CN106209982B - 基于无线传感器的胎压监测方法 - Google Patents

基于无线传感器的胎压监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于无线传感器的胎压监测方法，该方法包括：胎压传感器模块采集车辆中的胎压信息，经路由器发送给WSN协调器，当接收到WSN协调器的唤醒命令后，立即检测接收数据，将采集后的测量值以进行存储，并将数据封装后通过WSN协调器发送给监控总平台。本发明提出了一种基于无线传感器的胎压监测方法，增强数据在无线传输过程中的可靠性与实时性，降低节点功耗和延长网络生命周期，最终达到在车辆内部复杂的电磁环境下，实现可靠的无线数据传输。

Description

基于无线传感器的胎压监测方法
技术领域
本发明涉及信息传感和采集，特别涉及一种基于无线传感器的胎压监测方法。
背景技术
近年来我国机动车消费需求旺盛，机动车化进程不断加快，国内机动车年产量和保有量持续快速增长。用户对机动车性能的要求也越来越高，随之而来的是机动车相关检测技术的不断完善。目前，针对机动车性能检测有两种方法，一种是用于车辆常规性能检测和安全测试的标准机动车检测线，其需要较大的测试空间和较多的测试设备。另一种是用于车辆道路测试，直接反映车辆行驶过程中实时状况的便携式车载测试设备，其架构采用控制器搭载传感器组成嵌入式片上系统。在车辆测试中，各测试模块需要根据各自功能安装于车辆的不同部位，数据和供电布线非常不方便。车载测试的便携性体现在设备体积上，而不是传感器与设备之间的连接方式上。对于无线传感器技术在车载测试中的应用，目前各厂商所搭建的无线传感器网络大部分使用的是高功耗的射频模块，没有形成统一的开发设计标准，增加了开发难度和后期维护成本。
发明内容
为解决上述现有技术所存在的问题，本发明提出了一种基于无线传感器的胎压监测方法，包括：
胎压传感器模块采集车辆中的胎压信息，经路由器发送给WSN协调器，当接收到WSN协调器的唤醒命令后，立即检测接收数据，将采集后的测量值以进行存储，并将数据封装后通过WSN协调器发送给监控总平台。
优选地，所述胎压传感器模块在上电初始化后扫描信道，确定是否存在网络和协调器的位置，发现后立即与WSN协调器进行连接确认，按照WSN协调器发送的指令采集各类车载数据，然后将数据信息上传至协调器中，胎压传感器模块空闲时处于睡眠状态等待唤醒命令，在完成加入网络后，节点进入睡眠等待模式，一旦接收到WSN协调器的唤醒命令后，立即检测接收数据，先对接收的数据帧头和命令头进行判断，根据命令头执行相应的操作，将采集后的测量值以进行存储，并将数据封装后发送给监控总平台；
所述WSN协调器上电后，首先进行硬件和协议栈操作系统的初始化，然后执行网络建立操作，建立网络的过程中包括信道扫描，选择信道、节点地址分配操作，启动协调器建立一个新的IEEE 802.15.4无线网络；在路由器和胎压传感器模块顺利加入网络后，胎压传感器模块先发送一个请求命令，协调器接到请求命令后监听所分配的数据信道，确保信道空闲后返回允许命令，胎压传感器模块接到允许命令后才能开始发送数据信息；
路由器作为无线网络中数据的跳转节点，接收终端传感器节点数据信息，整理数据信息后将数据转发给WSN协调器，路由器工作过程可分为路由搜索初始化、接收路由命令帧、接收应答命令帧，数据接收、数据压缩、丢包检测、选择最佳路径以防止造成数据阻塞；
胎压传感器模块采用两个MCU即MCU1和MCU2，MCU1负责采集传感器数据，MCU2负责无线传输，然后同时将所有数据通过无线协议发送至协调器；MCU1和MCU2之间通过串口相连，MCU1定时将期间采集到的所有胎压传感器数据一次性发送给MCU2，然后MCU2负责将其发送至协调器；胎压传感器模块独占MCU1的一个串口收发对；MCU1和MCU2的通信分别占用MCU1的串口的发送端和MCU2的串口的接收端；
MCU1的完整操作为：被动接收胎压监测采集数据，然后统一将数据发送给MCU2，建立数据池，将传感器数据采集程序作为主程序，保持循环采集，然后按照帧格式顺序，依次写入数据池，每10次传感器实时数据采集完毕，启动一次发送程序，一起发送给MCU2；对于异步胎压数据，占用额外单独的数据区，以中断方式接收到的胎压变化数据先放入胎压数据区，并设置胎压数据标志位；然后，在每次数据发送给MCU2之前，主程序先检查胎压数据标志位是否被置位；如果置位，则有胎压数据完整接收，则就将胎压数据区数据拷贝至程序数据区，然后清除胎压数据标志位，最后将配置好传感器数据和胎压数据的数据区发送到MCU2；如果胎压数据标志位没有置位，则不做处理，数据区相应段的信息是上一次胎压传感器的数据值；
MCU2进行无线协议模块的初始化，发送配置命令，进行编程参数、网络参数的配置和网络连接；初始化无线协议模块并在收到MCU1发送来的传感器数据后，开始进行无线协议传送；同样采用中断异步的方式接收MCU1的数据；当异步收到MCU1的数据后，设置数据接收标志位，主程序循环查看是否收到MCU1发来的传感器数据，如果是，则就将传感器数据拷贝至数据区，然后发送至协调器。
本发明相比现有技术，具有以下优点：
本发明提出了一种基于无线传感器的胎压监测方法，增强数据在无线传输过程中的可靠性与实时性，降低节点功耗和延长网络生命周期，最终达到在车辆内部复杂的电磁环境下，实现可靠的无线数据传输。
附图说明
图1是根据本发明实施例的基于无线传感器的胎压监测方法的流程图。
具体实施方式
下文与图示本发明原理的附图一起提供对本发明一个或者多个实施例的详细描述。结合这样的实施例描述本发明，但是本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求书限定，并且本发明涵盖诸多替代、修改和等同物。在下文描述中阐述诸多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。出于示例的目的而提供这些细节，并且无这些具体细节中的一些或者所有细节也可以根据权利要求书实现本发明。
本发明的一方面提供了一种基于无线传感器的胎压监测方法。图1是根据本发明实施例的基于无线传感器的胎压监测方法流程图。
本发明使用IEEE 802.15.4无线通信技术来实现无线传感器网络的搭建与网络数据的传输，在机动车内部构建无线传感器网络，完成机动车内部信号的采集与传输。车辆信息无线采集系统包括监控总平台、WSN协调器和大量的终端传感器节点。IEEE 802.15.4WSN协调器负责建立无线网络和收集数据，本发明的无线采集系统中需要采集的数据分为车载和环境监测两部分，终端传感器节点负责对数据进行检测和采集，然后通过无线射频模块进行传送，协调器通过无线网络接收终端传感器节点发出的数据信息，再通过串口传输到监控总平台中，监控总平台的责任是对数据进行查看和存储。本发明的无线采集系统设计的数据采集系统一方面增强了系统中数据信息传输的可靠性和高效性，另一方面大大减少了传感器节点安装、维护的工作量。
车辆信息无线采集系统实时读取车辆局部温湿度、胎压、加速度和环境监测等多种传感器数据，并能够进行人员管理和无线传感器网络的拓扑，以便及时采取相关手段将突发的事件进行报警和处理，更加高效、准确的对机动车行驶过程中的状态进行实时监控与管理。
车辆信息无线采集系统由数据实时采集模块、数据通信、处理分析模块和监控总平台、移动客户端组成。在数据的传输量少、设备的成本低等条件下，该数据采集系统通过放置在车体内部的各类传感器采集机动车内部各种状态信息，通过无线网络传感器传输到路由器后，再通过协调器将各类信息进行数据整理，将最优值输入到监控总平台的数据库中进行保存并进行网络发布，客户端可根据接口地址调用信息，同时监控总平台向协调器进行指令发送，协调器接收到命令后再通过无线传感器将此命令发送到终端目标设备，终端采集设备能够响应操作命令执行动作。
每个节点携带多种传感器，将采集的环境信息和机动车电子信号组成数据帧，以无线电波的形式经由路由器和协调器转发到监控总平台，IEEE 802.15.4技术数据传输格式简单、数据传输量少、抗干扰能力强，特别适用于本发明的无线采集系统的开发，现场的传感器设备能够以无线传感器节点的形式特点自动组网，并能省去大量的布线工作。因此本发明将数据采集系统分成以下模块。
数据采集模块包括温湿度传感器、胎压传感器、光敏传感器、加速度传感器，实现车载和环境各传感器数据信息采集，并将采集到的模拟信号转换成中心节点可处理的数字信号，等待命令发送数据信息，接下来通过IEEE 802.15.4无线传感器网络把收到的数据发送到上级模块。
WSN协调器在收到请求后需要依次对网络中的节点发出唤醒信号，而节点只有被唤醒后才能将采集到的现场数据发送给协调器，当协调器收集到一段时间所有终端传感器节点的发送的信息后，经过网络层的数据处理操作，提取出冗余信息和错误信息，统一上传到数据监控总平台。
数据通信模块由两大部分组成，第一部分是终端传感器节点采集的数据经路由器跳转传输到WSN协调器，第二部分是数据由WSN协调器传输至监控总平台，并在数据库中存储。因此数据通信模块需要采用两种不相同的通信方式：两部分分别采用的是基于IEEE802.15.4技术的无线通信网络，和采用串口通信的方式上传。在数据采集阶段，底层IEEE802.15.4数据采集节点数量非常多，需要收集大量传感器信息，传感器信息相似度较高，冗余信息较多，所以需要对数据进行整理。数据整理模块负责网络传输过程中的数据处理工作，需要对不同数据进行加工、整合、分类和封装，然后根据不同的信息类型，对数据信息进行分析计算，得出最优整理结果，将最优值通过串口通信传输到监控总平台上。整个模块设计的思想是希望能够将底层的无线传感器网络与监控总平台进行通信连接，实现机动车信息无线采集系统的无线监控与管理。
监控总平台实时读取车载内部状态信息和测试环境监测信息，并对数据进行处理与存储，当某一传感器数据超过阈值时向监控总平台发出报警信号，监控总平台根据节点配置的唯一地址信息迅速定位传感器节点位置。此外，监控总平台还对不同传感器的状态信息和控制功能具有选择的功能；数据实时显示和查询；数据显示、数据保存以及参数设置。
基于WebService+Android客户端的组合方式来实现移动终端方案，监控总平台将测试数据和分析结果封装发布到WebService中，Android客户端调用WebService信息并解析成所需数据，实时掌握测试信息和分析结果。
WSN协调器是整个无线网络的数据收发中心，路由器和终端传感器节点都是通过它与监控总平台之间进行数据交换。WSN协调器上电后，首先进行硬件和协议栈操作系统的初始化，然后执行网络建立操作，建立网络的过程中包括信道扫描，选择信道、节点地址分配操作，这样便可以启动协调器建立一个新的IEEE 802.15.4无线网络。
在路由器和终端传感器节点顺利加入网络后，终端传感器节点要先发送一个请求命令，协调器接到请求命令后监听所分配的数据信道，确保信道空闲后返回允许命令，终端传感器节点接到允许命令后才能开始发送数据信息，这样就避免了信息碰撞和信道堵塞。
检测到空间数据后，判断数据信息的可用性，剔除冗余信息和错误信息后，将节点的各类信息封装、压缩通过串口传输给监控总平台进行显示和存储，协调器随后进入睡眠状态。
路由器作为无线网络中数据的跳转节点，负责接收终端传感器节点数据信息，整理数据信息后将数据转发给WSN协调器。路由器工作过程可分为路由搜索初始化、接收路由命令帧、接收应答命令帧，工作包括数据接收、数据压缩、丢包检测、选择最佳路径以防止造成数据阻塞，在完成数据转发的同时起到优化节能的作用。本发明的无线采集系统中当路由器也搭载传感器，在其完成路由功能的同时也能进行终端传感器节点的数据采集功能。
终端传感器节点的作用是采集测试环境中的各种传感器信息，经路由器最终发送给WSN协调器，因此它上电初始化后的工作是扫描信道确定是否存在网络和协调器的位置，发现后立即与WSN协调器进行连接确认，成功后它便可以按照协调器发送的指令采集车载和环境监测的各类数据，然后将数据信息上传至协调器中，空闲时间它便处于睡眠状态等待唤醒命令。在完成加入网络后，节点进入睡眠等待模式，一旦接收到协调器的唤醒命令后，立即检测接收数据，先对接收的数据帧头和命令头进行判断，根据命令头执行相应的操作，将采集后的测量值以3个字节的空间存储，并将数据封装后发送给监控总平台。
协调器通过串口与监控总平台相连的，监控总平台通过串口发送控令和接收返回的传感器数据，为了提高数据管理能力，需要执行统一的数据通信格在系统中节点间通信核协调器与监控总平台的通信的数据都是采用数据帧的方式发数据传输时的IEEE802.15.4协议帧的格式如下，每一帧长度为32字节，包括帧命令头、地址、数据、校验位和帧尾组成。
命令头：所执行的命令。
地址：目标模块8位物理地址+2位网络地址。
数据：包括命令标示符和返回数据。
校验：用于判断数据是否正确。
胎压监测模块包括发射芯片和接收芯片，发射芯片将每一位二进制数据位调制成经过433MHZ电磁波发送的信号，接收芯片以固定波特率接受发射芯片所发射的射频信号，并进行解调然后输出一个二进制数据位。采用中断触发的方式，当有数据传送，经过接收芯片转换成高低电平二进制数据位到达监控总平台时，立即触发监控总平台进行本次数据的接收。每次数据发送的中间并不影响监控总平台其他数据的采集和处理。
为了实现实时性的目标，在车载终端的实现中采用了两个采集MCU。分别标记为MCU1和MCU2，MCU1负责采集有严格实时性要求的传感器数据。MCU2，则负责其他非严格实时性要求的数据，如无线传输等，然后同时将所有数据通过无线协议发送。MCU1和MCU2之间通过串口相连，MCU1定时将期间采集到的所有传感器数据一次性发送给MCU2，然后MCU2负责将其发送至协调器。
传感器数据采集模块，独占MCU1的一个串口收发对。MCU1和MCU2的通信分别占用MCU1的串口的发送端，MCU2的串口的接收端。
MCU1的完整操作为：主动循环采集环境传感数据，被动接收胎压监测采集数据，然后统一将数据发送给MCU2。先建立数据池，传感器数据采集程序作为主程序，保持循环采集，然后按照帧格式顺序，依次写入数据池。每10次传感器实时数据采集完毕，启动一次发送程序，一起发送给MCU2。
对于异步胎压数据，占用额外单独的数据区。以中断方式接收到的胎压变化数据先放入胎压数据区，并设置胎压数据标志位。然后，在每次数据发送给MCU2之前，主程序先检查胎压数据标志位是否被置位。如果置位，说明期间有胎压数据完整接收。则就将胎压数据区数据拷贝至程序数据区，然后清除胎压数据标志位。最后将配置好传感器数据和胎压数据的数据区发送到MCU2。如果胎压数据标志位没有置位，则不做处理，数据区相应段的信息是上一次胎压传感器的数据值。
MCU2先进行无线协议模块的初始化，发送配置命令，进行编程参数、网络参数的配置和网络连接。初始化好无线协议模块并在收到MCU1发送来的传感器数据后，开始进行无线协议传送；仍采用中断异步的方式接收MCU1的数据。当异步收到MCU1的数据后，设置数据接收标志位。主程序循环查看是否收到MCU1发来的传感器数据，如果是，则就将传感器数据拷贝至数据区，然后发送。
结合本发明的无线采集系统网络拓扑结构和设计要求，采用一种分布式的数据整理算法，分别在路由器、协调器上根据其自身功能实现不同的数据整理算法。在路由器采用动态分簇路由算法；协调器采用空间自适应加权数据整理算法；
本发明以节点剩余电量作为选取簇头的首要参数来进行动态分配簇头。将所有节点的剩余电量Es按下式转换为一个时间量Δt，
Figure BDA0001028850700000091
式中，Es为节点的剩余电量，E0为初始电量，τ为最大等待时间，NS为组网次数，Emin为成为簇头的最小电量值。
选取簇头时所有节点都等待一个统一设定时延，最先到达时延的为簇头，周围节点则取消时延。
是否对数据进行整理，取决于协调器与簇头距离da，da的计算公式如下：
式中，Ee为节点压缩1比特所消耗能量，n为组网个数，ε表示信号放大器向单位面积发射1比特数据所消耗的电量。当协调器与簇头节点距离大于da时，在协调器进行数据整理。
对于协调器，针对大量精度不相等的测量值，采用权重值W来衡量不同数据的不同精度，将测得的不同数据按照精度分别乘以其最优权重值，然后将得到的数据进行平均值处理，最终得到最优整理结果：
传感器的测量值X1、X2、…、Xn经过递归估计运算后得到
Figure BDA0001028850700000102
再分别乘加权因子Wi后求和，得到最优整理结果
Figure BDA0001028850700000104
与加权因子Wi满足：
Figure BDA0001028850700000105
利用输出数据相互独立的关系，第n个传感器第k次测量值计算出时空融合总均方误差
Figure BDA0001028850700000106
S为传感器数量，最终得到总的均方误差为：
Figure BDA0001028850700000107
其中σi 2(n)为终端传感器节点初步得到的均方误差。
综上所述，本发明提出了一种基于无线传感器的胎压监测方法，增强数据在无线传输过程中的可靠性与实时性，降低节点功耗和延长网络生命周期，最终达到在车辆内部复杂的电磁环境下，实现可靠的无线数据传输。
显然，本领域的技术人员应该理解，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算系统来实现，它们可以集中在单个的计算系统上，或者分布在多个计算系统所组成的网络上，可选地，它们可以用计算系统可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储系统中由计算系统来执行。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (2)

1.一种基于无线传感器的胎压监测方法，其特征在于，包括：
胎压传感器模块采集车辆中的胎压信息，经路由器发送给WSN协调器，当胎压传感器模块接收到WSN协调器的唤醒命令后，立即检测接收 数据，将采集后的测量值进行存储，并将数据封装后通过WSN协调器发送给监控总平台，以便及时采取相关手段将突发的事件进行报警和处理；
分别在路由器、协调器根据其自身功能实现不同的分布式数据整理算法； 在路由器采用动态分簇路由算法；协调器采用空间自适应加权数据整理算法；以节点剩余电量作为选取簇头的首要参数来进行动态分配簇头；将所有节点的剩余电量Es按下式旋转为一个时间量Δt
Figure FDA0002321151380000011
式中，Es为节点的剩余电量，Eo为初始电量，τ为最大等待时间，Ns为组网次数，Emin为簇头的最小电量值；
选取簇头时所有节点都等待一个统一设定时延，最先到达时延的为簇头，周围节点则取消时延；
是否对数据进行整理，取决于协调器与簇头距离da，da的计算公式如下：
Figure FDA0002321151380000012
式中，Ee为节点压缩1比特所消耗能量，n为组网个数，ε 表示信 号放大器向单位面积发射1比特数据所消耗的电量；当协调器与演头节点距离大于da时，在协调器进行数据整理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述胎压传感器模块在上电初始化后扫描信道，确定是否存在网络和协调器的位置，发现后立即与WSN协调器进行连接确认，按照WSN协调器发送的唤醒命令采集各类车载数据，然后将数据信息上传至协调器中，胎压传感器模块空闲时处于睡眠状态等待唤醒命令，在完成加入网络后，节点进入睡眠等待模式，一旦接收 到WSN协调器的唤醒命令后，立即检测接收胎压信息数据，先对接收的唤醒命令数据帧头和命令头进行判断，根据命令头执行相应操作，将采集后的胎压信息测量值进行存储，并将数据封装后发送给监控总平台；
所述WSN协调器上电后，首先进行硬件和协议栈操作系统的初始化，然后执行网络建立操作，建立网络的过程中包括信道扫描，选择信道、节点地址分配操作，启动协调器建立一个新的IEEE802.15.4无线网络；在路由器和胎压传感器模块顺利加入网络后，胎压传感器模块先发送一个请求命令，协调器接到请求命令后监听所分配的数据信道，确保信道空闲后返回允许命令，胎压传感器模块接到允许命令后才能开始发送数据信息；
路由器作为无线网络中数据的跳转节点，接收 胎压传感器节点数据信息，整理数据信息后将数据转发给WSN协调器，路由器工作过程可分为路由搜索初始化、接收路由命令帧、接收应答命令帧，数据接收、数据压缩、丢包检测、选择最佳路径以防止造成数据阻塞；
胎压传感器模块采用两个MCU即MCU1和MCU2，MCU1负责采集胎压传感器数据，MCU2负责无线传输，然后同时将所有数据通过无线协议发送至协调器；MCU1和MCU2之间通过串口相连，MCU1定时将期间采集到的所有胎压传感器数据一次性发送给MCU2，然后MCU2负责将其发送至协调器；胎压传感器模块独占MCU1的一个串口收发对；MCU1和MCU2的通信分别占用MCU1的串口的发送端和MCU2的串口接收端；
MCU1的完整操作为:被动接收胎压监测采集数据，然后统一将数据发送给MCU2，建立数据池，将传感器数据采集程序作为主程序，保持循环采集，然后按照帧格式顺序，依次写入数据池，每10次传感器实时数据采集完毕，启动一次发送程序，一起发送给MCU2；对于异步胎压数据，占用额外单独的数据区，以中断方式接收到的胎压变化数据先放入胎压数据区，并设置胎压数据标志位；然后，在每次数据发送给MCU2之前，主程序先检查胎压数据标志位是否被置位；如果置位，则有胎压数据完整接收，则就将胎压数据区数据拷贝至程序数据区，然后清除胎压数据标志位，最后将配置好的传感器数据和胎压数据的数据区发送到MCU2；如果胎压数据标志位没有置位，则不做处理，数据区相应段的信息是上一次胎压传感器的数据值；
MCU2进行无线协议模块的初始化，发送配置命令，进行编程参数、网络参数的配置和网络连接；初始化无线协议模块在收到MCU1发送来的传感器数据后，开始进行无线协议传送；同样采用中断异步的方式接收MCU1的数据；当异步收到MCU1的数据后，设置数据接收标志位，主程序循环查看是否收到MCU1发来的传感器数据，如果是，则就将传感器数据拷贝至数据区，然后发送至协调器。
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