??? 摘 要： 利用 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)" title="無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)">無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(shù)的MC13193無線通訊芯片為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)檢測設(shè)備" title="檢測設(shè)備">檢測設(shè)備的無線通訊子系統(tǒng)，論述了無線通訊網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通訊協(xié)議。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)客車安全監(jiān)測功能，是非常有效的測試系統(tǒng)。
??? 關(guān)鍵詞： 客車安全監(jiān)測? 無線通訊? ZigBee? MC13193? C8051F206單片機(jī)

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??? 自1997年以來，我國鐵路進(jìn)行了多次大規(guī)模提速，有效地緩解了鐵路運(yùn)量與運(yùn)能的矛盾，收到了十分顯著的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。與此同時(shí)，鐵路交通安全形勢并不樂觀。近幾年提速機(jī)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(shè)備漏電等，這些問題給行車安全帶來很大隱患和經(jīng)濟(jì)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(yùn)行狀態(tài)來監(jiān)測客車的運(yùn)行狀態(tài)，從而識(shí)別運(yùn)行狀態(tài)不良的車輛。這種利用專用監(jiān)測設(shè)備對(duì)客車的運(yùn)行安全進(jìn)行監(jiān)控，是現(xiàn)代化行車安全管理的一個(gè)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(jìn)行相關(guān)設(shè)備的研究。如美國TTCI公司在上世紀(jì)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(shù)裝備水平與發(fā)達(dá)國家相比尚有較大差距，設(shè)備質(zhì)量不良問題比較突出。為了保證鐵路行車運(yùn)輸安全，必須借鑒發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗(yàn)，采用先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備來保障鐵路行車安全。雖然鐵道科學(xué)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(duì)車的監(jiān)測，主要是針對(duì)貨車而設(shè)，而針對(duì)高速客車的車對(duì)車、車對(duì)地的TPDS系統(tǒng)卻很少，甚至沒有，因此本文提出了車對(duì)車、車對(duì)地的基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)^[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(luò)技術(shù)為通訊基礎(chǔ)，對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)，分兩級(jí)無線網(wǎng)絡(luò)，建成車對(duì)車的TPDS同時(shí)，進(jìn)行分段分析、管理，對(duì)不同等級(jí)的故障進(jìn)行分級(jí)報(bào)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(gè)部件的重要手段，是火車司機(jī)控制火車安全運(yùn)行的重要工具之一。它將客車各個(gè)部件工作情況傳輸?shù)交疖嚳刂浦行?，通過中心電腦留下準(zhǔn)確完整的記錄并得知客車各個(gè)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(yùn)行必備設(shè)備之一。特別是針對(duì)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(shè)備能及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠、簡便地將各個(gè)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(shí)用。利用傳感器、微機(jī)系統(tǒng)、無線通訊和分布式信息處理等技術(shù)設(shè)計(jì)的基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的客車安全監(jiān)測系統(tǒng)能夠滿足上述要求，可以及時(shí)、準(zhǔn)確地將客車上各個(gè)部件（如列車管、制動(dòng)缸、轉(zhuǎn)向架、車體、電氣設(shè)備等等）信息傳輸?shù)娇刂浦行?，確?？蛙嚢踩\(yùn)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(gè)部件的測試設(shè)備系統(tǒng)在線檢測其工作狀態(tài)，檢測設(shè)備通過采集、分析部件的原始信號(hào)得到部件的特征量，通過車廂級(jí)無線通訊網(wǎng)絡(luò)將特征量傳輸?shù)杰噹?jí)系統(tǒng)；車廂級(jí)系統(tǒng)根據(jù)特征量來判斷部件的工作狀態(tài)，在進(jìn)行狀態(tài)報(bào)警的同時(shí)將這些狀態(tài)結(jié)果利用客車級(jí)無線通訊網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行保存、顯示、報(bào)警，同時(shí)將各個(gè)部件狀態(tài)分為三等級(jí)報(bào)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(gè)部件的運(yùn)行狀態(tài)及線路情況，如轉(zhuǎn)向架振動(dòng)異常、制動(dòng)異常、絕緣值偏小、電壓不足等。如果出現(xiàn)報(bào)警情況，控制中心根據(jù)報(bào)警情況對(duì)客車進(jìn)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(cái)產(chǎn)的損失。
2.2 TCPDS結(jié)構(gòu)
??? TCPDS由兩級(jí)系統(tǒng)組成：客車級(jí)系統(tǒng)和車廂級(jí)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。客車級(jí)系統(tǒng)是TCPDS的控制中心，由各個(gè)車廂級(jí)系統(tǒng)和一些檢測設(shè)備組成。這些檢測設(shè)備在每列車上只需要一臺(tái)，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?cái)?shù)據(jù)讀出來進(jìn)行判斷的。GPS檢測裝置是用來檢測客車速度、位置以及時(shí)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(shí)傳輸?shù)降孛孢€可以在客車級(jí)系統(tǒng)上安裝GPRS裝置，實(shí)時(shí)將客車的狀態(tài)傳輸?shù)降孛婵刂浦行?。車廂?jí)系統(tǒng)由各個(gè)檢測設(shè)備組成，主要包括：轉(zhuǎn)向架檢測設(shè)備、制動(dòng)檢測設(shè)備、電源檢測設(shè)備、舒適度和平穩(wěn)性檢測設(shè)備、絕緣檢測設(shè)備等。這些檢測設(shè)備對(duì)部件進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、分析，將其狀態(tài)特征提取出來，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳到車廂級(jí)系統(tǒng)中。而車廂級(jí)系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)檢測設(shè)備的特征量進(jìn)行基本的判斷，得到各個(gè)部件的狀態(tài)結(jié)果，并初步將結(jié)果分為三個(gè)等級(jí)：緊急、異常、正常，分別給以不同的提示信息，同時(shí)通過客車級(jí)無線通訊網(wǎng)絡(luò)將這些信息傳輸?shù)娇蛙嚰?jí)控制中心進(jìn)行處理。

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3 檢測設(shè)備的無線通訊設(shè)計(jì)
??? TCPDS各個(gè)部件的檢測設(shè)備主要由傳感器、A/D轉(zhuǎn)換芯片、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(luò)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(shè)備的設(shè)計(jì)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(shù)參數(shù)，因此從功率、距離、速率上，利用Zigbee技術(shù)是非常實(shí)用的，它能滿足檢測設(shè)備功率和距離要求，速率上也基本滿足，所以采用Zigbee技術(shù)的MC13193擔(dān)當(dāng)無線通訊重任。而MCU則選擇與之共電電壓相同的、擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)，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(gè)數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器，可以在ZigBee技術(shù)應(yīng)用中使用，它還具有一個(gè)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(gè)定時(shí)比較器，使其可以和性能較低、價(jià)格低廉的MCU配合使用以降低成本，廣泛的中斷維修服務(wù)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(hù)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(jì)高效的CMOS設(shè)計(jì)，幾乎不需要外部組件；可編程的時(shí)鐘，供基帶MCU使用；標(biāo)準(zhǔn)的4線SPI(以4MHz或更高頻率運(yùn)行)；擴(kuò)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(hào)系統(tǒng)級(jí)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(chǔ)器，還有硬件實(shí)現(xiàn)的UART和SPI串行接口。該器件具有32個(gè)通用I/O引腳。任何一個(gè)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(shí)鐘振蕩器，片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)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(chǔ)，如系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)等。可以關(guān)閉任何一個(gè)或全部外設(shè)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(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)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(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、單步及運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用JTAG調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)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(hào)電壓，非常方便與其他芯片的接口。
3.3 無線通訊電路設(shè)計(jì)
??? 圖2是MC13193應(yīng)用于ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備典型應(yīng)用電路。要發(fā)送的信號(hào)從MCU通過SPI口傳送到MC13193中，經(jīng)過擴(kuò)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(hào)經(jīng)過接收電路傳送到MC13193中，經(jīng)過解調(diào)、解擴(kuò)得到原始的數(shù)據(jù)，再通過SPI接口傳送到MCU，MCU同時(shí)提供對(duì)收發(fā)電路切換的控制。

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??? (1)OOH軟件復(fù)位寄存器，對(duì)該寄存器任意寫入數(shù)據(jù)，就可使MC13192復(fù)位。
??? (2)01H、02H分別是MC13192的接收緩存區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)，對(duì)這兩個(gè)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(gè)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(dāng)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(dāng)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(shí)鐘輸出。
??? (6)0AH clko_rate決定MC13193提供時(shí)鐘輸出的頻率。
??? (7)0FH，10H lol_idiv和lol_num的組合決定MC13193進(jìn)行無線通訊時(shí)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(luò)技術(shù)的客車安全監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行過多次實(shí)驗(yàn)，成功檢測出客車油壓減振器引起的振動(dòng)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(luò)芯片的檢測設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)客車在線監(jiān)測，特別是對(duì)現(xiàn)有客車的改造不需要大量改動(dòng)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。
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