隧道空气动力学实车试验无线数据采集系统研发

张凤羽，成庶

(1. 中南大学 交通运输工程学院 轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙 410075；2.中南大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙 410075)



隧道空气动力学实车试验无线数据采集系统研发

张凤羽1，成庶2

(1. 中南大学 交通运输工程学院 轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙 410075；2.中南大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙 410075)

进行高速列车过隧道期间隧道壁面压力及隧道口微压波测量，对研究分析高速列车过隧道气动性能具有重要意义。为了克服传统数据采集系统布线困难、自动化程度低的缺点，设计能够实现自动触发、数据无线传输及离线存储功能的新型数据采集系统，解决隧道恶劣网络环境下数据的无线传输及传统ZigBee无线数据采集系统采样率过低的难题。基于ARM7处理器核LPC2214结合CC2530开发板，完成了该系统的硬件设计，并基于嵌入式系统内核μC/OS-II和Zstack协议栈完成了相应软件设计。该系统采用蓄电池供电，通过超声波传感器检测列车经过实现自动触发采集，ZigBee无线网络传输控制命令和数据，数据汇聚至中心节点存储，待取回试验设备后通过USB传输至上位机，减少了试验所需的人力物力，非常方便。研究成果可为恶劣网络环境下采样速率要求较高的无线数据采集系统设计提供参考。

隧道压力波；测量；无线；ZigBee；ARM

列车高速过隧道时，由于隧道壁对空气流动的限制，隧道内空气压力发生剧烈变化形成空气压力波。空气压力波会引起车厢内空气压力的变化，造成乘客耳鸣，影响乘坐舒适度[1-2]，对车体气密性和车内通风系统也提出了更高要求，并且当空气压力波幅值变化较大时，会引起列车零部件、隧道衬砌结构及其他附属设施的疲劳损坏。另外，在隧道出口处形成的微压波还会对周遭环境产生噪声污染，破坏临近的建筑物[3]。因此，对列车通过隧道气动性能进行研究具有重要意义。对压力波进行测量试验，可以得到在复杂环境下的真实数据，对流体计算模型简化提供借鉴，并对计算结果起到验证性作用。传统数据采集系统在隧道中取电困难(通常采用220V市电，这在隧道等野外实现困难)、布线复杂、实验人员需等待测量开始人工启动采集系统，耗费大量人力物力，且测量过程中易引入人为因素导致的测量误差，降低系统可靠性。因此本文设计了一种基于ARM7处理器LPC2214和无线单片机CC2530的数据采集系统，通过超声波传感器检测火车经过实现自动触发，在现场使用ZigBee网络无线传输控制命令和采集数据，使用电池供电，避免了取电困难和信号线布线，大大降低了隧道内布线的复杂性，采集结束后各采集节点依次上传采集数据至存储节点。实验人员取走实验设备后，即可将存储节点中的试验数据通过USB接口上传至上位机进行分析处理。

1　工程概况

我国绝大部分隧道长度都小于10km，既有试验线路上的隧道均小于10km。现以如下背景进行系统开发：隧道长度10km，列车通过隧道速度200km/h，预期采样率256sps，列车长度为600m，车头距隧道入口50m开始测量，车尾离开出口50m结束测量。每50m布置一个节点，AD分辨率设为10位，则节点个数约为200，列车通过隧道整个过程，单个测点产生的数据量为116.3kB，单测点产生数据的速率为5.12kb/s，所有测点产生的数据总量为23.26MB。按照该背景设计系统，即可满足试验隧道的测量需求。

2　设计方案

进行需求分析明确设计指标后，选择合理的设计方案。首先进行无线传输方案选择，目前可供选择的主流无线技术主要有Wi-Fi、ZigBee和蓝牙。Wi-Fi的连接设备数量小于50(建议15以内)，ZigBee的连接设备数量小于65 536(建议150以内)，蓝牙的连接设备数量小于8。显然蓝牙的网络节点数太少，无法满足绝大多数隧道的测量工作，Wi-Fi的只能满足短隧道的测量需要，而ZigBee可以轻易满足所有测量需要。Wi-Fi理论数据传输速率为11/54Mbps，ZigBee为250kbps，由于节点产生速率约5.12kb/s，Wi-Fi完全可以把实时采集数据无线传输出去，而ZigBee空旷地运行Zstack协议栈后实际测试速率通常只有为20～30kbps[4]，加之隧道内列车经过期环境复杂，速率甚至会跌至700bps以下，ZigBee可能无法将数据实时传出。Wi-Fi为星型拓扑，各节点通过点到点的链路与中心站相连，而Wi-Fi的传输距离约为300m，隧道距离一般较长无法实现所有节点与中心节点相连。ZigBee为网格型拓扑，为无线多跳网络，各节点都可以相连，完全符合测量要求。此外，Wi-Fi休眠唤醒速度为3～5s，ZigBee仅15ms，Wi-Fi的唤醒速度可能会导致几秒钟的数据丢失，这对整个测量时间仅为几秒到几百秒的测量任务是难以容忍的，且Wi-Fi可能会存在通信死角，ZigBee不会存在通信死角。功耗方面不做特别考虑，通常一条隧道只需连续进行几次试验，无需长期测量，不会出现供电不足。各无线传输方案性能比较如表1所示。综合各因素，ZigBee更能符合实验要求，但考虑到隧道内的恶劣条件等干扰，ZigBee实际传输速率会更低，如果采样率较高，使采集输入数据速率大于数据发送速率，容易丢包，为了克服低传输速率对采样率的限制，本文选定数据采集后不进行实时传输，而是暂时离线存储的方案。

表1　无线传输方案性能比较表

最后，为系统启动采集选择合理的自动触发方案。方案一采用超声波传感器等方式，检测列车经过，当检测到列车时无线发送控制命令给其他节点，启动数据采集；方案二不设置专门传感器检测列车是否经过，气压传感器不断采集数据进行临时存储，临时存储区大小由用户设定，每存入一个新数据便丢掉一个最旧的数据，根据信号自身的特点判断是否为有效信号(比如信号超过一定幅值即视为有效信号)，将此后的数据和临时存储区的数据存储起来，直到到达到预设的采样点数。方案二与方案一相比，产生的数据量更小，方案一中各节点同时触发(传输延时为ms级可忽略)，隧道入口处的节点出现有效信号的时间比出口处更早，各节点同时开始采集和结束采集，会采集到部分无效数据。但是，方案二会使得采集系统对所采信号特点的依赖性太强，降低了采集系统的通用性，此外，各节点的数据并非同时采集到的，要在时间轴上统一起来，需要各采集节点的时间达到同步，增加了软件开销。因此，选择方案一作为系统触发方式。

3　系统框架及组成

无线节点按功能分为4类：在隧道两端口外较远处各有一个节点来判断列车是否经过并发送触发信号，即触发节点；隧道内及隧道口外30m范围内布设适量节点进行数据采集，即采集节点；隧道中心位置布设一个节点，各采集节点完成数据采集后将数据全部上传到该节点，即存储节点；当上述节点中出现入网失败时(可通过观测指示灯判别，组网成功时指示灯亮起，指示灯未亮起即代表组网失败)，可以设置适量节点进行无线信号中继以确保各节点组网成功，即中继节点。各节点布置如图1。

图1　隧道节点布置图Fig.1 Layout of nodes in tunnel

隧道口外的节点具有超声波传感器，当检测到列车逼近，通过ZigBee网络传输启动采集控制命令，各节点开始采集并存储数据，采集指定时间长度后结束采集，依次将采集数据无线发送汇总至存储节点。系统工作流程如图2。

图2　系统工作流程图Fig.2 System flow chart

该系统触发节点和中继节点仅基于CC2530开发板构成，实现简单的系统触发及信号中继功能。采集节点和存储节点基于ARM开发板和CC2530开发板构成，实现数据的采集和存储功能，是系统的主要功能实现部分。

4　系统设计

4.1硬件设计

传统的ZigBee无线传感网数据采集通常适用于很低速的环境(几秒钟至几十秒上传一个数据)[5-6]，基于51内核的处理器CC2530即可实现采集数据实时上传，但难以满足隧道气压波的测量需求，本文参考了其无线通信功能，同时参考了传统的基于ARM的数据采集系统设计[7-8]、数据存储系统设计[9]，采用了结构化、模块化的思想，结合实际测量需求完成了整个数据采集系统的硬件设计。

不同类节点的硬件组成均包含CC2530开发板[10]作为无线传输模块，但由于要实现的功能不同，硬件结构也有差异。触发节点由CC2530开发板和超声波传感器模块构成。中继节点仅需CC2530开发板即可实现。采集节点实现数据采集功能及少量数据存储，需要基于ARM7处理器LPC2214设计数据采集电路，并设计相关接口电路实现程序调试、串口通信等功能，LPC2214含256KB片内Flash，其中248kB的Flash可供用户程序使用[11]，单个节点产生的总数据量最大约116.3kB，但考虑到程序所占用的空间消耗，为避免存储空间不足，外加一片128kB的EEPROM芯片SST29EE010以避免数据丢失。选择动态响应特性较高的kuliteLL-250压力传感器，以实现对隧道内和隧道口外的微压波的精确测量[12-13]。其硬件总体结构如图3所示。存储节点的硬件结构与采集节点相似，只需将128KB的EEPROM芯片换成32M的三星NANDFLASH芯片K9F5608UOC即可。

图3　采集节点硬件总体结构框图Fig.3 Acquisition node hardware architecture diagram

4.2软件设计

当触发节点检测范围内出现列车，广播发送包含预设采样时间和采样方式的触发控制消息，当触发节点接收到触发命令 (出口处触发节点收到入口处触发节点发送过来的触发控制消息)后，不再检测列车，以避免列车出隧道时出口处触发节点再次广播发送触发消息，造成广播风暴[14]。

采集节点及存储节点中无线传输模块的软件设计相同，当串口接到信息则无线传出，当天线接到信息则从串口传出。各采集节点采集完成后，向存储节点发送允许上传请求，若得到允许上传响应，则将数据上传，否则隔15s后重新发送允许上传请求，存储节点连续接收完一个采集节点的数据后，才会再发出一个新的允许上传响应，以避免多节点同时发送数据导致网络拥堵。

采集节点中，当ARM板串口接收到消息，进行分析处理，若为触发控制命令，取出控制消息中的控制参数，按指定方式完成采样后，通过串口传输请求上传数据消息，若串口接收到存储节点响应(允许上传数据消息)，则LPC2214从存储区读出数据，通过串口传给CC2530后将数据无线发送到存储节点[15]。

存储节点中，当ARM板串口接收到消息，进行分析处理，若为上传请求(内含请求上传的数据量大小)，且目前无其他节点在上传数据，则向发出请求的节点发送允许传输响应建立数据传输，此期间不再响应其他节点的上传请求。

5　结论

1)将ZigBee无线传感器技术应用于隧道空气动力学实车试验的压力波数据采集，针对试验过程中在隧道内取电困难、布线繁杂等问题，构建了电池供电的无线节点，各节点之间无线组网，可以节省大量人力物力。

2)该无线数据采集系统利用超声波传感器检测技术，监测到列车经过时，通过ZigBee网络无线传输启动采集的控制命令，各采集节点同时开始采集数据，避免了测量过程中人为因素导致的测量误差。

3)与传统基于ZigBee无线传感网络的数据采集系统相比，该系统可以实现更高的采样速率。传统基于ZigBee的数据采集系统通常几秒或几分钟采集一个数据，该采集系统结合实际应用背景改变了实时传输的策略，采集过程中暂存数据，待采集过程结束后依次上传数据，避免了恶劣环境下的低网络传输速率对采样率的限制，避免丢包，其设计与实现可为基于ZigBee无线传感网络的较高速率的数据采集系统的开发提供通用、完整的解决方案。

4)对一些关键模块利用计算机仿真软件做了必要的仿真，并在实验室内利用五个无线节点对该系统进行了功能验证，证明了本系统的正确性，然而在实际测量应用前，尚需采用更多节点于隧道内进行实测检验。

[1] 赵晶.高速列车通过隧道时气动影响研究[D]. 成都:西南交通大学, 2011.

ZHAOJing.Astudyonaerodynamicinfluenceofhigh-speedtrainspassingtunnels[D].Chengdu:SouthwestJiaotongUniversity, 2011.

[2] 李人宪, 袁磊.高速列车通过隧道时的压力波动问题[J].机械工程学报, 2014, 50(24):115-121.

LIRenxian,YUANLei.Pressurewavesintunnelswhenhigh-speedtrainpassingthrough[J].ChineseJournalofMechanicalEngineering, 2014, 50(24):115-121.

[3] 王英学, 高波, 郑长青, 等.高速列车进入隧道产生的微气压波实验研究[J].实验流体力学, 2006, 20(1):5-8.

WANGYingxue,GAOBo,ZHENGChangqing,etal.Micro-compressionwavemodelexperimentonthehigh-speedtrainenteringtunnel[J].JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2006, 20(01):5-8.

[4]Kuang-YowLian,Sung-JungHsiao,Wen-TsaiSung.Intelligentmulti-sensorcontrolsystembasedoninnovativetechnologyintegrationviaZigBeeandWi-Finetworks[J] .Journalofnetworkandcomputerapplications, 2013, 36(2):756-767

[5] 张芸薇. 基于ZigBee无线传感网数据采集的设计与实现[D]. 大连: 大连理工大学, 2007.

ZHANGYunwei.DesignandimplementationofdataacquisitionforwirelesssensornetworksbasedonZigBee[D].Dalian:UniversityofTechnology, 2007.

[6] 陈学川. 基于ZigBee技术的无线粮情监测系统平台的设计与实现[D]. 北京:北京邮电大学, 2009.CHENXuechuan.DesignofwirelessnetworksystemofgrainstoragemeasurementonZigBeetechnology[D].Beijing:BeijingUniversityofPostsandTelecommunications, 2009.

[7] 陈鼐. 基于ARM的嵌入式数据采集与处理系统[D]. 南京:南京航空航天大学, 2007.

CHENNai.EmbeddeddataacquisitionandprocessingsystembasedonARM[D].Nanjing:NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics, 2007.

[8]缪亚林, 缪相林, 卞正中, 等.基于ARM7处理器LPC2104的嵌入式数据采集系统[J].计算机工程与应用, 2005, 41(28):104-113.

MIAOYalin,MIAOXianglin,BIANZhengzhong,etal.GeneralembeddeddataacquisitionbasedonARM7LPC2104processor[J].ComputerEngineeringandApplications, 2005(28):104-113.

[9] 杨忻恺, 张为公, 于兵.基于ARM的实验数据海量存储系统的设计[J].微计算机信息, 2009, 25(6-2):206-207.

YANGXinkai,ZHANGWeigong,YUBing.DesignofmassstoragesystemforexperimentalmetadatabasedonARM[J].MicrocomputerInformation, 2009, 25(6-2):206-207.

[10]DrewGislason.ZigBeewirelessnetworking[M].Burlington:Newnes, 2008.

[11] 周立功,张华.深入浅出ARM7[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2006.

ZHOULigong,ZHANGHua.ExplainingtheARM7 [M].Beijing:BeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsPress, 2006.

[12] 杨志刚, 谭晓明, 梁习锋, 等.高速列车过隧气压爆波的声学特征与传感器选型[J].中南大学学报(自然科学版), 2014, 45(4):1329-1333.

YANGZhigang,TANXiaoming,LIANGXifeng,etal.Acousticalcharacteristicsofmicro-pressurewaveandsensorselection[J].JournalofCentralSouthUniversity(NaturalScienceEdition), 2014, 45(4): 1329:1333.

[13] 刘堂红, 田红旗, 金学松. 隧道空气动力学实车试验研究[J].空气动力学学报, 2008, 26(01):42-46.

LIUTanghong,TIANHongqi,JINXuesong.Theresearchofaerodynamicsrealvehicletestintunnel[J].JournalofAerodynamics, 2008, 26(1):42-46.

[14] 牟宝璐, 王兴成.工业控制系统应用组播技术抑制广播风暴[J].测控技术, 2009, 28(08):69-71.

MOUBaolu,WANGXingcheng.Industrialcontrolsystemapplyingmulticasttechnologyinhibitionofbroadcaststorm[J].MeasurementandControlTechnology, 2009, 28(8):69-71.

[15] 周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京: 北京航空航天大学出版社, 2005.

ZHOULigong.ARMembeddedsystembasedtutorial[M].Beijing:BeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsPress, 2005.

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

国家自然科学基金资助项目(61273158)

成庶(1981-)，男，湖南长沙人，讲师，博士，从事电力牵引、传动控制及故诊断研究；E-mail：6409020@qq.com

U25

A

1672-7029(2016)07-1401-06