通过蓝牙模块发送数据，并对数据进行保存，当压力、温度出现异常时，进行蜂鸣器报警;当中继器接收到有效的蓝牙数据时，对蓝牙数据进行判断解析，之后可配置报警阈值、传感器ID等TPMS参数。软件流程如图3所示。

图3 中继器软件流程Fig 3 Software flow chart of repeater

2.3.2 智能手机APP软件方案

本系统中，智能手机承担了胎压信息显示、语音报警、TPMS参数设置的任务。主要由2个界面组成:数据显示界面、参数设置界面，如图4所示。

图4 智能手机APP界面Fig 4 Interface of smart phone APP

当打开该手机软件时，首先设置与中继器的蓝牙连接，选择进入数据显示界面后，开始接收中继器数据，并对数据进行显示和保存，当压力、温度出现异常时，进行语音报警;进入参数设置界面后，输入报警阈值、传感器ID等有效的TPMS参数并对手机端进行配置，再通过蓝牙发送编码后的数据，发送成功后返回主界面。软件流程如图5所示。

图5 手机APP软件流程Fig 5 Software flow chart of smart phone APP

3 实验测试

3.1 实验室测试

根据“基于胎压监测模块的汽车TPMS”等国家标准的要求，实验测试具体指标如下:

1）可监测轮胎压力范围 1～4.50 bar，最大误差为±0.06 bar，如图 6。通常轿车的胎压为 2.20～2.80 bar。

2）可监测温度范围为-40～125℃，轿车在行驶过程中的轮胎温度在40～65℃之间。

3）当传感器所处环境压力在智能手机设置的低压、高压范围时，中继器和智能手机同时进行报警。

4）对4只传感器进行匹配，仅需1 min左右。

图6 传感器压力测量误差Fig 6 Error of pressure measurement of sensors

5）将市场上某种TPMS产品的接收器与本系统同时接收同一传感器数据，数据误差为0，数据延时约为200 ms。

6）使用频谱仪和矢量信号发生器测得轮胎压力传感器发射功率约为-28 dBm。中继器中无线接收模块的接收灵敏度为-95 dBm，蓝牙模块的发射功率为3 dBm，接收灵敏度为-75 dBm。

3.2 上车测试

以某款车型为测试对象，在3 000 km共40 h的上车测试中，实际应发数据约9 600次（4只传感器），实际接收数据9438次，丢失率为1.69%。

4 结论

本文设计了基于智能手的TPMS，经试验测试:该系统最大测量误差为±0.06 bar，上车测试的丢失率为1.69%，传感器匹配时间为1 min左右。系统工作稳定可靠，交互性良好，传感器匹配过程简便，能够有效地推进TPMS产品的普及，具有极高的产业化价值。

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

［2］吴 烨.智能手机市场的发展分析研究［D］.北京:北京邮电大学，2007.

［3］海 纳.浅谈智能手机硬件发展趋势［J］.软件工程师，2013（3）:47-48.

［4］丁龙刚.基于蓝牙的汽车物联网应用与开发［J］.办公自动化，2011（6）:45-46.

［5］马建辉，马共立，刘 媛.蓝牙技术在汽车电子产品中的应用［J］.电子设计应用，2010（2-3）:42-43，48.

［6］欧阳涛.汽车轮胎气压监测系统（TPMS）评价与测试方法［D］.长春:吉林大学，2008.

［7］魏柠柠.TPMS汽车胎压监测系统的关键技术研究和工程实现［D］.杭州:浙江大学，2006.

［8］肖文光，李艳华.基于SP37的新型TPMS系统设计［J］.电子设计工程，2011，19（6）:86-88.

［9］胡 杰，盛祥政，李洪飞，等.基于智能手机的汽车故障诊断系统研究与开发［J］.汽车技术，2011（9）:4-10.