基于北斗云的輪胎自動檢測系統(tǒng)＊

劉濤，田野，馬永志,2*

（1.青島大學(xué)機電工程學(xué)院，山東 青島 266071； 2.電動車輛智能化動力集成國家地方聯(lián)合工程研究中心（青島），山東 青島 266071）

前言

輪胎胎壓低于或高于正常輪胎壓力值范圍時會導(dǎo)致車輛行駛過程當(dāng)中輪胎發(fā)生爆胎問題，引起交通事故，造成嚴(yán)重的后果。由于自然滲透作用，輪胎不免會存在胎壓時刻降低的趨勢，并且存在著其它外界破壞因素，會導(dǎo)致胎壓不能一直穩(wěn)定在一定程度[1]。為了能夠確保車輛行駛當(dāng)中輪胎的正常運行，降低交通事故發(fā)生率，研制一種可以實時監(jiān)測輪胎狀態(tài)并且能夠及時向駕駛員進(jìn)行警報反饋的系統(tǒng)顯得尤為必要。此系統(tǒng)能夠在輪胎氣壓處于非安全范圍時，引發(fā)燈光警報和語音警報來提醒車內(nèi)所有成員，根據(jù)北斗云計算平臺進(jìn)行故障分析，駕駛員可根據(jù)故障分析對車輛進(jìn)行臨時的維護措施。

輪胎內(nèi)置無線射頻識別，簡稱RFID，俗稱電子標(biāo)簽。RFID 可以輕松地將輪胎型號、規(guī)格、花紋等信息寫入輪胎內(nèi)置芯片[2]，也能夠?qū)鞲衅魉占降男畔鬟f給接收器。車輛信息采集模塊又包括信息采集器、接收器、發(fā)射器[3]，發(fā)射器將采集器的信息發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)終端；網(wǎng)絡(luò)終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析和發(fā)送，向北斗云計算平臺進(jìn)行遠(yuǎn)程通信；本文便是基于北斗云計算技術(shù)，將行駛過程中有胎壓、胎溫、加速度變化信息、關(guān)鍵部位的輪胎磨損情況以及輪胎動平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，建立起一個實時汽車輪胎自動檢測信息的北斗云計算平臺。

1 輪胎檢測系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)

1.1 現(xiàn)有輪胎檢測系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)

從TPMS 的產(chǎn)品分類來看，主要分為間接式TPMS 與直接式TPMS 兩種分類[4]，間接式TPMS：間接式TPMS（Wheel- Speed Based TPMS）是指通過汽車ABS 系統(tǒng)的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，以達(dá)到監(jiān)視胎壓的目的。直接式TPMS：直接式TPMS（Pressure-Sensor Based TPMS）則是利用安裝在每一個輪胎里的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，并傳輸有關(guān)數(shù)據(jù)[5]。TPMS 系統(tǒng)主要由兩個部分構(gòu)成：信號處理模塊和中央監(jiān)視器模塊。信號采集模塊安裝輪胎內(nèi)部，主要監(jiān)測輪胎內(nèi)部的溫度信息和壓力信息，這些輪胎信息經(jīng)過微處理器的分析和整理由發(fā)射器通過無線電波發(fā)送到中央監(jiān)測模塊，中央監(jiān)視器將接收過來的信號進(jìn)行顯示，供駕駛員參考。當(dāng)顯示數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，中央監(jiān)視器會根據(jù)狀況發(fā)出對應(yīng)的報警信號，提醒駕駛員，以便于采取必要的措施。

1.2 輪胎自動檢測系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)

TPMS 一共由兩個功能模塊組成：信號處理模塊、中央監(jiān)視器模塊[6]。如圖1 所示為TPMS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，信號處理模塊監(jiān)測各個輪胎的狀態(tài)并將輪胎參數(shù)信息通過無線電波發(fā)送至中央監(jiān)視器；中央監(jiān)視模塊將接收到的輪胎信息收集并處理，一同發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)終端等待進(jìn)一步處理。

圖1 輪胎監(jiān)測壓力總框圖

圖2 北斗云計算平臺的輪胎自動監(jiān)測系統(tǒng)

結(jié)合北斗云計算平臺的輪胎自動檢測系統(tǒng)是在目前智能輪胎監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，主要以下由以下五部分組成：車輛信息采集模塊、網(wǎng)絡(luò)終端、北斗云計算平臺、報警與信息顯示模塊、救助模塊組成，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其關(guān)系如圖2 所示。

車輛信息采集系統(tǒng)包括采集模塊、微處理器、發(fā)射器、接收器，發(fā)射器用于將微處理器分析后的信息發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)終端，該網(wǎng)絡(luò)終端接收和存儲采集模塊的信息并將該信息發(fā)送至北斗云計算中心。網(wǎng)絡(luò)終端優(yōu)選為手機等可移動設(shè)備，以便于隨時了解輪胎狀況。網(wǎng)絡(luò)終端與接收器之間通過藍(lán)牙通信，接收器與發(fā)射器之間優(yōu)選通過低頻或射頻通信。采集模塊還用在于采集輪胎磨損、環(huán)境溫度、大氣壓、車輛位置和海拔信息。本系統(tǒng)通過北斗云中的大量輪胎事故狀態(tài)參數(shù)分析，提前預(yù)知危險。通過大量的特征采集和對比，可以明顯的獲得輪胎出現(xiàn)漏氣或者空洞爆炸時的輪胎氣壓、胎溫、加速度等數(shù)據(jù)，通過提取這些數(shù)據(jù)的共同特征，能夠在遠(yuǎn)程監(jiān)控這些特征的出現(xiàn)，在問題出現(xiàn)前就報警。

2 輪胎自動檢測系統(tǒng)功能設(shè)計

如圖3 所示，北斗云計算輪胎自動檢測系統(tǒng)具有歷程追溯功能、危險預(yù)測功能、報警功能、救助功能。

圖3 北斗云計算輪胎自動檢測系統(tǒng)功能

2.1 歷程追溯功能

每個輪胎具有獨立的ID 編碼，人機接口處可以對輪胎ID 進(jìn)行識別，讀取輪胎的歷史數(shù)據(jù)，追溯輪胎生命周期內(nèi)的使用信息，可調(diào)取的輪胎資料主要包括四個部分：（1）輪胎的生產(chǎn)資料，通常包括輪胎生產(chǎn)時間、生產(chǎn)廠家、生產(chǎn)序列號、胎寬、扁平比、最大載重指數(shù)等；（2）輪胎的使用信息，包括歷次行車時輪胎的溫度、內(nèi)部壓力、速度變化、磨損程度、行車距離等數(shù)據(jù)；（3）輪胎報廢資料，包括報廢時間、報廢具體原因和報廢后的去處。以上所有信息均通過網(wǎng)絡(luò)終端進(jìn)行顯示，以便于用戶需要。

2.2 危險預(yù)測功能

手機作為一個網(wǎng)絡(luò)終端十分便利，它具有可移動性和數(shù)據(jù)處理功能，同時它還可以作為一個很好的接收器，通過互聯(lián)網(wǎng)連接北斗云計算平臺，結(jié)合北斗云數(shù)據(jù)庫當(dāng)中的車胎爆炸前的參數(shù)信息，提取特征參數(shù)進(jìn)行對比，當(dāng)參數(shù)達(dá)到爆炸前的閾值時，及時向網(wǎng)絡(luò)終端發(fā)送預(yù)警信息。

2.3 報警功能

結(jié)合北斗云計算平臺的輪胎自動檢測系統(tǒng)具有功能更加強大的報警系統(tǒng)，比如維修輪胎時，輪胎胎壓沒有充到足夠氣壓時，系統(tǒng)發(fā)出聲光警報。車輛在行駛過程當(dāng)中胎壓、胎溫等數(shù)據(jù)超出系統(tǒng)所設(shè)定的安全參數(shù)范圍值后，系統(tǒng)會借助北斗云計算平臺分析輪胎故障并通過網(wǎng)絡(luò)終端引起報警模塊響應(yīng)，通過聲光警報告知駕駛員，以便于提前做出正確措施，防患于未然。

2.4 救助功能

輪胎監(jiān)測系統(tǒng)具備強大的救助功能，將輪胎狀態(tài)實時與北斗云計算平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，在用戶開放權(quán)限的情況下，可以向救助中心或者是附近擁有同系統(tǒng)的用戶進(jìn)行反饋具體狀況，等待及時的救援，救助中心也可以對故障車輛做出應(yīng)急方案，引導(dǎo)故障車輛做出有利于救援的措施。

3 創(chuàng)新性

（1）實時監(jiān)測輪胎狀態(tài)，記錄和共享輪胎實時信息，對輪胎生命周期內(nèi)的各項參數(shù)進(jìn)行存儲和管理，以便于查詢輪胎歷史信息。

（2）輪胎自動檢測系統(tǒng)強大的預(yù)測功能，最大限度降低了汽車輪胎可能會出現(xiàn)的危險性，將可能會發(fā)生意外事故的風(fēng)險性降到最低。

（3）個人手機、北斗云計算平臺的應(yīng)用，可以根據(jù)路況信息、海拔信息等可隨時向用戶提供注意事項或是處理方案。

（4）輪胎自動檢測系統(tǒng)擁有強大的救助系統(tǒng)，可以查詢附近擁有同系統(tǒng)的車輛，并且將自身故障第一時間傳遞給救助中心，讓救助工作變得更快捷、精確。

4 結(jié)論

本文提出了一種北斗云計算輪胎自動檢測系統(tǒng)，通過安 放在輪胎內(nèi)部的溫度和壓力傳感器，實時監(jiān)測胎壓和輪胎內(nèi)部壓力信息，微處理器對這些信息進(jìn)行初步分析和整理，由發(fā)射器將處理后的信息發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)終端，網(wǎng)絡(luò)終端利用互聯(lián)網(wǎng)與北斗云計算平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，北斗云計算平臺將接收到的實時信號與數(shù)據(jù)庫內(nèi)部的輪胎爆胎前的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比、分析，得出結(jié)果向網(wǎng)絡(luò)終端反饋，當(dāng)反饋結(jié)果沒有出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)繼續(xù)按原來狀況運行；若反饋結(jié)果異常，則發(fā)送報警信號，網(wǎng)絡(luò)終端收到報警信號后，立即做出反應(yīng)，將警報通過聲光的形式告知駕駛員，同時在用戶開設(shè)權(quán)限的情況下，救助中心同時也會收到報警信號，遠(yuǎn)程分析故障問題，指導(dǎo)駕駛員做出正確合理的措施，必要時對出動應(yīng)急小組進(jìn)行援助。北斗云計算平臺數(shù)據(jù)庫對海量輪胎信息的管理、存儲、計算與分析，分析預(yù)測輪胎參數(shù)變化情況，由此盡可能降低意外事故發(fā)生的可能性。結(jié)合我國自主研發(fā)的北斗云系統(tǒng)，該輪胎自動檢測系統(tǒng)市場前景廣闊，可廣泛應(yīng)用于輪胎制造、汽車制造、交通運輸?shù)刃袠I(yè)。