一种基于Zigbee网络的方向自校准超声波测风系统及方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于Zigbee网络的方向自校准超声波测风系统及方法，通过数个基于Zigbee协议的无线传输模块建立起一张基于虚拟机坐标系统的拓扑结构的Zigbee网络，各Zigbee网络节点包括两对超声波探头，每对探头两两相对且两对超声波探头相互交叉垂直设置，通过获取每对探头超声波的传播时间以及两个探头的间距，计算获得两个分方向上的风速度；对两个方向上的风速矢量合成得到自然风的速度与方向；通过电子罗盘获得Zigbee网络节点的摆放位置与地磁北极的偏角得到自然风的实际方向。
【专利说明】-种基于Zigbee网络的方向自校准超声波测风系统及方 法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种超声测风系统，尤其是涉及一种基于Zigbee网络的方向自校准 超声波测风系统及方法。
【背景技术】
[0002] 目前，现有的风速风向仪主要包括机械式风速风向仪、热敏式风速风向仪以及超 声波风向仪等。机械式风速风向仪存在机械转动部件，对测量环境要求高，在沙尘、低温、结 冰等环境中无法正常工作，并且存在活动部件，易磨损，寿命短。受机械结构及测量原理的 限制，机械式风速风向仪的测量精度低。
[0003] 热敏式风速风向仪的基本原理是将置于气流中的物体加热到一定温度，通过计算 物体热量损失计算风速。热敏式风速风向仪受环境温度变化影响大，只适用于温度变化慢 的低风速测量，实际应用较少。
[0004] 超声波风速风向仪不存在活动的机械部件，对恶劣测量环境适应性强。但现有的 超声波风速风向仪在测量风速时需要考虑气候环境对超声波传播速度的影响，需要手动校 准方向，且单节点独自工作，不能准确测量所需区域的风速风向。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于Zigbee网络的方向自校准超声波测风系统及方 法，以便对监测区域的风速风向进行实时、准确测量。
[0006] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] 一种基于Zigbee网络的方向自校准超声波测风方法，通过数个基于Zigbee协议 的无线传输模块建立起一张基于虚拟机坐标系统拓扑结构的Zigbee网络，各Zigbee网络 节点包括两对超声波探头，每对探头两两相对且两对超声波探头相互交叉垂直设置，通过 获取每对探头超声波的传播时间以及两个探头的间距，计算获得两个分方向上的风速度； 对两个方向上的风速矢量合成得到自然风的速度与方向；通过电子罗盘获得Zigbee网络 节点的摆放位置与地磁北极的偏角得到自然风的实际方向。
[0008] 作为本发明的进一步优选方案，计算风速和方向的方法如下：
[0009] 测量一对超声波探头的安装距离L，无风条件时超声波在空气中的传播速度C，超 声波在顺风时的传播速度和逆风时的传播速度，得到顺风时和逆风时超声波的传播时间差
【权利要求】
1. 一种基于Zigbee网络的方向自校准超声波测风方法，其特征在于；通过数个基于 Zigbee协议的无线传输模块建立起一张基于虚拟机坐标系统拓扑结构的Zigbee网络，各 Zigbee网络节点包括两对超声波探头，每对探头两两相对且两对超声波探头相互交叉垂 直设置，通过获取每对探头超声波的传播时间W及两个探头的间距，计算获得两个分方向 上的风速度；对两个方向上的风速矢量合成得到自然风的速度与方向；通过电子罗盘获得 Zigbee网络节点的摆放位置与地磁北极的偏角得到自然风的实际方向。
2. 根据权利要求1所述的超声波测风方法，其特征在于计算风速和方向的方法如下： 测量一对超声波探头的安装距离以无风条件时超声波在空气中的传播速度C，超声波 在顺风时的传播速度和逆风时的传播速度，得到顺风时和逆风时超声波的传播时间差tl、 t2,通过下式计算得到风速值Vi :
同理得到另一对超声波探头方向上的速度V2,合成两个方向的速度VI，V2即得到实际 风速
与风向角
根据ViV2的正负值，判定出风向角位于哪一个象 限，将0归到W正北方向为零点的0° -360°的区间内，得到风向值。
3. -种基于Zigbee网络的方向自校准超声波测风系统，其特征在于：包括若干个基于 Zigbee无线传输模块建立的Zigbee网络，所述的Zigbee网络各节点均包括Zigbee无线传 输模块和单片机，单片机还分别连接有超声探头驱动电路、超声波发射与接收电路、电子罗 盘；各Zigbee网络节点的超声波发射与接收电路均包括两对超声波探头，每对探头两两相 对且两对超声波探头相互交叉垂直设置，通过获取每对探头超声波的传播时间W及两个探 头的间距，计算获得两个分方向上的风速度；通过电子罗盘获得Zigbee网络节点的摆放位 置与地磁北极的偏角得到自然风的实际方向。
4. 根据权利要求3所述的超声波测风系统，其特征在于；所述的Zigbee网络各节点还 包括与单片机连接的温湿度传感器。
5. 根据权利要求3所述的超声波测风系统，其特征在于；所述的Zigbee网络各节点还 包括与单片机连接的串行接口，通过串行接口就地获取节点数据。
6. 根据权利要求3所述的超声波测风系统，其特征在于；所述的Zigbee网络各节点还 包括与单片机连接的液晶显示模块。
7. 根据权利要求3所述的超声波测风系统，其特征在于；所述的Zigbee网络各节点还 包括与单片机连接的无线通信模块，通过无线通信模块将测量到的数据发送到上位机。
【文档编号】G01P5/24GK104391131SQ201410668101
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】郭建中, 李霖, 刘昕, 刘世博 申请人:陕西师范大学