MEMS 센서를 이용한 무선 TPMS 알고리즘 및 인터페이스 연구 = (A) study of algorithm and interface for wireless TPMS using MEMS sensors

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recent advanced in electronics and control technologies stimulates the activities in the development of safety control system for vehicles and user’s interests in the maneuverability and stability has been considerably increasing more and more. As known as well, technologies for guaranteeing driver’s safety and convenience are vehicular radar, TPMS, remote starter, geographic information system, etc. Among them, tires as the most important part of a vehicle that contact the surface of a road are considered as essential to provide a good safety to drivers. Even though to keep the proper pressure of a tire is necessary for every driver, there are lots of cases making a trouble on a car by ignoring the importance of maintaining the best condition of the tire pressure of a tire.
For handing with the problem, many of recent studies on TPMS are mainly focused on enhancing the reliability of decision on the low pressure of a tire, increasing the efficiency of data transmission between a sensor inside a TPMS module and the receiver in a car and maximizing the life time of a battery providing power for a TPMS.
In this thesis, it proposes a method of two-way wireless communication for TPMS to both satisfy European and domestic test specifications and to resolve problems caused by using one-way TPMS communication so that it can extend the life time of battery, increase the efficiency of MEMS-based pressure sensor and its operation algorithm, and enhance the data reliability. In addition, it presents performance criteria that helps make a decision how noise factors affect on the performance of hardware and software of TPMS. Main research contributions are as belows.

◯ Analysis of tire pressure factor based on MEMS sensor
By using MEMS sensor, it is possible to minimize the power consumption of TPMS so that we can implement a low cost, low power, small size and highly integrated MEMS sensors. This thesis propose a method for manufacturing pressure and temperature sensors of TPMS using MEMS technology.

◯ low-power wireless communication for TPMS
To minimize the power consumption in the receivers and transmitters of a TPMS, it designs a data format and two-way wireless communication method that sends a data from a sensor to the signal processor only when the data is demanded instead of sending data periodically.

◯ Extended TPMS receiver interface
By adopting CAN, SAW filter on the IC of a RF receiver and antenna and high resolution TFT LCD digital cluster, this thesis proposes SPI(Serial Peripheral Interface Bus) that can choose a dedicated slave corresponding to the request from the master with a way allowing interactions between on master and many slaves.

◯ Measurement and analysis of data reliability based on SNIR
Low efficiency of data transfer and difficulty in making a decision on data reliability are the inherent problem of one-way TPMS communication. This thesis gives a way to increase data reliability by measuring valid signals based on the SNIR of the signal sent by a sender.

◯ Affection of TPMS noise factors
Performance criteria that measures the affection of noise factors on TPMS hardware and software is proposed.

In this thesis, it performs experiments to get test data for performance comparison by measuring the variance of tire air pressure with leaving alone test, turning on a dim test with different road conditions on the TPMS tire equipped with Freescale MPXY product and Micropchip development module.
Furthermore, it takes tests for an uninstalled tire to measure changes in air pressure and temperature of the tire according to changes in both outside temperature and loading weights.
And besides, measurements on tire air pressure and temperature are carried out to observe changes in them according to changes in vehicle speed with periodical tests, and it evaluates how the adopted RF communication technique affects on data reliability by analyzing the incoming data to a hyperterminal sent by TPMS sensors.
Finally, the simulation results compared to the field test data with detailed analysis show that the proposed scheme can reduce the energy consumption and enhance the data reliability in direct TPMS using two-way wireless communication technique.
It has been enforced to install TPMS in a vehicle by law in USA and many countries including South Korea are proceeding to legislate to protect drivers with TPMS. This may result in rapid increment of TPMS needs in near future. In spite of tremendous efforts in developing advanced TPMS, there still are many research challenges for solving hard problems including low power and high performance TPMS mainly focused on MEMS sensors and two-way wireless communication technologies that can realize low-powered real-time data transfer and high data reliability.

국문 초록 (Abstract)

최근 전자 및 제어분야의 발전에 힘입어 차량에 대한 안전제어 시스템 의 개발이 활발히 진행되고 있으며, 차량의 조종성 및 안정성에 대한 사용자의 관심 또한 점차 높아지고 있다. 차량 운전자의 안전을 보장하고 운전의 편의를 돕기 위한 기술로는 차량용 레이더, 타이어 공기압 감지 장치, 원격시동 장치, 지리정보시스템 등이 있다. 그 중 타이어는 차량의 수많은 부품들 중 도로와 직접 접촉하는 부품으로 타이어의 상태는 운전자의 안전에 매우 중요하다. 타이어 공기압은 운전자에게 필수 사항이지만 최적의 공기압에서 주행하지 않는 차량이 많으며 고장의 원인이 되기도 한다. 이에 따라 타이어 저압 판단의 신뢰도과 전송효율성을 향상시키고 배터리 수명을 연장하기 위해 타이어 공기압 모니터링 시스템(TPMS)에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다.
본 논문에서는 유럽 및 국내 TPMS 성능규격을 만족하며, 단방향 무선통신에서 발생하는 문제점들을 해결하여 배터리 수명의 연장, MEMS 기반 압력 센서의 기능 및 수행 알고리즘 효율성 증가, 데이터 신뢰성 의 향상이 가능한 양방향 TPMS 무선통신 기법을 제시하였다. 또한, 제안된 기법을 실제 TPMS에 적용할 경우 잡음요소(Noise Factor)가 TPMS 소프트웨어 및 하드웨어에 미치는 영향력을 판단할 수 있는 기준을 제시하였다. 본 논문의 주요 연구 내용은 다음과 같다.

◯ MEMS 센서를 이용한 타이어 압력인자 분석
TPMS가 동작할 때 소요되는 소비전력을 최소화하기 위해 MEMS(초정밀 전자기계 시스템) 기술을 적용한 센서를 사용하면 저가격, 저전력, 소형화, 고성능, 고집적 효과를 얻을 수 있다. 본 논문에서는 TPMS에 사용되는 압력 및 온도센서를 MEMS 기술로 제작하는 방법을 제안하였다.

◯ 저전력 TPMS 무선통신 기법
데이터 송수신을 위한 전력 소모를 최소화하기 위해 본 논문에서는 센서부에서 신호처리부로 주기적으로 데이터를 전송하는 단방향 통신 기법 대신에 필요할 때만 데이터를 송신할 수 있는 양방향 무선통신기법과 이에 필요한 데이터 구조를 설계하였다.

◯ 확장형 TPMS 수신 인터페이스
CAN 통신, RF 수신기 IC 칩 및 안테나 단에서의 SAW Filter, 고해상도 TFT LCD로 구축된 TPMS를 설계하여 하나의 Master에 여러 개의 Slave가 상호작용함으로써 요구에 따라 해당 Slave를 선정하는 방식으로 통신하는 SPI(Serial Peripheral Interface bus)통신 방식을 제안하였다.

◯ SNIR 기반 데이터 신뢰도 측정 및 분석
단방향 통신의 경우 데이터 전송 효율성이 낮고 데이터 신뢰성 판정이 쉽지 않은 문제점이 있다. 이와 같은 문제점 해결을 위해 수신 신호의 SINR을 이용하여 유효신호를 정확히 측정하여 데이터 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 하였다.

◯ TPMS의 잡음 요소(Noise Factor)에 관한 연구
본 논문에서는 TPMS의 소프트웨어 및 하드웨어에 Noise Factor가 얼마나 많은 영향을 미칠지 판단할 수 있는 기준을 제시하였다.

본 논문에서는 성능 비교를 위한 테스트 데이터를 획득하기 위하여 Freescale사의 MPXY제품과 Microchip사의 개발 모듈을 실제로 타이어 안에 장착하여 자연 방치 실험 및 급회전 시험, 도로 환경에 따른 타이어의 압력 변화를 측정하였다. 또한 미장착 타이어에 대해 외부 온도에 따른 타이어 내부 공기압 및 온도 변화의 실험과 외부 하중 변화에 따른 타이어 내부 공기압 변화를 측정하는 실험을 수행하였다. 그 외에도 차량속도에 따른 타이어 내부 공기압 및 온도 변화를 관찰하기 위해 일정한 주기마다 타이어의 압력 및 온도를 측정하였고 RF통신을 통해 송신한 Data값을 하이퍼터미널을 이용하여 들어오는 Data bit로 확인하여 RF통신의 영향도를 측정하였다.
마지막으로 실제 환경에서 수집한 데이터와 본 논문에서 수행한 시뮬레이션 결과와의 비교 및 분석을 통하여 제안된 기법을 사용하면 데이터의 신뢰성을 향상시키고 양방향 무선 통신에 따른 전력소모를 절감할 수 있음을 증명하였다.
TPMS는 미국에서 이미 의무화를 시작한 상태이고, 국내를 포함하여 여러 국가에서 장착 의무화를 진행 중에 있으며, 가까운 장래에 이러한 의무화에 따른 TPMS 사용이 크게 증가할 것으로 예측되고 있다. 그러나 그 동안의 노력에도 불구하고 저전력, 고성능의 고급 TPMS를 개발하기 위해서는 향후에도 많은 연구가 필요하며, 이러한 연구는 저전력 실시간 데이터 전송과 데이터 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있는 MEMS 센서와 양방향 무선 통신 기술에 집중될 것이다.