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ZigBee无线传感网络在客车安全监测系统中的应用

更新时间：2019-09-03 06:55:54 大小：81K 上传用户：杨义查看TA发布的资源 标签：zigbee 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

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科 技 论 坛  
ZigBee 无线传感网络在客车安全监测系统中的应用  
(兰州交通大学，甘肃 兰州 730070)  
孙根强 王可心 刘 娟 张日芳  
摘 要：  
介绍了当前客车安全监测系统的特点，将ZigBee 无线传感网络技术应用于客车安全监测系统，组建了ZigBee 无线传感网络，详细设  
计了该系统的硬件结构，给出了系统的硬件电路图，并设计了系统的软件结构。与以前有线的客车安全监测系统相比，有节省布线，降低成本，系统  
维护简单的作用。并对ZigBee 无线传感网络用于铁路运输做了展望。  
关键词：  
ZigBee 技术；无线传感器网络；TCPDS；CC2430  
置。车厢级系统由各个检测设备组成，主要包括：  
引言  
自1997 年以来，我国铁路进行了多次大规 转向架检测设备、制动检测设备、电源检测设备、  
模提速，有效地缓解了铁路运量与运能的矛盾，收 舒适度和平稳性检测设备、绝缘检测设备等。这些  
到了十分显著的社会及经济效益。与此同时，铁路 检测设备对部件进行实时采集、分析，将其状态特  
交通安全形势并不乐观，如轮轨剥离、转向架的断 征提取出来，通过无线网络传到车厢级系统中。而  
裂、电气设备漏电等，这些问题给行车安全带来很 车厢级系统根据各个检测设备的特征量进行基本  
大隐患和经济损失。  
的判断，得到各个部件的状态结果，同时通过客车  
作为铁路行车安全防范体系的重要环节的 级无线通讯网络将这些信息传输到客车级控制中  
车辆安全监测系统TPDS(Truck Performance De-  
tecting System)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  
心进行处理。  
2 ZigBee 技术及其特点  
ZigBee 技术是基于IEEE802.15.4 技术标准  
良的车辆。这种利用专用监测设备对客车的运行 和ZigBee 网络协议而设计的无线传感网络，它是  
安全进行监控，是现代化行车安全管理的一个重 中短距离、低速率无线传感器网络，射频传输成本  
要措施。国内外铁路管理部门都投入了大量的人 低，各节点只需要很少的能量，功耗小，适于电池  
力和物力进行相关设备的研究。我国铁路安全技 长期供电，可实现一点对多点或两点间对等通信、  
术装备水平与发达国家相比尚有较大差距，设备 快速组网自动配置，任意传感器之间可相互协调  
质量不良问题比较突出。因此提出了基于ZigBee 实现数据通信，主要用于中短距离无线系统连接。  
无线网络技术的客车安全监测系统TCPDS(Train  
ZigBee 技术的特点是：低速率，低功耗，低成  
Coach Safety Detecting System)，该系统以 ZigBee 本，延时短，免许可无线通信频段，多种组网方式，  
无线网络技术为通讯基础，对各个部件进行无线 近距离通信，可靠数据传输，大容量网络，自配置  
传感器网络化设计。  
1 客车安全监测系统  
TCPDS是监控客车各个部件的重要手段，是  
及三级安全模式。  
3 无线传感器网络节点的硬件设计  
TCPDS 各个部件的检测设备主要由传感器、  
机车乘务员控制火车安全运行的重要工具之一。 A/D转换芯片、微控制器、CC2430 无线通讯芯片  
它将客车各个部件工作情况传输到机车控制中 以及一些外围电路组成。无线通讯网络是TCPDS  
心，通过中心电脑留下准确完整的记录并显示客 的传输生命线，其状态的好坏将直接影响到  
车各个部件的工作状态，是提高客车安全运行必 TCPDS的性能和稳定性，因此无线检测设备的设  
备设备之一。利用传感器、微机系统、无线通讯和 计非常重要。  
维护复杂程度。  
由于CC2430 中带有一个8 位的8051 微控  
分布式信息处理等技术设计的基于ZigBee 无线  
我们设计的节点实现机理是将采集到的信息  
制器和8- 14 位的A/D转换，所以在硬件设计中省  
去了微控制器模块和A/D转换芯片，降低了传感  
器节点的成本，减小了传感器节点的体积。图2 是  
CC2430 的典型应用电路。  
网络技术的客车安全监测系统能够满足上述要 数据以无线方式发送出去。无线传感器网络节点  
求，可以及时、准确地将客车上各个部件（如列车 包括传感器模块、无线通信模块、电源供应模块和  
管、制动缸、转向架、车体、电气设备等等）信息传 阻抗匹配网络。系统节点的结构框图如图1 所示。  
输到控制中心，确保客车安全运行。  
传感器模块负责设备状态量的采集，通过滤  
电源供应模块是系统工作的前提，本设计中  
采用两节五号干电池供电，一般ZigBee 节点的电  
池工作时间为6 到24 个月。为了设计的微型化，  
也可采用可充电锂离子纽扣电池。这就是ZigBee  
技术的一大特点，低功耗。  
TCPDS 原理是利用安装在客车上各个部件 波放大电路可以直接送入CC2430 的A/D口进行  
的测试设备系统在线检测其工作状态，检测设备 数据处理。  
通过采集、分析部件的原始信号得到部件的特征  
无线通信模块是系统的核心部分，负责数据  
量，通过车厢级无线通讯网络将特征量传输到车 的接收与发送，本设计采用CC2430 模块。CC2430  
厢级系统；车厢级系统根据特征量来判断部件的 芯片上整合了ZigBee 射频前端、内存和微控制器。  
工作状态，在进行状态报警的同时将这些状态结 它使用1 个8 位8051MCU，具有128KB 可编程  
果利用客车级无线通讯网络传输给客车控制中 闪存和8KB 的RAM，还包含模拟数字转换器  
心；控制中心将各节车厢传输来的状态进行保存、 (ADC)、几个定时器(Timer)、AES128 协同处理器、  
显示、报警，管理人员根据这些状态可以判定客车 看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上  
各个部件的运行状态及线路情况，如转向架振动 电复位电路、掉电检测电路，以及21 个可编程I/O  
异常、制动异常、绝缘值偏小、电压不足等。如果出 引脚。它采用基于FPGA的QDPSK调制，数据速  
现报警情况，控制中心根据报警情况对客车进行 率250kbps。此外，CC2430 的工作电压范围为  
控制，避免客车出现安全事故，保障人民的生命安 2.0～3.6 V，其电流消耗很低，发射电流约为  
阻抗匹配网络 ：CC2430 的射频信号是采用  
差分方式。本设计采用50 欧姆单极子天线。  
4 无线传感器网络节点的软件设计  
系统软件设计主要包括节点发送接收程序、  
温度采集程序、机车总控器发送接收程序等。图3  
是节点发送流程图。详细程序在此不做叙述。  
5 结论  
本项目根据实际需要完成了客车安全监测监  
测系统的整体架构设计和底层硬件与软件的具体  
实现。系统充分利用了ZigBee 低速率、低功耗、低  
成本和自配置的特点，大大提高了系统的可靠性，  
省去了大量的布线，降低了系统的成本，同时也降  
低了系统在检修时期的复杂性。在我国铁路运输  
发展中有广泛的应用前景。  
全和避免国家财产的损失。  
25mA，接收电流约为27mA（当微控制器内核运行  
TCPDS由两级系统组成：客车级系统和车厢 在32MHz），待机电流约为0.2μA，能够满足系统  
级系统，客车级系统是TCPDS 的控制中心，由各 高性能低功耗的需要。 得益于CC2430 的高集  
个车厢级系统和一些检测设备组成。这些检测设 成度，其外围电路非常简单，只需要数量很少而且  
备在每列车上只需要一台，而不是每节车厢都需 廉价的外围元件，即可完成无线传感器节点的数  
要，如轴温检测装置、GPS检测装置、GPRS检测装 据传输和处理功能，因而大大降低了成本和系统  
－9－  

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