??? 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(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量與運能的矛盾，收到了十分顯著的社會及經(jīng)濟(jì)效益。與此同時，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(shè)備對客車的運行安全進(jìn)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(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輸安全，必須借鑒發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗，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)都是地對車的監(jiān)測，主要是針對貨車而設(shè)，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(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)，對各個部件進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計，分兩級無線網(wǎng)絡(luò)，建成車對車的TPDS同時，進(jìn)行分段分析、管理，對不同等級的故障進(jìn)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(jī)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?，通過中心電腦留下準(zhǔn)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(shè)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(shè)備能及時、準(zhǔn)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(jī)系統(tǒng)、無線通訊和分布式信息處理等技術(shù)設(shè)計的基于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、準(zhǔn)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(shè)備等等）信息傳輸?shù)娇刂浦行?，確?？蛙嚢踩\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(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得到部件的特征量，通過車廂級無線通訊網(wǎng)絡(luò)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(jìn)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(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(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?？蛙嚰壪到y(tǒng)是TCPDS的控制中心，由各個車廂級系統(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，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(jìn)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?。車廂級系統(tǒng)由各個檢測設(shè)備組成，主要包括：轉(zhuǎn)向架檢測設(shè)備、制動檢測設(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)備對部件進(jìn)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(luò)傳到車廂級系統(tǒng)中。而車廂級系統(tǒng)根據(jù)各個檢測設(shè)備的特征量進(jìn)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(luò)將這些信息傳輸?shù)娇蛙嚰壙刂浦行倪M(jìn)行處理。
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3 檢測設(shè)備的無線通訊設(shè)計
??? TCPDS各個部件的檢測設(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(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，幾乎不需要外部組件；可編程的時鐘，供基帶MCU使用；標(biāo)準(zhǔn)的4線SPI(以4MHz或更高頻率運行)；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(guān)閉任何一個或全部外設(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器和寄存器，支持?jǐn)帱c、觀察點、單步及運行和停機(jī)命令。在使用JTAG調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)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(shè)計
??? 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同時提供對收發(fā)電路切換的控制。
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3.4 MC13193無線通訊網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
??? MC13193的幀結(jié)構(gòu)采用符合ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，每幀數(shù)據(jù)的有效載荷數(shù)據(jù)最大是125B，數(shù)據(jù)幀由幀引導(dǎo)字、幀頭、幀長度、有效數(shù)據(jù)與校驗五部分構(gòu)成, 格式如下(數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)都是16進(jìn)制數(shù))：
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??? “幀引導(dǎo)字”占用4B，該數(shù)據(jù)由MC13193發(fā)送端內(nèi)部自己給出，而接收端也不會將該數(shù)據(jù)保存到緩存中，用于兩個同頻率段無線通訊模塊之間的呼叫連接?！皫^”表示數(shù)據(jù)幀開始有效, 它占用1B，接收端將從該字節(jié)進(jìn)行保存?！皫L度”表示數(shù)據(jù)幀中整個數(shù)據(jù)幀的長度，它也占據(jù)1B?！皵?shù)據(jù)信息”表示用戶要通過SPI傳送的命令或有效數(shù)據(jù), 其最長為125B?！靶ｒ灪汀笔菍械娜繑?shù)據(jù)(幀引導(dǎo)字、校驗和字節(jié)除外) 進(jìn)行的校驗, 采用字節(jié)逐位異或的方式實現(xiàn)，“校驗和”也占據(jù)1B。為了便于數(shù)據(jù)的管理，MC13193中有33個可以通過SPI接口訪問到的16位寄存器，其中主要用到的幾個寄存器如下：
??? (1)OOH軟件復(fù)位寄存器，對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(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(jìn)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(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(luò)芯片的檢測設(shè)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(xiàn)
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