張鳳羽，成庶

(1. 中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410075；2.中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

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隧道空氣動力學(xué)實(shí)車試驗(yàn)無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研發(fā)

張鳳羽1，成庶2

(1. 中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410075；2.中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

進(jìn)行高速列車過隧道期間隧道壁面壓力及隧道口微壓波測量，對研究分析高速列車過隧道氣動性能具有重要意義。為了克服傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)布線困難、自動化程度低的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)自動觸發(fā)、數(shù)據(jù)無線傳輸及離線存儲功能的新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，解決隧道惡劣網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下數(shù)據(jù)的無線傳輸及傳統(tǒng)ZigBee無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣率過低的難題?；贏RM7處理器核LPC2214結(jié)合CC2530開發(fā)板，完成了該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，并基于嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核μC/OS-II和Zstack協(xié)議棧完成了相應(yīng)軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用蓄電池供電，通過超聲波傳感器檢測列車經(jīng)過實(shí)現(xiàn)自動觸發(fā)采集，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸控制命令和數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)匯聚至中心節(jié)點(diǎn)存儲，待取回試驗(yàn)設(shè)備后通過USB傳輸至上位機(jī)，減少了試驗(yàn)所需的人力物力，非常方便。研究成果可為惡劣網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下采樣速率要求較高的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

隧道壓力波；測量；無線；ZigBee；ARM

列車高速過隧道時(shí)，由于隧道壁對空氣流動的限制，隧道內(nèi)空氣壓力發(fā)生劇烈變化形成空氣壓力波。空氣壓力波會引起車廂內(nèi)空氣壓力的變化，造成乘客耳鳴，影響乘坐舒適度[1-2]，對車體氣密性和車內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)也提出了更高要求，并且當(dāng)空氣壓力波幅值變化較大時(shí)，會引起列車零部件、隧道襯砌結(jié)構(gòu)及其他附屬設(shè)施的疲勞損壞。另外，在隧道出口處形成的微壓波還會對周遭環(huán)境產(chǎn)生噪聲污染，破壞臨近的建筑物[3]。因此，對列車通過隧道氣動性能進(jìn)行研究具有重要意義。對壓力波進(jìn)行測量試驗(yàn)，可以得到在復(fù)雜環(huán)境下的真實(shí)數(shù)據(jù)，對流體計(jì)算模型簡化提供借鑒，并對計(jì)算結(jié)果起到驗(yàn)證性作用。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在隧道中取電困難(通常采用220V市電，這在隧道等野外實(shí)現(xiàn)困難)、布線復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)人員需等待測量開始人工啟動采集系統(tǒng)，耗費(fèi)大量人力物力，且測量過程中易引入人為因素導(dǎo)致的測量誤差，降低系統(tǒng)可靠性。因此本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM7處理器LPC2214和無線單片機(jī)CC2530的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過超聲波傳感器檢測火車經(jīng)過實(shí)現(xiàn)自動觸發(fā)，在現(xiàn)場使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)無線傳輸控制命令和采集數(shù)據(jù)，使用電池供電，避免了取電困難和信號線布線，大大降低了隧道內(nèi)布線的復(fù)雜性，采集結(jié)束后各采集節(jié)點(diǎn)依次上傳采集數(shù)據(jù)至存儲節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)人員取走實(shí)驗(yàn)設(shè)備后，即可將存儲節(jié)點(diǎn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過USB接口上傳至上位機(jī)進(jìn)行分析處理。

1　工程概況

我國絕大部分隧道長度都小于10km，既有試驗(yàn)線路上的隧道均小于10km?，F(xiàn)以如下背景進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)：隧道長度10km，列車通過隧道速度200km/h，預(yù)期采樣率256sps，列車長度為600m，車頭距隧道入口50m開始測量，車尾離開出口50m結(jié)束測量。每50m布置一個(gè)節(jié)點(diǎn)，AD分辨率設(shè)為10位，則節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)約為200，列車通過隧道整個(gè)過程，單個(gè)測點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量為116.3kB，單測點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速率為5.12kb/s，所有測點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總量為23.26MB。按照該背景設(shè)計(jì)系統(tǒng)，即可滿足試驗(yàn)隧道的測量需求。

2　設(shè)計(jì)方案

進(jìn)行需求分析明確設(shè)計(jì)指標(biāo)后，選擇合理的設(shè)計(jì)方案。首先進(jìn)行無線傳輸方案選擇，目前可供選擇的主流無線技術(shù)主要有Wi-Fi、ZigBee和藍(lán)牙。Wi-Fi的連接設(shè)備數(shù)量小于50(建議15以內(nèi))，ZigBee的連接設(shè)備數(shù)量小于65 536(建議150以內(nèi))，藍(lán)牙的連接設(shè)備數(shù)量小于8。顯然藍(lán)牙的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)太少，無法滿足絕大多數(shù)隧道的測量工作，Wi-Fi的只能滿足短隧道的測量需要，而ZigBee可以輕易滿足所有測量需要。Wi-Fi理論數(shù)據(jù)傳輸速率為11/54Mbps，ZigBee為250kbps，由于節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生速率約5.12kb/s，Wi-Fi完全可以把實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)無線傳輸出去，而ZigBee空曠地運(yùn)行Zstack協(xié)議棧后實(shí)際測試速率通常只有為20～30kbps[4]，加之隧道內(nèi)列車經(jīng)過期環(huán)境復(fù)雜，速率甚至?xí)?00bps以下，ZigBee可能無法將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳出。Wi-Fi為星型拓?fù)?，各?jié)點(diǎn)通過點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路與中心站相連，而Wi-Fi的傳輸距離約為300m，隧道距離一般較長無法實(shí)現(xiàn)所有節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)相連。ZigBee為網(wǎng)格型拓?fù)洌瑸闊o線多跳網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點(diǎn)都可以相連，完全符合測量要求。此外，Wi-Fi休眠喚醒速度為3～5s，ZigBee僅15ms，Wi-Fi的喚醒速度可能會導(dǎo)致幾秒鐘的數(shù)據(jù)丟失，這對整個(gè)測量時(shí)間僅為幾秒到幾百秒的測量任務(wù)是難以容忍的，且Wi-Fi可能會存在通信死角，ZigBee不會存在通信死角。功耗方面不做特別考慮，通常一條隧道只需連續(xù)進(jìn)行幾次試驗(yàn)，無需長期測量，不會出現(xiàn)供電不足。各無線傳輸方案性能比較如表1所示。綜合各因素，ZigBee更能符合實(shí)驗(yàn)要求，但考慮到隧道內(nèi)的惡劣條件等干擾，ZigBee實(shí)際傳輸速率會更低，如果采樣率較高，使采集輸入數(shù)據(jù)速率大于數(shù)據(jù)發(fā)送速率，容易丟包，為了克服低傳輸速率對采樣率的限制，本文選定數(shù)據(jù)采集后不進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，而是暫時(shí)離線存儲的方案。

表1　無線傳輸方案性能比較表

最后，為系統(tǒng)啟動采集選擇合理的自動觸發(fā)方案。方案一采用超聲波傳感器等方式，檢測列車經(jīng)過，當(dāng)檢測到列車時(shí)無線發(fā)送控制命令給其他節(jié)點(diǎn)，啟動數(shù)據(jù)采集；方案二不設(shè)置專門傳感器檢測列車是否經(jīng)過，氣壓傳感器不斷采集數(shù)據(jù)進(jìn)行臨時(shí)存儲，臨時(shí)存儲區(qū)大小由用戶設(shè)定，每存入一個(gè)新數(shù)據(jù)便丟掉一個(gè)最舊的數(shù)據(jù)，根據(jù)信號自身的特點(diǎn)判斷是否為有效信號(比如信號超過一定幅值即視為有效信號)，將此后的數(shù)據(jù)和臨時(shí)存儲區(qū)的數(shù)據(jù)存儲起來，直到到達(dá)到預(yù)設(shè)的采樣點(diǎn)數(shù)。方案二與方案一相比，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量更小，方案一中各節(jié)點(diǎn)同時(shí)觸發(fā)(傳輸延時(shí)為ms級可忽略)，隧道入口處的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)有效信號的時(shí)間比出口處更早，各節(jié)點(diǎn)同時(shí)開始采集和結(jié)束采集，會采集到部分無效數(shù)據(jù)。但是，方案二會使得采集系統(tǒng)對所采信號特點(diǎn)的依賴性太強(qiáng)，降低了采集系統(tǒng)的通用性，此外，各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并非同時(shí)采集到的，要在時(shí)間軸上統(tǒng)一起來，需要各采集節(jié)點(diǎn)的時(shí)間達(dá)到同步，增加了軟件開銷。因此，選擇方案一作為系統(tǒng)觸發(fā)方式。

3　系統(tǒng)框架及組成

無線節(jié)點(diǎn)按功能分為4類：在隧道兩端口外較遠(yuǎn)處各有一個(gè)節(jié)點(diǎn)來判斷列車是否經(jīng)過并發(fā)送觸發(fā)信號，即觸發(fā)節(jié)點(diǎn)；隧道內(nèi)及隧道口外30m范圍內(nèi)布設(shè)適量節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，即采集節(jié)點(diǎn)；隧道中心位置布設(shè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，各采集節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)采集后將數(shù)據(jù)全部上傳到該節(jié)點(diǎn)，即存儲節(jié)點(diǎn)；當(dāng)上述節(jié)點(diǎn)中出現(xiàn)入網(wǎng)失敗時(shí)(可通過觀測指示燈判別，組網(wǎng)成功時(shí)指示燈亮起，指示燈未亮起即代表組網(wǎng)失敗)，可以設(shè)置適量節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線信號中繼以確保各節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)成功，即中繼節(jié)點(diǎn)。各節(jié)點(diǎn)布置如圖1。

圖1　隧道節(jié)點(diǎn)布置圖Fig.1 Layout of nodes in tunnel

隧道口外的節(jié)點(diǎn)具有超聲波傳感器，當(dāng)檢測到列車逼近，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸啟動采集控制命令，各節(jié)點(diǎn)開始采集并存儲數(shù)據(jù)，采集指定時(shí)間長度后結(jié)束采集，依次將采集數(shù)據(jù)無線發(fā)送匯總至存儲節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)工作流程如圖2。

圖2　系統(tǒng)工作流程圖Fig.2 System flow chart

該系統(tǒng)觸發(fā)節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)僅基于CC2530開發(fā)板構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)簡單的系統(tǒng)觸發(fā)及信號中繼功能。采集節(jié)點(diǎn)和存儲節(jié)點(diǎn)基于ARM開發(fā)板和CC2530開發(fā)板構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和存儲功能，是系統(tǒng)的主要功能實(shí)現(xiàn)部分。

4　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1硬件設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的ZigBee無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)采集通常適用于很低速的環(huán)境(幾秒鐘至幾十秒上傳一個(gè)數(shù)據(jù))[5-6]，基于51內(nèi)核的處理器CC2530即可實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，但難以滿足隧道氣壓波的測量需求，本文參考了其無線通信功能，同時(shí)參考了傳統(tǒng)的基于ARM的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[7-8]、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)設(shè)計(jì)[9]，采用了結(jié)構(gòu)化、模塊化的思想，結(jié)合實(shí)際測量需求完成了整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

不同類節(jié)點(diǎn)的硬件組成均包含CC2530開發(fā)板[10]作為無線傳輸模塊，但由于要實(shí)現(xiàn)的功能不同，硬件結(jié)構(gòu)也有差異。觸發(fā)節(jié)點(diǎn)由CC2530開發(fā)板和超聲波傳感器模塊構(gòu)成。中繼節(jié)點(diǎn)僅需CC2530開發(fā)板即可實(shí)現(xiàn)。采集節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能及少量數(shù)據(jù)存儲，需要基于ARM7處理器LPC2214設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集電路，并設(shè)計(jì)相關(guān)接口電路實(shí)現(xiàn)程序調(diào)試、串口通信等功能，LPC2214含256KB片內(nèi)Flash，其中248kB的Flash可供用戶程序使用[11]，單個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的總數(shù)據(jù)量最大約116.3kB，但考慮到程序所占用的空間消耗，為避免存儲空間不足，外加一片128kB的EEPROM芯片SST29EE010以避免數(shù)據(jù)丟失。選擇動態(tài)響應(yīng)特性較高的kuliteLL-250壓力傳感器，以實(shí)現(xiàn)對隧道內(nèi)和隧道口外的微壓波的精確測量[12-13]。其硬件總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。存儲節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)與采集節(jié)點(diǎn)相似，只需將128KB的EEPROM芯片換成32M的三星NANDFLASH芯片K9F5608UOC即可。

圖3　采集節(jié)點(diǎn)硬件總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Acquisition node hardware architecture diagram

4.2軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)觸發(fā)節(jié)點(diǎn)檢測范圍內(nèi)出現(xiàn)列車，廣播發(fā)送包含預(yù)設(shè)采樣時(shí)間和采樣方式的觸發(fā)控制消息，當(dāng)觸發(fā)節(jié)點(diǎn)接收到觸發(fā)命令 (出口處觸發(fā)節(jié)點(diǎn)收到入口處觸發(fā)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的觸發(fā)控制消息)后，不再檢測列車，以避免列車出隧道時(shí)出口處觸發(fā)節(jié)點(diǎn)再次廣播發(fā)送觸發(fā)消息，造成廣播風(fēng)暴[14]。

采集節(jié)點(diǎn)及存儲節(jié)點(diǎn)中無線傳輸模塊的軟件設(shè)計(jì)相同，當(dāng)串口接到信息則無線傳出，當(dāng)天線接到信息則從串口傳出。各采集節(jié)點(diǎn)采集完成后，向存儲節(jié)點(diǎn)發(fā)送允許上傳請求，若得到允許上傳響應(yīng)，則將數(shù)據(jù)上傳，否則隔15s后重新發(fā)送允許上傳請求，存儲節(jié)點(diǎn)連續(xù)接收完一個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，才會再發(fā)出一個(gè)新的允許上傳響應(yīng)，以避免多節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁堵。

采集節(jié)點(diǎn)中，當(dāng)ARM板串口接收到消息，進(jìn)行分析處理，若為觸發(fā)控制命令，取出控制消息中的控制參數(shù)，按指定方式完成采樣后，通過串口傳輸請求上傳數(shù)據(jù)消息，若串口接收到存儲節(jié)點(diǎn)響應(yīng)(允許上傳數(shù)據(jù)消息)，則LPC2214從存儲區(qū)讀出數(shù)據(jù)，通過串口傳給CC2530后將數(shù)據(jù)無線發(fā)送到存儲節(jié)點(diǎn)[15]。

存儲節(jié)點(diǎn)中，當(dāng)ARM板串口接收到消息，進(jìn)行分析處理，若為上傳請求(內(nèi)含請求上傳的數(shù)據(jù)量大小)，且目前無其他節(jié)點(diǎn)在上傳數(shù)據(jù)，則向發(fā)出請求的節(jié)點(diǎn)發(fā)送允許傳輸響應(yīng)建立數(shù)據(jù)傳輸，此期間不再響應(yīng)其他節(jié)點(diǎn)的上傳請求。

5　結(jié)論

1)將ZigBee無線傳感器技術(shù)應(yīng)用于隧道空氣動力學(xué)實(shí)車試驗(yàn)的壓力波數(shù)據(jù)采集，針對試驗(yàn)過程中在隧道內(nèi)取電困難、布線繁雜等問題，構(gòu)建了電池供電的無線節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)之間無線組網(wǎng)，可以節(jié)省大量人力物力。

2)該無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用超聲波傳感器檢測技術(shù)，監(jiān)測到列車經(jīng)過時(shí)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)無線傳輸啟動采集的控制命令，各采集節(jié)點(diǎn)同時(shí)開始采集數(shù)據(jù)，避免了測量過程中人為因素導(dǎo)致的測量誤差。

3)與傳統(tǒng)基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更高的采樣速率。傳統(tǒng)基于ZigBee的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常幾秒或幾分鐘采集一個(gè)數(shù)據(jù)，該采集系統(tǒng)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用背景改變了實(shí)時(shí)傳輸?shù)牟呗裕杉^程中暫存數(shù)據(jù)，待采集過程結(jié)束后依次上傳數(shù)據(jù)，避免了惡劣環(huán)境下的低網(wǎng)絡(luò)傳輸速率對采樣率的限制，避免丟包，其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)可為基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的較高速率的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)提供通用、完整的解決方案。

4)對一些關(guān)鍵模塊利用計(jì)算機(jī)仿真軟件做了必要的仿真，并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用五個(gè)無線節(jié)點(diǎn)對該系統(tǒng)進(jìn)行了功能驗(yàn)證，證明了本系統(tǒng)的正確性，然而在實(shí)際測量應(yīng)用前，尚需采用更多節(jié)點(diǎn)于隧道內(nèi)進(jìn)行實(shí)測檢驗(yàn)。

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Development of wireless data acquisition system in real vehiclepassing through tunnels during Aerodynamic tests

ZHANGFengyu1,CHENGShu2

(1. Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education, Central South University, Changsha 410075, China；2.SchoolofInformationScienceandEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China)

Tunnelwallpressurewaveandtunnelmicropressurewavemeasurementhavegreatsignificancetoresearchandanalysiswhenhighspeedtrainpassesthrough.Inordertoovercometheshortcomingsoftraditionaldataacquisitionsystemwiringdifficultiesandthelowdegreeofautomation,anewdataacquisitionsystemwasdesignedtorealizeautomatictrigger,datawirelesstransmissionanddatastoragefunction.ItprovidesaneasymethodfordatawirelesstransmissionunderbadnetworkenvironmentandLowsamplingrateofTraditionalwirelessdataacquisitionsystem.Thehardwaredesignofthissystemwascompleted,basingontheARM7processorcoresLPC2214combiningCC2530developmentboard.Thecorrespondingsoftwarewasalsodesigned,basedonembeddedsystemkerneluC/OS-IIandZstackprotocolstack.Thissystemhasthefollowingfeatures:batterypowersupply,triggerautomaticallybyultrasonicsensoracquisition,controlcommandsanddatatransmissionbyZigBeewirelessnetwork,datagatheringtostoreintocenternodeandtransmissiontofirstmachineviaUSBaftertestequipmentstakenback.Accordingly,theresourcesneededforthetestwerereduced.Thepresentsystemprovidesareferenceforwirelessdataacquisitionsystemofhighsamplingrateofdadnetworkenvironment.

tunnelpressurewave；measurement；wireless；ZigBee；ARM

2015-10-20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61273158)

成庶(1981-)，男，湖南長沙人，講師，博士，從事電力牽引、傳動控制及故診斷研究；E-mail：6409020@qq.com

U25

A

1672-7029(2016)07-1401-06