摘 要： 利用 ZigBee无线网络技术" title="无线网络技术">无线网络技术组成通讯网的客车安全监测系统" title="安全监测系统">安全监测系统的基本要求、结构和原理。以CIP-51微控制器" title="微控制器">微控制器C8051F206和ZigBee 技术的MC13193无线通讯芯片为基础，设计了系统检测设备" title="检测设备">检测设备的无线通讯子系统，论述了无线通讯网络节点通讯协议。实验表明，该系统能实现客车安全监测功能，是非常有效的测试系统。
    关键词： 客车安全监测  无线通讯  ZigBee  MC13193  C8051F206单片机

    自1997年以来，我国铁路进行了多次大规模提速，有效地缓解了铁路运量与运能的矛盾，收到了十分显著的社会及经济效益。与此同时，铁路交通安全形势并不乐观。近几年提速机车车辆出现的安全问题不断，如轮轨剥离、转向架的断裂、电气设备漏电等，这些问题给行车安全带来很大隐患和经济损失。
    作为铁路行车安全防范体系的重要环节的车辆安全监测系统TPDS(Truck Performance Detecting System)^[1]是通过连续测试行走车辆的运行状态来监测客车的运行状态，从而识别运行状态不良的车辆。这种利用专用监测设备对客车的运行安全进行监控，是现代化行车安全管理的一个重要措施。国内外铁路管理部门都投入了大量的人力和物力进行相关设备的研究。如美国TTCI公司在上世纪90年代研制的TPDS已经在铁路安全监控方面发挥了作用^[1]。我国铁路安全技术装备水平与发达国家相比尚有较大差距，设备质量不良问题比较突出。为了保证铁路行车运输安全，必须借鉴发达国家的经验，采用先进技术和设备来保障铁路行车安全。虽然铁道科学研究院于2001年研制了基于整体道床的TPDS以及2003年9月完成了京沪线全线8套TPDS系统[2][3]，但这些TPDS系统都是地对车的监测，主要是针对货车而设，而针对高速客车的车对车、车对地的TPDS系统却很少，甚至没有，因此本文提出了车对车、车对地的基于ZigBee无线网络技术^[4]的客车安全监测系统TCPDS(Train Coach Safety Detecting System)。该系统以 ZigBee无线网络技术为通讯基础，对各个部件进行无线传感器网络化设计，分两级无线网络，建成车对车的TPDS同时，进行分段分析、管理，对不同等级的故障进行分级报警。
1 客车安全监测系统的基本要求
    TCPDS是监控客车各个部件的重要手段，是火车司机控制火车安全运行的重要工具之一。它将客车各个部件工作情况传输到火车控制中心，通过中心电脑留下准确完整的记录并得知客车各个部件的工作状态" title="工作状态">工作状态，是提高客车安全运行必备设备之一。特别是针对我国的提速客车，不仅要求客车安全监测系统的检测设备能及时、准确、可靠、简便地将各个部件的工作状态传输上来，而且还要求系统在现有客车的改装上方便实用。利用传感器、微机系统、无线通讯和分布式信息处理等技术设计的基于ZigBee无线网络技术的客车安全监测系统能够满足上述要求，可以及时、准确地将客车上各个部件（如列车管、制动缸、转向架、车体、电气设备等等）信息传输到控制中心，确保客车安全运行。
2 TCPDS原理和结构
2.1 TCPDS原理
    TCPDS原理是利用安装在客车上各个部件的测试设备系统在线检测其工作状态，检测设备通过采集、分析部件的原始信号得到部件的特征量，通过车厢级无线通讯网络将特征量传输到车厢级系统；车厢级系统根据特征量来判断部件的工作状态，在进行状态报警的同时将这些状态结果利用客车级无线通讯网络传输给客车控制中心；控制中心将各节车厢传输来的状态进行保存、显示、报警，同时将各个部件状态分为三等级报警：紧急、异常、正常；管理人员根据这些状态可以判定客车各个部件的运行状态及线路情况，如转向架振动异常、制动异常、绝缘值偏小、电压不足等。如果出现报警情况，控制中心根据报警情况对客车进行控制，避免客车出现安全事故，保障人民的生命安全和避免国家财产的损失。
2.2 TCPDS结构
    TCPDS由两级系统组成：客车级系统和车厢级系统，其结构如图1所示。客车级系统是TCPDS的控制中心，由各个车厢级系统和一些检测设备组成。这些检测设备在每列车上只需要一台，而不是每节车厢都需要，如轴温检测装置、GPS检测装置、GPRS检测装置。轴温检测装置是利用车上现有的轴温检测系统，将各节车的轴温数据读出来进行判断的。GPS检测装置是用来检测客车速度、位置以及时间的，不需要每节车厢都安装该装置。另外，为了数据能及时传输到地面还可以在客车级系统上安装GPRS装置，实时将客车的状态传输到地面控制中心。车厢级系统由各个检测设备组成，主要包括：转向架检测设备、制动检测设备、电源检测设备、舒适度和平稳性检测设备、绝缘检测设备等。这些检测设备对部件进行实时采集、分析，将其状态特征提取出来，通过无线网络传到车厢级系统中。而车厢级系统根据各个检测设备的特征量进行基本的判断，得到各个部件的状态结果，并初步将结果分为三个等级：紧急、异常、正常，分别给以不同的提示信息，同时通过客车级无线通讯网络将这些信息传输到客车级控制中心进行处理。

3 检测设备的无线通讯设计
    TCPDS各个部件的检测设备主要由传感器、A/D转换芯片、数据存储器、C8051F206微控制器^[6]、MC13193无线通讯芯片^[7]以及一些外围电路组成。无线通讯网络是TCPDS的传输生命线，其状态的好坏将直接影响到TCPDS的性能和稳定性，因此无线检测设备的设计非常重要。首先是无线通讯的选择，从表1^[8]中能看到各种无线通讯的技术参数，因此从功率、距离、速率上，利用Zigbee技术是非常实用的，它能满足检测设备功率和距离要求，速率上也基本满足，所以采用Zigbee技术的MC13193担当无线通讯重任。而MCU则选择与之共电电压相同的、扩展的微控制器C8051F206，它采用流水线指令结构，其执行速度有很大提高。

3.1 MC13193无线通讯芯片
    MC13193符合IEEE 802.15.4标准，它选择的工作频率是2.405GHz～2.480GHz，数据传输速率为250kbps，采用O—QPSK调试方式。这种功能丰富的双向2．4GHz收发器带有一个数据调制解调器，可以在ZigBee技术应用中使用，它还具有一个优化的数字核心，有助于降低MCU处理功率，缩短执行周期。内部集成4个定时比较器，使其可以和性能较低、价格低廉的MCU配合使用以降低成本，广泛的中断维修服务使得MCU编程更为容易；芯片和MCU之间使用串行外围接口，使得在MCU选择上具有更大的余地。芯片集成的连接质量和电源检测功能可以为组网和维护提供必要的数据。除此之外，芯片还具有以下的特性：全频谱编码和译码；经济高效的CMOS设计，几乎不需要外部组件；可编程的时钟，供基带MCU使用；标准的4线SPI(以4MHz或更高频率运行)；扩展的范围性能(使用外部低噪音放大器功率放大器)；可编程的输出功率，通常为OdB；超低功率模式；7条GPIO线路；芯片采用2．7V供电，接收状态耗电37mA，发射状态耗电30mA，功耗很低；QFN 32封装，尺寸为5mm×5mm。
3.2 C8051F206微控制器
    C8051F206是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，有真正的12位多通道ADC，与8051兼容的微控制器内核和8KB的FLASH存储器，还有硬件实现的UART和SPI串行接口。该器件具有32个通用I/O引脚。任何一个端口引脚都可以被配置为ADC的模拟输入，片内还集成了VDD监视器、WDT和时钟振荡器，片内FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，并可用于非易失性数据存储，如系统的各个参数等。可以关闭任何一个或全部外设以节省功耗。除了具有256B的RAM，还另有1024B的RAM。片内JTAG调试支持功能允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试，调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。其可在工业温度范围（-45℃～+85℃）内用2.7V～3.6V的电压工作，端口I/O容许5V的输入信号电压，非常方便与其他芯片的接口。
3.3 无线通讯电路设计
    图2是MC13193应用于ZigBee网络终端设备典型应用电路。要发送的信号从MCU通过SPI口传送到MC13193中，经过扩频O—QPSK调制成载波后，通过发送电路从天线发射出去。从天线来的射频信号经过接收电路传送到MC13193中，经过解调、解扩得到原始的数据，再通过SPI接口传送到MCU，MCU同时提供对收发电路切换的控制。

    (1)OOH软件复位寄存器，对该寄存器任意写入数据，就可使MC13192复位。
    (2)01H、02H分别是MC13192的接收缓存区和发送缓冲区，对这两个寄存器访问要通过循环读和循环写的方式。
    (3)03H tx_ram2_seleCt决定哪个发送缓冲区被选中，tx_pkt_length决定发送数据包的长度。
    (4)06H tx_send_mask决定当包模式下数据包发送完成后是否触发中断，rx_rcvd_mask决定当包模式下接收到数据包后是否触发中断，Xcvr_seq决定MC13193的工作状态。
    (5)09H clko_en决定MC13193是否可以提供时钟输出。
    (6)0AH clko_rate决定MC13193提供时钟输出的频率。
    (7)0FH，10H lol_idiv和lol_num的组合决定MC13193进行无线通讯时所用的频道。
    (8)24H中断状态寄存器，只读，可通过rx_rcvd_irq和crc_valid判断是否接收到正确的数据。
    (9)2DH rx_pkt_latch表示收到数据的长度，根据它可以知道循环读所需的次数。
    本文提出的基于ZigBee 无线网络技术的客车安全监测系统已经进行过多次实验，成功检测出客车油压减振器引起的振动异常(原因是其缺油)、48V绝缘值偏低、客车提前缓解(原因是F8阀漏气)等问题。利用MC13193无线网络芯片的检测设备实现对客车在线监测，特别是对现有客车的改造不需要大量改动车上的结构，因此该系统十分适合客车在线安全监测。
参考文献
[1] 刘瑞扬.铁路货车运行状态地面安全监测系统(TPDS)原理及应用.北京：中国铁道出版社，2005.
[2] 刘瑞扬.车辆运行状态地面安全监测系统在京沪线的应用及展望.中国铁路，2004，5.
[3] 刘瑞扬.关于六大干线提速安全标准线地对车安全监控体系建设的思考.中国铁路，2004，10.
[4] 顾瑞红，张宏科.基于ZigBee的无线网络技术及其应用.电子技术应用，2005，6.
[5] 任绘锦，戴晓华.无线传感器网络节点的系统设计.电子测量与仪器学报，2006，12.
[6] 潘琢.C8051F206混合信号ISPFLASH微控制器数据手册.2005.
[7] MC13192/MC13193 Reference Manual.2005，2.
[8] 孙树印.无线传感器及控制网络：展现新商机.武汉力源信息技术有限公司，2005，11.