??? 摘 要： 利用 ZigBee無線網絡技術" title="無線網絡技術">無線網絡技術組成通訊網的客車安全監測系統" title="安全監測系統">安全監測系統的基本要求、結構和原理。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，設計了系統檢測設備" title="檢測設備">檢測設備的無線通訊子系統，論述了無線通訊網絡節點通訊協議。實驗表明，該系統能實現客車安全監測功能，是非常有效的測試系統。
??? 關鍵詞： 客車安全監測? 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的安全問題不斷，如輪軌剝離、轉向架的斷裂、電氣設備漏電等，這些問題給行車安全帶來很大隱患和經濟損失。
??? 作為鐵路行車安全防范體系的重要環節的車輛安全監測系統TPDS(Truck Performance Detecting System)^[1]是通過連續測試行走車輛的運行狀態來監測客車的運行狀態，從而識別運行狀態不良的車輛。這種利用專用監測設備對客車的運行安全進行監控，是現代化行車安全管理的一個重要措施。國內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已經在鐵路安全監控方面發揮了作用^[1]。我國鐵路安全技術裝備水平與發達國家相比尚有較大差距，設備質量不良問題比較突出。為了保證鐵路行車運輸安全，必須借鑒發達國家的經驗，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[2][3]，但這些TPDS系統都是地對車的監測，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無線網絡技術^[4]的客車安全監測系統TCPDS(Train Coach Safety Detecting System)。該系統以 ZigBee無線網絡技術為通訊基礎，對各個部件進行無線傳感器網絡化設計，分兩級無線網絡，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 客車安全監測系統的基本要求
??? TCPDS是監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到火車控制中心，通過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" title="工作狀態">工作狀態，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測系統的檢測設備能及時、準確、可靠、簡便地將各個部件的工作狀態傳輸上來，而且還要求系統在現有客車的改裝上方便實用。利用傳感器、微機系統、無線通訊和分布式信息處理等技術設計的基于ZigBee無線網絡技術的客車安全監測系統能夠滿足上述要求，可以及時、準確地將客車上各個部件（如列車管、制動缸、轉向架、車體、電氣設備等等）信息傳輸到控制中心，確保客車安全運行。
2 TCPDS原理和結構
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在線檢測其工作狀態，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絡將特征量傳輸到車廂級系統；車廂級系統根據特征量來判斷部件的工作狀態，在進行狀態報警的同時將這些狀態結果利用客車級無線通訊網絡傳輸給客車控制中心；控制中心將各節車廂傳輸來的狀態進行保存、顯示、報警，同時將各個部件狀態分為三等級報警：緊急、異常、正常；管理人員根據這些狀態可以判定客車各個部件的運行狀態及線路情況，如轉向架振動異常、制動異常、絕緣值偏小、電壓不足等。如果出現報警情況，控制中心根據報警情況對客車進行控制，避免客車出現安全事故，保障人民的生命安全和避免國家財產的損失。
2.2 TCPDS結構
??? TCPDS由兩級系統組成：客車級系統和車廂級系統，其結構如圖1所示。客車級系統是TCPDS的控制中心，由各個車廂級系統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有的軸溫檢測系統，將各節車的軸溫數據讀出來進行判斷的。GPS檢測裝置是用來檢測客車速度、位置以及時間的，不需要每節車廂都安裝該裝置。另外，為了數據能及時傳輸到地面還可以在客車級系統上安裝GPRS裝置，實時將客車的狀態傳輸到地面控制中心。車廂級系統由各個檢測設備組成，主要包括：轉向架檢測設備、制動檢測設備、電源檢測設備、舒適度和平穩性檢測設備、絕緣檢測設備等。這些檢測設備對部件進行實時采集、分析，將其狀態特征提取出來，通過無線網絡傳到車廂級系統中。而車廂級系統根據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結果，并初步將結果分為三個等級：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絡將這些信息傳輸到客車級控制中心進行處理。

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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轉換芯片、數據存儲器、C8051F206微控制器^[6]、MC13193無線通訊芯片^[7]以及一些外圍電路組成。無線通訊網絡是TCPDS的傳輸生命線，其狀態的好壞將直接影響到TCPDS的性能和穩定性，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，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構，其執行速度有很大提高。

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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，數據傳輸速率為250kbps，采用O—QPSK調試方式。這種功能豐富的雙向2．4GHz收發器帶有一個數據調制解調器，可以在ZigBee技術應用中使用，它還具有一個優化的數字核心，有助于降低MCU處理功率，縮短執行周期。內部集成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。芯片集成的連接質量和電源檢測功能可以為組網和維護提供必要的數據。除此之外，芯片還具有以下的特性：全頻譜編碼和譯碼；經濟高效的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，接收狀態耗電37mA，發射狀態耗電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級MCU芯片，有真正的12位多通道ADC，與8051兼容的微控制器內核和8KB的FLASH存儲器，還有硬件實現的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，片內還集成了VDD監視器、WDT和時鐘振蕩器，片內FLASH存儲器還具有在系統重新編程能力，并可用于非易失性數據存儲，如系統的各個參數等。可以關閉任何一個或全部外設以節省功耗。除了具有256B的RAM，還另有1024B的RAM。片內JTAG調試支持功能允許使用安裝在最終應用系統上的產品MCU進行非侵入式（不占用片內資源）、全速、在系統調試，調試系統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調試時，所有的模擬和數字外設都可全功能運行。其可在工業溫度范圍（-45℃～+85℃）內用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網絡終端設備典型應用電路。要發送的信號從MCU通過SPI口傳送到MC13193中，經過擴頻O—QPSK調制成載波后，通過發送電路從天線發射出去。從天線來的射頻信號經過接收電路傳送到MC13193中，經過解調、解擴得到原始的數據，再通過SPI接口傳送到MCU，MCU同時提供對收發電路切換的控制。

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??? (1)OOH軟件復位寄存器，對該寄存器任意寫入數據，就可使MC13192復位。
??? (2)01H、02H分別是MC13192的接收緩存區和發送緩沖區，對這兩個寄存器訪問要通過循環讀和循環寫的方式。
??? (3)03H tx_ram2_seleCt決定哪個發送緩沖區被選中，tx_pkt_length決定發送數據包的長度。
??? (4)06H tx_send_mask決定當包模式下數據包發送完成后是否觸發中斷，rx_rcvd_mask決定當包模式下接收到數據包后是否觸發中斷，Xcvr_seq決定MC13193的工作狀態。
??? (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據。
??? (9)2DH rx_pkt_latch表示收到數據的長度，根據它可以知道循環讀所需的次數。
??? 本文提出的基于ZigBee 無線網絡技術的客車安全監測系統已經進行過多次實驗，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無線網絡芯片的檢測設備實現對客車在線監測，特別是對現有客車的改造不需要大量改動車上的結構，因此該系統十分適合客車在線安全監測。
參考文獻
[1] 劉瑞揚.鐵路貨車運行狀態地面安全監測系統(TPDS)原理及應用.北京：中國鐵道出版社，2005.
[2] 劉瑞揚.車輛運行狀態地面安全監測系統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.無線傳感器網絡節點的系統設計.電子測量與儀器學報，2006，12.
[6] 潘琢.C8051F206混合信號ISPFLASH微控制器數據手冊.2005.
[7] MC13192/MC13193 Reference Manual.2005，2.
[8] 孫樹印.無線傳感器及控制網絡：展現新商機.武漢力源信息技術有限公司，2005，11.