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

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(zhǎng)沙 410075；2.中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

?

隧道空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)車試驗(yàn)無(wú)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(zhǎng)沙 410075；2.中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

進(jìn)行高速列車過(guò)隧道期間隧道壁面壓力及隧道口微壓波測(cè)量，對(duì)研究分析高速列車過(guò)隧道氣動(dòng)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(dòng)化程度低的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)觸發(fā)、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸及離線存儲(chǔ)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(wú)線傳輸及傳統(tǒng)ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣率過(guò)低的難題?；贏RM7處理器核LPC2214結(jié)合CC2530開(kāi)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(guò)超聲波傳感器檢測(cè)列車經(jīng)過(guò)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觸發(fā)采集，ZigBee無(wú)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(chǔ)，待取回試驗(yàn)設(shè)備后通過(guò)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(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

隧道壓力波；測(cè)量；無(wú)線；ZigBee；ARM

列車高速過(guò)隧道時(shí)，由于隧道壁對(duì)空氣流動(dòng)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?？諝鈮毫Σ〞?huì)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(duì)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(huì)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(huì)對(duì)周遭環(huán)境產(chǎn)生噪聲污染，破壞臨近的建筑物[3]。因此，對(duì)列車通過(guò)隧道氣動(dòng)性能進(jìn)行研究具有重要意義。對(duì)壓力波進(jìn)行測(cè)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(duì)流體計(jì)算模型簡(jiǎn)化提供借鑒，并對(duì)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(cè)量開(kāi)始人工啟動(dòng)采集系統(tǒng)，耗費(fèi)大量人力物力，且測(cè)量過(guò)程中易引入人為因素導(dǎo)致的測(cè)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(wú)線單片機(jī)CC2530的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)超聲波傳感器檢測(cè)火車經(jīng)過(guò)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觸發(fā)，在現(xiàn)場(chǎng)使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)無(wú)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(hào)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(chǔ)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(chǔ)節(jié)點(diǎn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口上傳至上位機(jī)進(jìn)行分析處理。

1　工程概況

我國(guó)絕大部分隧道長(zhǎng)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(kāi)發(fā)：隧道長(zhǎng)度10km，列車通過(guò)隧道速度200km/h，預(yù)期采樣率256sps，列車長(zhǎng)度為600m，車頭距隧道入口50m開(kāi)始測(cè)量，車尾離開(kāi)出口50m結(jié)束測(cè)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(guò)隧道整個(gè)過(guò)程，單個(gè)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量為116.3kB，單測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速率為5.12kb/s，所有測(cè)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(cè)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(wú)線傳輸方案選擇，目前可供選擇的主流無(wú)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(wú)法滿足絕大多數(shù)隧道的測(cè)量工作，Wi-Fi的只能滿足短隧道的測(cè)量需要，而ZigBee可以輕易滿足所有測(cè)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(wú)線傳輸出去，而ZigBee空曠地運(yùn)行Zstack協(xié)議棧后實(shí)際測(cè)試速率通常只有為20～30kbps[4]，加之隧道內(nèi)列車經(jīng)過(guò)期環(huán)境復(fù)雜，速率甚至?xí)?00bps以下，ZigBee可能無(wú)法將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳出。Wi-Fi為星型拓?fù)洌鞴?jié)點(diǎn)通過(guò)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(zhǎng)無(wú)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(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點(diǎn)都可以相連，完全符合測(cè)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(huì)導(dǎo)致幾秒鐘的數(shù)據(jù)丟失，這對(duì)整個(gè)測(cè)量時(shí)間僅為幾秒到幾百秒的測(cè)量任務(wù)是難以容忍的，且Wi-Fi可能會(huì)存在通信死角，ZigBee不會(huì)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(wú)需長(zhǎng)期測(cè)量，不會(huì)出現(xiàn)供電不足。各無(wú)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(huì)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(duì)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(chǔ)的方案。

表1　無(wú)線傳輸方案性能比較表

最后，為系統(tǒng)啟動(dòng)采集選擇合理的自動(dòng)觸發(fā)方案。方案一采用超聲波傳感器等方式，檢測(cè)列車經(jīng)過(guò)，當(dāng)檢測(cè)到列車時(shí)無(wú)線發(fā)送控制命令給其他節(jié)點(diǎn)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集；方案二不設(shè)置專門傳感器檢測(cè)列車是否經(jīng)過(guò)，氣壓傳感器不斷采集數(shù)據(jù)進(jìn)行臨時(shí)存儲(chǔ)，臨時(shí)存儲(chǔ)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(hào)自身的特點(diǎn)判斷是否為有效信號(hào)(比如信號(hào)超過(guò)一定幅值即視為有效信號(hào))，將此后的數(shù)據(jù)和臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，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(jí)可忽略)，隧道入口處的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)有效信號(hào)的時(shí)間比出口處更早，各節(jié)點(diǎn)同時(shí)開(kāi)始采集和結(jié)束采集，會(huì)采集到部分無(wú)效數(shù)據(jù)。但是，方案二會(huì)使得采集系統(tǒng)對(duì)所采信號(hào)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(lái)，需要各采集節(jié)點(diǎn)的時(shí)間達(dá)到同步，增加了軟件開(kāi)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(wú)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(lái)判斷列車是否經(jīng)過(guò)并發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，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(chǔ)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(guò)觀測(cè)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(wú)線信號(hào)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(cè)到列車逼近，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸啟動(dòng)采集控制命令，各節(jié)點(diǎn)開(kāi)始采集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，采集指定時(shí)間長(zhǎng)度后結(jié)束采集，依次將采集數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送匯總至存儲(chǔ)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(kāi)發(fā)板構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)觸發(fā)及信號(hào)中繼功能。采集節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)基于ARM開(kāi)發(fā)板和CC2530開(kāi)發(fā)板構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)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(wú)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(cè)量需求，本文參考了其無(wú)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(chǔ)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(cè)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(kāi)發(fā)板[10]作為無(wú)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(kāi)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(kāi)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(chǔ)，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(chǔ)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(dòng)態(tài)響應(yīng)特性較高的kuliteLL-250壓力傳感器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)和隧道口外的微壓波的精確測(cè)量[12-13]。其硬件總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。存儲(chǔ)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(cè)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(guò)來(lái)的觸發(fā)控制消息)后，不再檢測(cè)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(chǔ)節(jié)點(diǎn)中無(wú)線傳輸模塊的軟件設(shè)計(jì)相同，當(dāng)串口接到信息則無(wú)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(chǔ)節(jié)點(diǎn)發(fā)送允許上傳請(qǐng)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(qǐng)求，存儲(chǔ)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(huì)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(guò)串口傳輸請(qǐng)求上傳數(shù)據(jù)消息，若串口接收到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)響應(yīng)(允許上傳數(shù)據(jù)消息)，則LPC2214從存儲(chǔ)區(qū)讀出數(shù)據(jù)，通過(guò)串口傳給CC2530后將數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送到存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)[15]。

存儲(chǔ)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(qǐng)求(內(nèi)含請(qǐng)求上傳的數(shù)據(jù)量大小)，且目前無(wú)其他節(jié)點(diǎn)在上傳數(shù)據(jù)，則向發(fā)出請(qǐng)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(qǐng)求。

5　結(jié)論

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

2)該無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用超聲波傳感器檢測(cè)技術(shù)，監(jiān)測(cè)到列車經(jīng)過(guò)時(shí)，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳輸啟動(dòng)采集的控制命令，各采集節(jié)點(diǎn)同時(shí)開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，避免了測(cè)量過(guò)程中人為因素導(dǎo)致的測(cè)量誤差。

3)與傳統(tǒng)基于ZigBee無(wú)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^(guò)程中暫存數(shù)據(jù)，待采集過(guò)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(duì)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(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的較高速率的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供通用、完整的解決方案。

4)對(duì)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(wú)線節(jié)點(diǎn)對(duì)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(cè)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(cè)檢驗(yàn)。

[1] 趙晶.高速列車通過(guò)隧道時(shí)氣動(dòng)影響研究[D]. 成都:西南交通大學(xué), 2011.

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

[2] 李人憲, 袁磊.高速列車通過(guò)隧道時(shí)的壓力波動(dòng)問(wèn)題[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2014, 50(24):115-121.

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

[3] 王英學(xué), 高波, 鄭長(zhǎng)青, 等.高速列車進(jìn)入隧道產(chǎn)生的微氣壓波實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 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] 張蕓薇. 基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2007.

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

[6] 陳學(xué)川. 基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 北京:北京郵電大學(xué), 2009.CHENXuechuan.DesignofwirelessnetworksystemofgrainstoragemeasurementonZigBeetechnology[D].Beijing:BeijingUniversityofPostsandTelecommunications, 2009.

[7] 陳鼐. 基于ARM的嵌入式數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)[D]. 南京:南京航空航天大學(xué), 2007.

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

[8]繆亞林, 繆相林, 卞正中, 等.基于ARM7處理器LPC2104的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用, 2005, 41(28):104-113.

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

[9] 楊忻愷, 張為公, 于兵.基于ARM的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)海量存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)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,張華.深入淺出ARM7[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2006.

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

[12] 楊志剛, 譚曉明, 梁習(xí)鋒, 等.高速列車過(guò)隧氣壓爆波的聲學(xué)特征與傳感器選型[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014, 45(4):1329-1333.

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

[13] 劉堂紅, 田紅旗, 金學(xué)松. 隧道空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)車試驗(yàn)研究[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 26(01):42-46.

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

[14] 牟寶璐, 王興成.工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用組播技術(shù)抑制廣播風(fēng)暴[J].測(cè)控技術(shù), 2009, 28(08):69-71.

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

[15] 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京: 北京航空航天大學(xué)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

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61273158)

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

U25

A

1672-7029(2016)07-1401-06