??? 摘 要： 利用 ZigBee無線網(wǎng)絡技術" title="無線網(wǎng)絡技術">無線網(wǎng)絡技術組成通訊網(wǎng)的客車安全監(jiān)測系統(tǒng)" title="安全監(jiān)測系統(tǒng)">安全監(jiān)測系統(tǒng)的基本要求、結(jié)構(gòu)和原理,。以CIP-51微控制器" title="微控制器">微控制器C8051F206和ZigBee 技術的MC13193無線通訊芯片為基礎,，設計了系統(tǒng)檢測設備" title="檢測設備">檢測設備的無線通訊子系統(tǒng),，論述了無線通訊網(wǎng)絡節(jié)點通訊協(xié)議,。實驗表明，該系統(tǒng)能實現(xiàn)客車安全監(jiān)測功能,，是非常有效的測試系統(tǒng),。
??? 關鍵詞： 客車安全監(jiān)測? 無線通訊? ZigBee? MC13193? C8051F206單片機

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??? 自1997年以來，我國鐵路進行了多次大規(guī)模提速,，有效地緩解了鐵路運量與運能的矛盾,，收到了十分顯著的社會及經(jīng)濟效益。與此同時,，鐵路交通安全形勢并不樂觀,。近幾年提速機車車輛出現(xiàn)的安全問題不斷，如輪軌剝離,、轉(zhuǎn)向架的斷裂,、電氣設備漏電等，這些問題給行車安全帶來很大隱患和經(jīng)濟損失,。
??? 作為鐵路行車安全防范體系的重要環(huán)節(jié)的車輛安全監(jiān)測系統(tǒng)TPDS(Truck Performance Detecting System)^[1]是通過連續(xù)測試行走車輛的運行狀態(tài)來監(jiān)測客車的運行狀態(tài),，從而識別運行狀態(tài)不良的車輛。這種利用專用監(jiān)測設備對客車的運行安全進行監(jiān)控,，是現(xiàn)代化行車安全管理的一個重要措施。國內(nèi)外鐵路管理部門都投入了大量的人力和物力進行相關設備的研究,。如美國TTCI公司在上世紀90年代研制的TPDS已經(jīng)在鐵路安全監(jiān)控方面發(fā)揮了作用^[1],。我國鐵路安全技術裝備水平與發(fā)達國家相比尚有較大差距，設備質(zhì)量不良問題比較突出,。為了保證鐵路行車運輸安全,，必須借鑒發(fā)達國家的經(jīng)驗,，采用先進技術和設備來保障鐵路行車安全。雖然鐵道科學研究院于2001年研制了基于整體道床的TPDS以及2003年9月完成了京滬線全線8套TPDS系統(tǒng)[2][3],，但這些TPDS系統(tǒng)都是地對車的監(jiān)測,，主要是針對貨車而設，而針對高速客車的車對車,、車對地的TPDS系統(tǒng)卻很少,，甚至沒有，因此本文提出了車對車,、車對地的基于ZigBee無線網(wǎng)絡技術^[4]的客車安全監(jiān)測系統(tǒng)TCPDS(Train Coach Safety Detecting System),。該系統(tǒng)以 ZigBee無線網(wǎng)絡技術為通訊基礎，對各個部件進行無線傳感器網(wǎng)絡化設計,，分兩級無線網(wǎng)絡,，建成車對車的TPDS同時，進行分段分析,、管理,，對不同等級的故障進行分級報警。
1 客車安全監(jiān)測系統(tǒng)的基本要求
??? TCPDS是監(jiān)控客車各個部件的重要手段,，是火車司機控制火車安全運行的重要工具之一,。它將客車各個部件工作情況傳輸?shù)交疖嚳刂浦行模ㄟ^中心電腦留下準確完整的記錄并得知客車各個部件的工作狀態(tài)" title="工作狀態(tài)">工作狀態(tài),，是提高客車安全運行必備設備之一,。特別是針對我國的提速客車，不僅要求客車安全監(jiān)測系統(tǒng)的檢測設備能及時,、準確,、可靠、簡便地將各個部件的工作狀態(tài)傳輸上來,，而且還要求系統(tǒng)在現(xiàn)有客車的改裝上方便實用,。利用傳感器、微機系統(tǒng),、無線通訊和分布式信息處理等技術設計的基于ZigBee無線網(wǎng)絡技術的客車安全監(jiān)測系統(tǒng)能夠滿足上述要求,，可以及時、準確地將客車上各個部件（如列車管,、制動缸,、轉(zhuǎn)向架、車體,、電氣設備等等）信息傳輸?shù)娇刂浦行?，確保客車安全運行,。
2 TCPDS原理和結(jié)構(gòu)
2.1 TCPDS原理
??? TCPDS原理是利用安裝在客車上各個部件的測試設備系統(tǒng)在線檢測其工作狀態(tài),，檢測設備通過采集,、分析部件的原始信號得到部件的特征量，通過車廂級無線通訊網(wǎng)絡將特征量傳輸?shù)杰噹壪到y(tǒng),；車廂級系統(tǒng)根據(jù)特征量來判斷部件的工作狀態(tài),，在進行狀態(tài)報警的同時將這些狀態(tài)結(jié)果利用客車級無線通訊網(wǎng)絡傳輸給客車控制中心；控制中心將各節(jié)車廂傳輸來的狀態(tài)進行保存,、顯示,、報警，同時將各個部件狀態(tài)分為三等級報警：緊急,、異常,、正常；管理人員根據(jù)這些狀態(tài)可以判定客車各個部件的運行狀態(tài)及線路情況,，如轉(zhuǎn)向架振動異常,、制動異常、絕緣值偏小,、電壓不足等,。如果出現(xiàn)報警情況，控制中心根據(jù)報警情況對客車進行控制,，避免客車出現(xiàn)安全事故,，保障人民的生命安全和避免國家財產(chǎn)的損失。
2.2 TCPDS結(jié)構(gòu)
??? TCPDS由兩級系統(tǒng)組成：客車級系統(tǒng)和車廂級系統(tǒng),，其結(jié)構(gòu)如圖1所示,。客車級系統(tǒng)是TCPDS的控制中心,，由各個車廂級系統(tǒng)和一些檢測設備組成,。這些檢測設備在每列車上只需要一臺，而不是每節(jié)車廂都需要,，如軸溫檢測裝置,、GPS檢測裝置、GPRS檢測裝置,。軸溫檢測裝置是利用車上現(xiàn)有的軸溫檢測系統(tǒng),，將各節(jié)車的軸溫數(shù)據(jù)讀出來進行判斷的。GPS檢測裝置是用來檢測客車速度,、位置以及時間的,，不需要每節(jié)車廂都安裝該裝置。另外,，為了數(shù)據(jù)能及時傳輸?shù)降孛孢€可以在客車級系統(tǒng)上安裝GPRS裝置,，實時將客車的狀態(tài)傳輸?shù)降孛婵刂浦行摹＼噹壪到y(tǒng)由各個檢測設備組成，主要包括：轉(zhuǎn)向架檢測設備,、制動檢測設備、電源檢測設備,、舒適度和平穩(wěn)性檢測設備,、絕緣檢測設備等。這些檢測設備對部件進行實時采集,、分析,，將其狀態(tài)特征提取出來，通過無線網(wǎng)絡傳到車廂級系統(tǒng)中,。而車廂級系統(tǒng)根據(jù)各個檢測設備的特征量進行基本的判斷,，得到各個部件的狀態(tài)結(jié)果，并初步將結(jié)果分為三個等級：緊急,、異常,、正常，分別給以不同的提示信息,，同時通過客車級無線通訊網(wǎng)絡將這些信息傳輸?shù)娇蛙嚰壙刂浦行倪M行處理,。

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3 檢測設備的無線通訊設計
??? TCPDS各個部件的檢測設備主要由傳感器、A/D轉(zhuǎn)換芯片,、數(shù)據(jù)存儲器,、C8051F206微控制器^[6]、MC13193無線通訊芯片^[7]以及一些外圍電路組成,。無線通訊網(wǎng)絡是TCPDS的傳輸生命線,，其狀態(tài)的好壞將直接影響到TCPDS的性能和穩(wěn)定性，因此無線檢測設備的設計非常重要,。首先是無線通訊的選擇,，從表1^[8]中能看到各種無線通訊的技術參數(shù)，因此從功率,、距離,、速率上，利用Zigbee技術是非常實用的,，它能滿足檢測設備功率和距離要求,，速率上也基本滿足，所以采用Zigbee技術的MC13193擔當無線通訊重任,。而MCU則選擇與之共電電壓相同的,、擴展的微控制器C8051F206，它采用流水線指令結(jié)構(gòu),，其執(zhí)行速度有很大提高,。

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3.1 MC13193無線通訊芯片
??? MC13193符合IEEE 802.15.4標準，它選擇的工作頻率是2.405GHz～2.480GHz,，數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps,，采用O—QPSK調(diào)試方式,。這種功能豐富的雙向2．4GHz收發(fā)器帶有一個數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器，可以在ZigBee技術應用中使用,，它還具有一個優(yōu)化的數(shù)字核心,，有助于降低MCU處理功率，縮短執(zhí)行周期,。內(nèi)部集成4個定時比較器,，使其可以和性能較低、價格低廉的MCU配合使用以降低成本,，廣泛的中斷維修服務使得MCU編程更為容易,；芯片和MCU之間使用串行外圍接口，使得在MCU選擇上具有更大的余地,。芯片集成的連接質(zhì)量和電源檢測功能可以為組網(wǎng)和維護提供必要的數(shù)據(jù),。除此之外，芯片還具有以下的特性：全頻譜編碼和譯碼,；經(jīng)濟高效的CMOS設計,，幾乎不需要外部組件；可編程的時鐘,，供基帶MCU使用,；標準的4線SPI(以4MHz或更高頻率運行)；擴展的范圍性能(使用外部低噪音放大器功率放大器),；可編程的輸出功率,，通常為OdB；超低功率模式,；7條GPIO線路,；芯片采用2．7V供電，接收狀態(tài)耗電37mA,，發(fā)射狀態(tài)耗電30mA,，功耗很低；QFN 32封裝,，尺寸為5mm×5mm,。
3.2 C8051F206微控制器
??? C8051F206是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，有真正的12位多通道ADC,，與8051兼容的微控制器內(nèi)核和8KB的FLASH存儲器,，還有硬件實現(xiàn)的UART和SPI串行接口。該器件具有32個通用I/O引腳,。任何一個端口引腳都可以被配置為ADC的模擬輸入,，片內(nèi)還集成了VDD監(jiān)視器、WDT和時鐘振蕩器，片內(nèi)FLASH存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力,，并可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲,，如系統(tǒng)的各個參數(shù)等?？梢躁P閉任何一個或全部外設以節(jié)省功耗,。除了具有256B的RAM，還另有1024B的RAM,。片內(nèi)JTAG調(diào)試支持功能允許使用安裝在最終應用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速,、在系統(tǒng)調(diào)試,，調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點,、觀察點,、單步及運行和停機命令。在使用JTAG調(diào)試時,，所有的模擬和數(shù)字外設都可全功能運行,。其可在工業(yè)溫度范圍（-45℃～+85℃）內(nèi)用2.7V～3.6V的電壓工作，端口I/O容許5V的輸入信號電壓,，非常方便與其他芯片的接口,。
3.3 無線通訊電路設計
??? 圖2是MC13193應用于ZigBee網(wǎng)絡終端設備典型應用電路。要發(fā)送的信號從MCU通過SPI口傳送到MC13193中,，經(jīng)過擴頻O—QPSK調(diào)制成載波后,，通過發(fā)送電路從天線發(fā)射出去。從天線來的射頻信號經(jīng)過接收電路傳送到MC13193中,，經(jīng)過解調(diào),、解擴得到原始的數(shù)據(jù)，再通過SPI接口傳送到MCU,，MCU同時提供對收發(fā)電路切換的控制,。

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??? (1)OOH軟件復位寄存器,，對該寄存器任意寫入數(shù)據(jù),，就可使MC13192復位。
??? (2)01H,、02H分別是MC13192的接收緩存區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū),，對這兩個寄存器訪問要通過循環(huán)讀和循環(huán)寫的方式。
??? (3)03H tx_ram2_seleCt決定哪個發(fā)送緩沖區(qū)被選中,，tx_pkt_length決定發(fā)送數(shù)據(jù)包的長度,。
??? (4)06H tx_send_mask決定當包模式下數(shù)據(jù)包發(fā)送完成后是否觸發(fā)中斷，rx_rcvd_mask決定當包模式下接收到數(shù)據(jù)包后是否觸發(fā)中斷,，Xcvr_seq決定MC13193的工作狀態(tài),。
??? (5)09H clko_en決定MC13193是否可以提供時鐘輸出。
??? (6)0AH clko_rate決定MC13193提供時鐘輸出的頻率,。
??? (7)0FH,，10H lol_idiv和lol_num的組合決定MC13193進行無線通訊時所用的頻道。
??? (8)24H中斷狀態(tài)寄存器,，只讀,，可通過rx_rcvd_irq和crc_valid判斷是否接收到正確的數(shù)據(jù)。
??? (9)2DH rx_pkt_latch表示收到數(shù)據(jù)的長度,，根據(jù)它可以知道循環(huán)讀所需的次數(shù),。
??? 本文提出的基于ZigBee 無線網(wǎng)絡技術的客車安全監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)進行過多次實驗，成功檢測出客車油壓減振器引起的振動異常(原因是其缺油),、48V絕緣值偏低,、客車提前緩解(原因是F8閥漏氣)等問題。利用MC13193無線網(wǎng)絡芯片的檢測設備實現(xiàn)對客車在線監(jiān)測,，特別是對現(xiàn)有客車的改造不需要大量改動車上的結(jié)構(gòu),，因此該系統(tǒng)十分適合客車在線安全監(jiān)測,。
參考文獻
[1] 劉瑞揚.鐵路貨車運行狀態(tài)地面安全監(jiān)測系統(tǒng)(TPDS)原理及應用.北京：中國鐵道出版社，2005.
[2] 劉瑞揚.車輛運行狀態(tài)地面安全監(jiān)測系統(tǒng)在京滬線的應用及展望.中國鐵路,，2004,，5.
[3] 劉瑞揚.關于六大干線提速安全標準線地對車安全監(jiān)控體系建設的思考.中國鐵路，2004,，10.
[4] 顧瑞紅,，張宏科.基于ZigBee的無線網(wǎng)絡技術及其應用.電子技術應用，2005,，6.
[5] 任繪錦,，戴曉華.無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的系統(tǒng)設計.電子測量與儀器學報，2006,，12.
[6] 潘琢.C8051F206混合信號ISPFLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊.2005.
[7] MC13192/MC13193 Reference Manual.2005,，2.
[8] 孫樹印.無線傳感器及控制網(wǎng)絡：展現(xiàn)新商機.武漢力源信息技術有限公司，2005,，11.