CN121750552B - 一种胎压信息数据传输用无线信号优化方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种胎压信息数据传输用无线信号优化方法，其包括以下步骤：传感器节点基于链路质量判断启动中继传输模式，通过微型路由协议选择中继节点，将数据包经邻居节点转发至由车身缝隙耦合形成的分布式隙缝天线；中央信号聚合器对多路径接收的数据进行融合处理，还原出完整胎压数据流。本申请实现了在极端遮挡环境下胎压信号的可靠、连续传输，并兼顾了低功耗与实时性要求。

Description

一种胎压信息数据传输用无线信号优化方法

技术领域

本申请涉及胎压信息数据处理的领域，尤其是涉及一种胎压信息数据传输用无线信号优化方法。

背景技术

当前，汽车胎压监测系统（TPMS）普遍采用无线传输技术，其典型架构为各轮胎传感器节点与车载中央接收器之间构成星型网络，通过预设频段直接进行数据传输。为应对静态遮挡或干扰，现有技术主要通过信号重发、功率调整或简单的频点切换来尝试恢复通信。

然而，上述方法在面对工程机械、重型卡车等特种车辆时存在固有缺陷。此类车辆在作业中，其金属臂架、旋转平台等大型部件会产生动态且随机的信号遮挡，完全阻断了传感器与中央接收器之间的直接视距链路。现有的重试与调优机制在此场景下完全失效，导致胎压数据在关键时刻持续丢失，无法满足安全监控的实时性与可靠性要求。

为解决上述动态遮挡导致的数据传输中断问题，本发明提出一种胎压信息数据传输用无线信号优化方法。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供一种胎压信息数据传输用无线信号优化方法，采用如下的技术方案：

一种胎压信息数据传输用无线信号优化方法，包括以下步骤：

S1.多个轮胎压力监测传感器节点分别构成自组网节点，各所述传感器节点内置超低功耗无线通信模块，且各传感器节点与隙缝天线采用时分复用方式分配通信时隙；

S2.利用车身金属结构上的固有缝隙，通过耦合电路与所述缝隙耦合，形成多个分布式隙缝天线，所述多个隙缝天线均电连接至中央信号聚合器；

S3.任一传感器节点基于接收信号强度指示值或数据包接收成功率，判断其与所有隙缝天线的直接传输链路质量，当所述链路质量低于第一阈值时，启动中继传输模式：该传感器节点将自身的胎压数据包发送至一个或多个邻居传感器节点；

S4.接收所述胎压数据包的邻居传感器节点，在其分配的通信时隙内，将所述数据包转发至其时隙内链路质量最优的一个隙缝天线；

S5.所述中央信号聚合器对通过不同隙缝天线接收到的且来自同一传感器节点的数据包进行去重、时序排序与完整性校验，还原出完整且时序一致的胎压数据流。

优选的，在所述中继传输模式中，采用微型路由协议，且所述微型路由协议限制数据包的最大转发跳数为2跳。

优选的，所述微型路由协议依据加权决策值选择中继节点，所述加权决策值为以下两个参数的加权和：到候选节点的接收信号强度指示值、候选节点的剩余电量。

优选的，所述传感器节点周期性广播包含自身身份标识、剩余电量及直接链路状态的信标帧；各传感器节点根据接收到的信标帧，维护一个动态邻居拓扑表，所述邻居拓扑表记录当前可直达的邻居传感器节点及隙缝天线信息。

优选的，所述耦合电路为包含贴片天线单元和变容二极管的谐振电路，通过向所述变容二极管施加0-3V的调谐电压，使其谐振频率在3.1GHz至10.6GHz的频段内动态可调。

优选的，所述隙缝天线布设于车门铰链接缝、尾灯安装缝或引擎盖接缝处，且所述耦合电路中的贴片天线单元通过介电密封胶固定于距缝隙开口3-5毫米的位置。

优选的，所述步骤S3中判断链路质量低于第一阈值的判断标准为：连续N次发送的数据包均未收到来自所述中央信号聚合器的确认响应，其中N为2至5的整数。

优选的，所述步骤S3中，所述传感器节点将常规胎压数据分割为2-4个数据分片，各数据分片通过不同的中继路径传输；若为胎压异常的紧急数据包，则不分片并优先占用通信时隙传输。

优选的，所述中央信号聚合器内置全球电波法规数据库，通过车载定位模块获取车辆实时位置，为所述超低功耗无线通信模块与所述隙缝天线动态分配符合当前区域法规的通信频段与传输功率。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.开创了动态冗余传输路径，根治了信号遮挡顽疾。通过将轮胎传感器节点构建为具备中继能力的自组网，并创新性地利用车身缝隙形成分布式接收阵列，本方案在物理层创造了多条可用的信号传输路径。当直接路径被动态遮挡（如工程机械臂架旋转）中断时，数据可自动通过邻近节点接力，并经由最优的隙缝天线送达，从而彻底改变了传统星型拓扑一遮挡即中断的被动局面，实现了从无法传输到绕路传输的质变。

2.实现了低功耗、高实时性与高可靠性的智能平衡。本方案中的微型路由协议、加权中继决策算法及数据分片传输策略三者协同，实现了资源的按需优化分配。协议限制2跳以内，严格控制了延迟与复杂度；多因子加权决策保障了中继路径的综合最优；常规数据分片与紧急数据优先传输的差异化策略，则在提升传输可靠性的同时，确保了安全关键信息的极低延迟。这种系统化的设计使得在复杂电磁环境与严苛能耗约束下，依然能保障胎压监控的实时性与可靠性。

3.实现了硬件与车身的深度融合，兼具高性能与高适用性。提出的隙缝天线方案，通过耦合电路将车身固有缝隙激活为高性能天线，无需额外安装外置天线，保持了车身美观与完整性，尤其解决了特种车辆安装空间受限的难题。电调谐功能的引入，使天线能动态规避干扰。这种化结构缺陷为通信资产的硬件创新，在实现优异射频性能的同时，具备极佳的工程适用性与环境鲁棒性。

4.确保了数据流的最终一致性，提供了稳定的逻辑接口。中央信号聚合器的核心数据融合算法（去重、排序、完整性校验），能够将从多条异步、可能重复的物理路径上接收到的数据乱流，完整、准确、按时序地还原为单一的、可靠的数据流。这屏蔽了下层传输路径的所有复杂性与不稳定性，对车辆仪表或高级驾驶辅助系统（ADAS）呈现出一个稳定、连续、可信的数据接口，是提升整个胎压监测系统可用性的关键。

附图说明

图1是本申请实施例中三层抗遮挡传输系统框图；

图2是本申请实施例中一种胎压信息数据传输用无线信号优化方法的方法流程图；

图3是本申请实施例中信标帧格式示意图。

具体实施方式

以下结合附图1和图2对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种胎压信息数据传输用无线信号优化方法，其核心在于构建一个由轮胎传感器节点网络、车身隙缝天线阵列和中央信号聚合器协同工作的三层抗遮挡传输系统，以解决动态随机遮挡导致的通信中断问题。

参照图1，三层抗遮挡传输系统包括：

多个轮胎压力监测传感器节点：分别安装于车辆的各个轮胎（含备胎）内，负责采集胎压、温度等信息，并作为自组网节点具备数据中继能力。

多个分布式隙缝天线：利用车身金属结构上的固有缝隙，通过耦合电路激活形成，分布于车身不同位置。

中央信号聚合器：安装在车体内，通过线缆与所有隙缝天线电连接，负责协调通信、处理数据并输出最终的胎压信息流。

参照图2，一种胎压信息数据传输用无线信号优化方法，包括以下步骤：

S1、网络初始化与邻居发现：多个轮胎压力监测传感器节点分别构成自组网节点，各所述传感器节点内置超低功耗无线通信模块，且各传感器节点与隙缝天线采用时分复用方式分配通信时隙；所述传感器节点周期性广播包含自身身份标识、剩余电量及直接链路状态的信标帧；各传感器节点根据接收到的信标帧，维护一个动态邻居拓扑表，所述邻居拓扑表每30ms更新一次，记录当前可直达的邻居传感器节点及隙缝天线信息；

S2、隙缝天线阵列的构建与调谐：利用车身金属结构上的固有缝隙，通过耦合电路与所述缝隙耦合，形成多个分布式隙缝天线，所述多个隙缝天线均电连接至中央信号聚合器；所述耦合电路为包含贴片天线单元和变容二极管的谐振电路，通过向所述变容二极管施加0-3V的调谐电压，使其谐振频率在3.1GHz至10.6GHz的频段内动态可调；所述隙缝天线布设于车门铰链接缝、尾灯安装缝或引擎盖接缝处，且所述耦合电路中的贴片天线单元通过介电密封胶固定于距缝隙开口3-5毫米的位置；

S3、链路质量判断与智能中继传输：任一传感器节点基于接收信号强度指示值或数据包接收成功率，判断其与所有隙缝天线的直接传输链路质量，当所述链路质量低于第一阈值时，启动中继传输模式：该传感器节点将自身的胎压数据包发送至一个或多个邻居传感器节点；在所述中继传输模式中，采用微型路由协议，且所述微型路由协议限制数据包的最大转发跳数为2跳；所述微型路由协议依据加权决策值选择中继节点，所述加权决策值为以下两个参数的加权和：到候选节点的接收信号强度指示值、候选节点的剩余电量；

S4、数据包转发：接收所述胎压数据包的邻居传感器节点，在其分配的通信时隙内，将所述数据包转发至其时隙内链路质量最优的一个隙缝天线；

S5、数据聚合与还原：所述中央信号聚合器对通过不同隙缝天线接收到的且来自同一传感器节点的数据包进行去重、时序排序与完整性校验，还原出完整且时序一致的胎压数据流。

通过上述S1至S5的步骤协同，本方法构建的三层抗遮挡传输系统实现了以下核心有益效果：首先，通过轮胎节点自组网与隙缝天线阵列的结合，创造了动态冗余传输路径，从根本上解决了传统星型拓扑在动态遮挡下必然中断的难题，使信号传输从听天由命变为主动绕行。其次，轻量化的微型路由协议与智能中继机制，在确保极低功耗和低延迟的前提下，实现了遮挡场景下传输路径的快速、最优切换。最后，中央信号聚合器的数据融合处理，保证了多路径、异步到达数据的最终一致性与完整性，为上层应用提供了稳定可靠的数据流。

下面结合图2所示的流程图，对本方法的实施方式进行详细说明。

步骤S1网络初始化与邻居发现具体为：

多个轮胎压力监测传感器节点分别构成自组网节点。各传感器节点内置超低功耗无线通信模块，该模块优选基于IEEE802.15.4协议栈的UWB（超宽带）芯片，工作在3.1GHz至10.6GHz频段，通过休眠-唤醒机制和精简的数据帧格式实现超低功耗。通信资源采用时分复用方式进行分配。在本实施例中，一个完整的通信周期（例如100ms）被划分为多个固定长度的时隙。中央信号聚合器作为网络主节点，周期性地广播包含绝对时间信息的同步信标，所有传感器节点和隙缝天线据此同步时钟，并各自在预先分配的专属时隙内进行发射，以避免冲突。

为进一步支持动态路由，各传感器节点会周期性广播信标帧。该信标帧的具体格式包含但不限于以下字段：2字节的自身身份标识（如轮胎位置ID）、1字节的剩余电量百分比、以及1字节的直接链路状态位图（每一位指示与一个预设隙缝天线的直接链路是否可达）。各节点根据接收到的信标帧，动态维护一个邻居拓扑表。该表记录的内容包括：邻居传感器节点的ID、最近一次收到其信标的RSSI值、时间戳，以及该邻居信标中报告的、其可直接连通的隙缝天线列表。此表是后续中继决策的基础，并且仅维护一跳邻居信息，确保了协议的轻量化。

参照图3，举例说明，本实施例信标帧包含以下字段：

1. 前导码（2字节）：用于通信同步，采用固定序列（如0x55AA）实现接收端的时钟对齐；

2. 帧类型（1字节）：标识包类型，本实施例中0x01表示信标帧，0x02表示胎压数据包；

3. 源节点ID（2字节）：唯一标识传感器节点（如左前轮ID为0x01）；

4. 剩余电量（1字节）：传感器节点电池剩余电量的百分比量化值（0-100%）；

5. 直接链路状态位图（1字节）：8位二进制，每一位对应一个预设隙缝天线的直接链路可达状态（1=可达，0=不可达）；

6. 校验和（2字节）：采用CRC16算法计算的校验值，用于验证信标帧数据的完整性。

本步骤通过引入基于固定时隙的时分复用接入和周期性的轻量级邻居发现协议，本步骤在极低的通信开销下，为每个传感器节点建立并维护了一个实时、准确的局部网络视图（邻居拓扑表）。这为后续中继决策提供了至关重要的基础数据，确保了整个自组网能够在有序、低冲突的环境下运行，避免了传统Ad-hoc网络复杂的路由发现过程，特别适合TPMS这种节点少、拓扑相对固定的场景。

步骤S2隙缝天线阵列的构建与调谐具体为：

利用车身金属结构上的固有缝隙，通过耦合电路与缝隙耦合，形成多个分布式隙缝天线。所述耦合电路核心是一个包含贴片天线单元和变容二极管的谐振电路。贴片天线单元作为辐射体，其尺寸根据目标中心频率设计；变容二极管（如型号SMV1234）并联在贴片馈电点，通过改变其结电容来调整谐振频率。贴片天线阻抗匹配至50Ω，通过0.5pF电容实现。

所述谐振频率的调谐电压范围为0-3V，对应的工作频段为3.1GHz至10.6GHz。通过实验标定，调谐电压与中心频率的对应关系可为：0V时约3.5GHz，1.5V时约4.3GHz，3V时约6.0GHz。中央信号聚合器根据该关系及信道扫描结果，选择最佳电压点。在本发明的一个优选实施例中，调谐电压设定为1.5V，此时谐振频率为4.3GHz。中央信号聚合器可根据信道扫描结果或预设策略，动态调整施加在变容二极管上的电压，从而将隙缝天线的工作频率切换至干扰最小的子频段，实现动态避扰。

所述隙缝天线优先布设于车门铰链接缝、尾灯安装缝或引擎盖接缝等结构稳定、尺寸合适的部位。安装时，所述贴片天线单元通过高介电常数、低损耗的介电密封胶，固定于距缝隙开口3-5毫米的位置。在本实施例中，优选距离为4毫米。此位置能有效利用缝隙的波导效应，增强电磁耦合效率。安装前需对缝隙内壁进行清洁，涂抹密封胶后压入贴片天线单元，待固化后形成兼具电气耦合、机械固定和防水密封的一体化结构。

本步骤将车身结构缺陷（缝隙）转化为通信资产（天线）。通过精密的耦合电路设计，实现了对缝隙天线的电调谐能力，使其能动态适配最优工作频点以规避干扰。这种方案无需在车身外额外安装凸起天线，保持了车身美观与完整性，尤其解决了工程车辆无处安装传统外置天线的痛点。同时，固定的安装位置和密封工艺保证了天线性能的长期稳定与环境可靠性。

步骤S3链路质量判断与智能中继传输具体为：

任一传感器节点实时评估其与所有隙缝天线的直接传输链路质量。评估依据可以是接收信号强度指示值或数据包接收成功率。例如，节点可计算一个综合链路质量指数LQI=0.7*(RSSI_norm)+0.3*(PRR)，其中RSSI_norm为归一化的信号强度，PRR为近期数据包接收成功率。

当判断链路质量低于第一阈值时，启动中继传输模式。所述低于第一阈值的一个具体判断标准为：连续N次发送的数据包均未收到来自中央信号聚合器的确认响应。其中，N为2至5的整数。在本实施例中，设定N=3，即在连续3次发送失败后判定直接链路中断，触发中继。当对实时性要求极高时，可设置N=2以更快启动中继；当需避免因瞬时干扰误触发时，可设置N=5以提升判断稳定性。

启动中继后，源传感器节点将根据微型路由协议选择中继节点。该协议严格限制数据包的最大转发跳数为2跳（即最多经过一次中继），以控制传输延迟和网络复杂度。微型路由协议依据一个加权决策值来选择中继节点。该加权决策值是两个参数的加权和，包括：到候选节点的接收信号强度指示值、候选节点的剩余电量。一个示例性计算公式为：Score=W_rssi*(RSSI_candidate/RSSI_max)+W_batt*(Battery_candidate/100)。其中，权重系数W_rssi、W_batt可根据策略调整，选择加权分最高的候选节点作为中继节点。

在数据发送前，源节点会对数据进行处理。对于常规胎压数据，可将其分割为2-4个数据分片。在本实施例中，优选分割为3个分片。各分片携带相同的序列号和不同的分片序号，然后通过选择不同的中继节点（或同一节点的不同转发时隙）经由不同的中继路径传输，利用路径分集提高可靠性。若为胎压异常的紧急数据包，则不分片，并在协议层面设置最高优先级，可优先占用或临时征用通信时隙进行传输，确保最低延迟。

本步骤效果体现在三层：一、精准的链路质量评估与阈值触发机制，避免了因信号瞬时波动导致的误切换，确保了中继启动的准确性与及时性。二、多因子加权的中继节点选择算法，综合权衡了链路质量、节点能耗和路径效率，实现了动态环境下的最优或次优路径选择，而非随机或固定中继。三、常规数据分片与紧急数据优先传输的策略，在提升数据可靠性的同时，保障了安全关键信息的传输实时性。这三层机制共同作用，实现了功耗、可靠性、实时性之间的最佳平衡。

步骤S4数据包转发具体为：

接收到的胎压数据包（或分片）的邻居传感器节点，在其自身分配的通信时隙内，执行转发操作。它会查询自身维护的邻居拓扑表，选择其时隙内链路质量最优的一个隙缝天线作为目标进行转发。这里的链路质量最优可简单比较该节点最近一次收到来自各个隙缝天线的广播信号的RSSI，选择RSSI最高者。

本步骤是数据沿新路径抵达的最终执行环节。其效果在于，每个中继节点都基于其最新的局部信道状态信息（邻居拓扑表），独立、快速地做出最佳转发决策。这种分布式的决策机制，避免了对中央控制器的依赖，降低了系统复杂性和单点故障风险，并能够快速适应链路质量的局部变化。

步骤S5数据聚合与还原具体为：

所述中央信号聚合器通过连接的各隙缝天线，接收可能来自多路径的且来自同一传感器节点的数据包。随后执行核心处理：

去重：根据数据包中的唯一标识（如源节点ID+全局序列号）识别并丢弃重复接收的包。

时序排序：对于分片数据或乱序到达的数据包，根据包内的序列号和分片序号信息，在缓冲区中进行重新排序。

完整性校验：检查是否收到某个序列号数据的所有分片；对重组后的完整数据包进行校验和（如CRC32）验证。通过校验后，还原出完整且时序一致的胎压数据流，提供给车辆仪表或安全系统。

本步骤是保障数据最终可用性的最后一道防线。其效果在于，通过去重、排序、完整性校验这一系列标准化但至关重要的处理流程，将从多路径、可能重复、乱序到达的原始数据包乱流，还原成一条纯净、有序、可靠的胎压数据流。这屏蔽了下层传输路径的复杂性，对上层应用呈现出一个稳定、连续的逻辑接口，是系统实现无缝抗遮挡体验的关键。

此外，所述中央信号聚合器可内置全球电波法规数据库，该数据库包含各国家/地区对无线设备的频段、功率限制法规。聚合器通过车载定位模块（如GPS）获取车辆实时位置，查询数据库后，为超低功耗无线通信模块与隙缝天线动态分配符合当前区域法规的通信频段与传输功率。例如，从中国行驶至日本时，系统可自动将工作频段从中国标准切换至日本电波法（ARIB）标准下的指定频点，确保跨境行驶的持续合规与通信不中断。该功能将无线传输的合规性从出厂预设变为在线保障，动态调整频段与功率，确保了车辆在全球范围内行驶时，TPMS信号的持续合法与可靠，拓展了产品的国际市场适用性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对发明的保护范围进行限制。显然，所描述的实施例仅仅是本发明部分实施例，而不是全部实施例。基于这些实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明所要保护的范围。尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域普通技术人员依然可以在不冲突的情况下，不作出创造性劳动对本发明各实施例中的特征根据情况相互组合、增删或作其他调整，从而得到不同的、本质未脱离本发明的构思的其他技术方案，这些技术方案也同样属于本发明所要保护的范围。

Claims (9)

1.一种胎压信息数据传输用无线信号优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、多个轮胎压力监测传感器节点分别构成自组网节点，各所述传感器节点内置超低功耗无线通信模块，且各传感器节点与隙缝天线采用时分复用方式分配通信时隙；

S2、利用车身金属结构上的固有缝隙，通过耦合电路与所述缝隙耦合，形成多个分布式隙缝天线，所述多个隙缝天线均电连接至中央信号聚合器；

S3、任一传感器节点基于接收信号强度指示值或数据包接收成功率，判断其与所有隙缝天线的直接传输链路质量，当所述链路质量低于第一阈值时，启动中继传输模式：该传感器节点将自身的胎压数据包发送至一个或多个邻居传感器节点；

S4、接收所述胎压数据包的邻居传感器节点，在其分配的通信时隙内，将所述数据包转发至其时隙内链路质量最优的一个隙缝天线；

S5、所述中央信号聚合器对通过不同隙缝天线接收到的且来自同一传感器节点的数据包进行去重、时序排序与完整性校验，还原出完整且时序一致的胎压数据流。

2.根据权利要求1所述的一种胎压信息数据传输用无线信号优化方法，其特征在于，在所述中继传输模式中，采用微型路由协议，且所述微型路由协议限制数据包的最大转发跳数为2跳。

3.根据权利要求2所述的一种胎压信息数据传输用无线信号优化方法，其特征在于，所述微型路由协议依据加权决策值选择中继节点，所述加权决策值为以下两个参数的加权和：到候选节点的接收信号强度指示值、候选节点的剩余电量。

4.根据权利要求1所述的一种胎压信息数据传输用无线信号优化方法，其特征在于，所述传感器节点周期性广播包含自身身份标识、剩余电量及直接链路状态的信标帧；各传感器节点根据接收到的信标帧，维护一个动态邻居拓扑表，所述邻居拓扑表记录当前可直达的邻居传感器节点及隙缝天线信息。

5.根据权利要求1所述的一种胎压信息数据传输用无线信号优化方法，其特征在于，所述耦合电路为包含贴片天线单元和变容二极管的谐振电路，通过向所述变容二极管施加0-3V的调谐电压，使其谐振频率在3.1GHz至10.6GHz的频段内动态可调。

6.根据权利要求5所述的一种胎压信息数据传输用无线信号优化方法，其特征在于，所述隙缝天线布设于车门铰链接缝、尾灯安装缝或引擎盖接缝处，且所述耦合电路中的贴片天线单元通过介电密封胶固定于距缝隙开口3-5毫米的位置。

7.根据权利要求1所述的一种胎压信息数据传输用无线信号优化方法，其特征在于，所述步骤S3中判断链路质量低于第一阈值的判断标准为：连续N次发送的数据包均未收到来自所述中央信号聚合器的确认响应，其中N为2至5的整数。

8.根据权利要求1所述的一种胎压信息数据传输用无线信号优化方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述传感器节点将常规胎压数据分割为2-4个数据分片，各数据分片通过不同的中继路径传输；若为胎压异常的紧急数据包，则不分片并优先占用通信时隙传输。

9.根据权利要求1所述的一种胎压信息数据传输用无线信号优化方法，其特征在于，所述中央信号聚合器内置全球电波法规数据库，通过车载定位模块获取车辆实时位置，为所述超低功耗无线通信模块与所述隙缝天线动态分配符合当前区域法规的通信频段与传输功率。