張鳳羽，成庶

(1. 中南大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院 軌道交通安全教育部重點實驗室，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)實車試驗無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研發(fā)

張鳳羽1，成庶2

(1. 中南大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院 軌道交通安全教育部重點實驗室，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，設(shè)計能夠?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。基于ARM7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，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。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)點存儲，待取回試驗設(shè)備后通過USB傳輸至上位機(jī)，減少了試驗所需的人力物力，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)計提供參考。

隧道壓力波；測量；無線；ZigBee；ARM

列車高速過隧道時，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，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，可以得到在復(fù)雜環(huán)境下的真實數(shù)據(jù)，對流體計算模型簡化提供借鑒，并對計算結(jié)果起到驗證性作用。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，這在隧道等野外實現(xiàn)困難)、布線復(fù)雜、實驗人員需等待測量開始人工啟動采集系統(tǒng)，耗費大量人力物力，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)點依次上傳采集數(shù)據(jù)至存儲節(jié)點。實驗人員取走實驗設(shè)備后，即可將存儲節(jié)點中的試驗數(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，既有試驗線路上的隧道均小于10km。現(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布置一個節(jié)點，AD分辨率設(shè)為10位，則節(jié)點個數(shù)約為200，列車通過隧道整個過程，單個測點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量為116.3kB，單測點產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速率為5.12kb/s，所有測點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總量為23.26MB。按照該背景設(shè)計系統(tǒng)，即可滿足試驗隧道的測量需求。

2　設(shè)計方案

進(jìn)行需求分析明確設(shè)計指標(biāo)后，選擇合理的設(shè)計方案。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)點產(chǎn)生速率約5.12kb/s，Wi-Fi完全可以把實時采集數(shù)據(jù)無線傳輸出去，而ZigBee空曠地運行Zstack協(xié)議棧后實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)實時傳出。Wi-Fi為星型拓?fù)?，各?jié)點通過點到點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現(xiàn)所有節(jié)點與中心節(jié)點相連。ZigBee為網(wǎng)格型拓?fù)?，為無線多跳網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點都可以相連，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，這對整個測量時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，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更能符合實驗要求，但考慮到隧道內(nèi)的惡劣條件等干擾，ZigBee實際傳輸速率會更低，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)行實時傳輸，而是暫時離線存儲的方案。

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)檢測到列車時無線發(fā)送控制命令給其他節(jié)點，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)行臨時存儲，臨時存儲區(qū)大小由用戶設(shè)定，每存入一個新數(shù)據(jù)便丟掉一個最舊的數(shù)據(jù)，根據(jù)信號自身的特點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)點同時觸發(fā)(傳輸延時為ms級可忽略)，隧道入口處的節(jié)點出現(xiàn)有效信號的時間比出口處更早，各節(jié)點同時開始采集和結(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)點的數(shù)據(jù)并非同時采集到的，要在時間軸上統(tǒng)一起來，需要各采集節(jié)點的時間達(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)點按功能分為4類：在隧道兩端口外較遠(yuǎn)處各有一個節(jié)點來判斷列車是否經(jīng)過并發(fā)送觸發(fā)信號，即觸發(fā)節(jié)點；隧道內(nèi)及隧道口外30m范圍內(nèi)布設(shè)適量節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，即采集節(jié)點；隧道中心位置布設(shè)一個節(jié)點，各采集節(jié)點完成數(shù)據(jù)采集后將數(shù)據(jù)全部上傳到該節(jié)點，即存儲節(jié)點；當(dāng)上述節(jié)點中出現(xiàn)入網(wǎng)失敗時(可通過觀測指示燈判別，組網(wǎng)成功時指示燈亮起，指示燈未亮起即代表組網(wǎng)失敗)，可以設(shè)置適量節(jié)點進(jìn)行無線信號中繼以確保各節(jié)點組網(wǎng)成功，即中繼節(jié)點。各節(jié)點布置如圖1。

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

隧道口外的節(jié)點具有超聲波傳感器，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)點開始采集并存儲數(shù)據(jù)，采集指定時間長度后結(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。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)點和中繼節(jié)點僅基于CC2530開發(fā)板構(gòu)成，實現(xiàn)簡單的系統(tǒng)觸發(fā)及信號中繼功能。采集節(jié)點和存儲節(jié)點基于ARM開發(fā)板和CC2530開發(fā)板構(gòu)成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和存儲功能，是系統(tǒng)的主要功能實現(xiàn)部分。

4　系統(tǒng)設(shè)計

4.1硬件設(shè)計

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數(shù)據(jù))[5-6]，基于51內(nèi)核的處理器CC2530即可實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)實時上傳，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，同時參考了傳統(tǒng)的基于ARM的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[7-8]、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)設(shè)計[9]，采用了結(jié)構(gòu)化、模塊化的思想，結(jié)合實際測量需求完成了整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計。

不同類節(jié)點的硬件組成均包含CC2530開發(fā)板[10]作為無線傳輸模塊，但由于要實現(xiàn)的功能不同，硬件結(jié)構(gòu)也有差異。觸發(fā)節(jié)點由CC2530開發(fā)板和超聲波傳感器模塊構(gòu)成。中繼節(jié)點僅需CC2530開發(fā)板即可實現(xiàn)。采集節(jié)點實現(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)計數(shù)據(jù)采集電路，并設(shè)計相關(guān)接口電路實現(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]，單個節(jié)點產(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)點的硬件結(jié)構(gòu)與采集節(jié)點相似，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)點硬件總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Acquisition node hardware architecture diagram

4.2軟件設(shè)計

當(dāng)觸發(fā)節(jié)點檢測范圍內(nèi)出現(xiàn)列車，廣播發(fā)送包含預(yù)設(shè)采樣時間和采樣方式的觸發(fā)控制消息，當(dāng)觸發(fā)節(jié)點接收到觸發(fā)命令 (出口處觸發(fā)節(jié)點收到入口處觸發(fā)節(jié)點發(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出口處觸發(fā)節(jié)點再次廣播發(fā)送觸發(fā)消息，造成廣播風(fēng)暴[14]。

采集節(jié)點及存儲節(jié)點中無線傳輸模塊的軟件設(shè)計相同，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)點采集完成后，向存儲節(jié)點發(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)點連續(xù)接收完一個采集節(jié)點的數(shù)據(jù)后，才會再發(fā)出一個新的允許上傳響應(yīng)，以避免多節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁堵。

采集節(jié)點中，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[15]。

存儲節(jié)點中，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)點在上傳數(shù)據(jù)，則向發(fā)出請求的節(jié)點發(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)實車試驗的壓力波數(shù)據(jù)采集，針對試驗過程中在隧道內(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，各節(jié)點之間無線組網(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，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)點同時開始采集數(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數(shù)據(jù)，該采集系統(tǒng)結(jié)合實際應(yīng)用背景改變了實時傳輸?shù)牟呗?，采集過程中暫存數(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)計與實現(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)鍵模塊利用計算機(jī)仿真軟件做了必要的仿真，并在實驗室內(nèi)利用五個無線節(jié)點對該系統(tǒng)進(jìn)行了功能驗證，證明了本系統(tǒng)的正確性，然而在實際測量應(yīng)用前，尚需采用更多節(jié)點于隧道內(nèi)進(jìn)行實測檢驗。

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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