一种高精度的区域内多点风速风向测量系统的制作方法

本实用新型涉及一种区域内多点风速风向测量系统，属于电子测量与气象计量技术领域。

背景技术：

目前小型气象站中的测风装置多以风杯式测风仪最为常见，这种机械装置价格低，原理简单，适合测量较大的风速。在野外测量中，这种机械式测风装置很容易受到雨水、冰冻、沙尘的影响，且长时间使用之后，机械结构会老化，传动部分会严重磨损，摩擦阻力会增大，从而导致装置的机械转速与风速之间的比例函数关系发生改变，最终影响测量精度。近十几年来，超声波测量技术取得明显进步，超声波测风是超声波测量技术在气体介质中的一种新的应用，超声波测风仪和传统测风仪相比，其自身无活动部件，属于无惯性测量，它具有反应速度快，精度高等优点。目前市场上的超声波测风装置多为国外进口，但是单个价格普通高昂，成本较高，且都是仅作为单个独立固定的测量系统来使用的，是无法综合测量某块区域内整体的风场情况，例如需要综合测量某块实验性农田、生态渔场或机场的整个区域的风场。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种结构简单，成本低，可综合测量某块区域内整体的风场情况的高精度的区域内多点风速风向测量系统；进一步地，本实用新型提供一种节约能源的，可以用太阳能供电的高精度的区域内多点风速风向测量系统。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种高精度的区域内多点风速风向测量系统，包括在待测区域中心和边缘设置的若干测风点，所述测风点上均设置有室外测风装置，所述室外测风装置包括在二维空间上正交收发一体的超声波传感器，所述超声波传感器与发射与接收切换电路通讯连接，所述发射与接收切换电路与第一微控制器模块通讯连接，所述第一微控制器模块的输出端分别与发射驱动电路模块的输入端和接收电路的输入端相连，所述发射驱动电路模块的输出端与所述发射与接收切换电路的输入端相连，所述发射与接收切换电路的输出端与所述接收电路的输入端相连，所述接收电路的输出端与信号处理模块的输入端相连，所述信号处理模块的输出端与所述第一微控制器模块的输入端相连，所述第一微控制器模块还与信息传输模块通讯连接，所述信息传输模块与室内接收装置相连，所述室内接收装置与上位机相连；所述第一微控制器模块与第一电源模块相连。

所述室内接收装置包括与所述信息传输模块通讯连接的无线接收模块和与所述第一微控制器模块通讯连接的第二微控制器模块，所述第二微控制器模块分别与JTAG模块、串行通信模块、储存模块、所述无线接收模块和显示模块通讯连接；所述第二微控制器模块与第二电源模块相连。

所述第一微控制器模块位于室外，温度监测模块的输出端与所述第一微控制器模块的输入端相连，所述第一微控制器模块的输出端与加热电路的输入端相连。

所述第一微控制器模块与太阳能模块相连。

所述储存模块为SD卡数据储存模块。

所述串行通信模块为UART串行通信模块，所述UART串行通信模块采用RS232接口模式。

所述显示模块为TFT液晶显示模块。

所述信息传输模块包括与所述第一微控制器模块通讯连接的无线发射模块和所述无线接收模块，所述无线发射模块和无线接收模块均为SIM928A模块，所述SIM928A模块包括GPRS传输模块和GPS定位模块。

所述第一微控制器模块和第二微控制器模块的控制芯片为STM32F407ZGT6。

二维空间上正交的意思是，在水平面上，在直角坐标系X、Y轴，在两个轴的两端，各放一个超声波探头，一共是四个探头。

第一微控制器模块内部设置有定时器，定时器为第一微控制器模块内部模块，芯片内部组成部分。

本实用新型以基于Cortex-M4内核的STM32微处理器(即第一微控制器模块和第二微控制器模块)为硬件核心，利用两对在二维空间上正交收发一体的超声波传感器的正向传播与反向传播之间的时间差来计算超声波传播方向上的风速，并联合多点测量，组成一个蜂窝式区域测量点，然后通过室内接收装置显示存储，最后通过上位机远程实时动态动画显示测量结果。

本实用新型的有益效果如下：

1.本实用新型结构简单，在保证结构稳定的同时，减少了仪器本身结构对风场的影响，使超声波传感器能够稳定接收到信号；

2.本实用新型各测风点都可以显示出经纬度和温度，并在控制终端(即上位机)区域地图上实时动态显示出来，使用户更加客观的观测到数据；

3.本实用新型可以综合测量出整块区域的风场情况，避免了仅使用单个测风仪工作时会出现故障和其它自然因素导致的较大误差。

4.本实用新型通过无线传输方式测量区域各点，避免了在待测区域内各种信号线和电源线错综交叉以及挖土开槽埋线等繁琐工序。

5.本实用新型测得的风速风向数据既可以通过接收端液晶显示屏显示出来，也可以通过上位机进行动态显示和数据处理，让使用者可以实时观测到当前区域各点测得的风速风向数据和历史数据；

6.本实用新型的室内接收装置可以独立使用，使用者可以随身携带工作。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型中室外测风装置的结构示意图；

图3为本实用新型中室内接收装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。

如图1～图3所示，一种高精度的区域内多点风速风向测量系统，包括在待测区域2中心和边缘设置的若干测风点，所述测风点上均设置有室外测风装置1，所述室外测风装置1包括在二维空间上正交收发一体的超声波传感器，所述超声波传感器与发射与接收切换电路通讯连接，所述发射与接收切换电路与第一微控制器模块通讯连接，所述第一微控制器模块的输出端分别与发射驱动电路模块的输入端和接收电路的输入端相连，所述发射驱动电路模块的输出端与所述发射与接收切换电路的输入端相连，所述发射与接收切换电路的输出端与所述接收电路的输入端相连，所述接收电路的输出端与信号处理模块的输入端相连，所述信号处理模块的输出端与所述第一微控制器模块的输入端相连，所述第一微控制器模块还与信息传输模块3通讯连接，所述信息传输模块3与室内接收装置4相连，所述室内接收装置4与上位机5相连；所述第一微控制器模块与第一电源模块相连。所述室内接收装置4包括与所述信息传输模块3通讯连接的无线接收模块和与所述第一微控制器模块通讯连接的第二微控制器模块，所述第二微控制器模块分别与JTAG模块、串行通信模块、储存模块、所述无线接收模块和显示模块通讯连接；所述第二微控制器模块与第二电源模块相连。

所述第一微控制器模块位于室外，温度监测模块的输出端与所述第一微控制器模块的输入端相连，所述第一微控制器模块的输出端与加热电路的输入端相连。

所述第一微控制器模块与太阳能模块相连。

所述储存模块为SD卡数据储存模块。

所述串行通信模块为UART串行通信模块，所述UART串行通信模块采用RS232接口模式。

所述显示模块为TFT液晶显示模块。

所述信息传输模块3包括与所述第一微控制器模块通讯连接的无线发射模块和所述无线接收模块，所述无线发射模块和无线接收模块均为SIM928A模块，所述SIM928A模块包括GPRS传输模块和GPS定位模块。

所述第一微控制器模块和第二微控制器模块的控制芯片为STM32F407ZGT6。

本实用新型用于发出各种控制指令的中央处理单元(即第一微控制器模块和第二微控制器模块)为ST公司的STM32F407ZGT6芯片，该芯片采用Cortex-M4内核，运行频率可高达168MHZ，新增了硬件FPU单元以及DSP指令。这是一块比较经典的性价比较高的芯片，同时它拥有较多的经典配套的电路，可以提高电路的集成度，降低系统整体的设计成本，且后期便于升级，内部资源能较好满足本实用新型的要求。

本实用新型室外每一个测量点同时工作，各自独立处理测量到的数据，通过各自的无线发射模块发送到室内的接收端，接收端负责储存与显示数据，接收端可以跟上位机串行通信，通过上位机，实时动态动画的显示出各点位置的风速风向。

室外测风装置1，STM32微控制器控制超声波的收发模块，同时开始计时。由STM32微控制器产生200KHZ信号，通过驱动发射驱动电路模块，驱动相应的发射探头发出超声波信号。超声波在空气中传播速度受风速影响，利用超声波的传播特性来测量风速风向，设相对的两个超声波传感器A₁和A₂之间的固定距离为L，超声波的传播速度为C，风在直角坐标2个坐标轴方向上的分量为V_x、V_y。先求沿X轴方向的风速，设超声波沿X轴顺风传播的时间为t₁₂，逆风时传播的时间为t₂₁,那么就有如下的关系：

(C+V_x)·t₁₂＝L (1)

(C+V_x)·t₂₁＝L (2)

由(1)、(2)可得：

通过上式(3)可以知道，不需要知道超声波的传播速度，只要分别测出该方向上超声波顺风和逆风的到达时间，就可以计算出该方向上的风速，同理可以计算出V_y，最后通过矢量合成就可以得到总的风速。

每个测量点装置配有电子罗盘，在室外测量装置初次安装时可人工校对安放的方向(以北方为基准)，故在测量出两个方向上的风速之后，可通过风向角公式计算出在直角坐标系上的方向。同时本实用新型增加了温度测量与温度补偿模块(即加热电路)。因为超声波的传播速度依赖于空气的绝对温度，当大气气压和空气湿度比较低时，超声波的传播速度C和温度T的对应关系可以表示为：

式(4)中的C为计算得到的超声波传播速度。本实用新型为避免温度对测量结果造成较大的误差，可以计算出该区域的虚温，并对虚温进行补偿。在补偿的同时可以检测当时环境的温度值。

本实用新型室外测风装置1的信号处理模块对从超声波传感器接收到的信号进行放大滤波及数模转换，然后把数字信号输入到主控芯片(即第一微控制器模块)的内存，得出时间差，最后得到风速风向值。

本实用新型室外测风装置1的供电模块，室外测风装置1采用了太阳能供电加备用电池的供电方式。当阳光不足时，系统可以自动检测启用备用电池(即第一电源模块)，太阳能板安装在每个测量装置的下方地面上，用混凝土浇筑固定，太阳能可以给备用电池充电。

本实用新型的信息传输模块3采用SIM928A，该模块同时具备GPRS传输和GPS定位两个功能，可节约成本，实时传输到接收端，连接到上位机5可以较为清晰的标定出各个经纬度的坐标。SIM928A的串口TTL电压与STM32芯片的电压不同，为防止压差过大损坏器件，在串口连线之间串入两个500Ω的电阻。需要提供2A的电流，才能保证SIM928A稳定工作，为降低电源的电压的掉电程度，在模块电源处接入一个1000μF的滤波电容。

本实用新型室外测风装置1为了有更好的数据处理精度，采用TI公司的ADS807芯片，它是一个高速的，12位通道的数模转换器。

室内接收装置4采用外部12V的电源输入供电。SD卡数据储存模块采用32G容量的SD卡，工作电压为3.3V，SD卡的DAT3引脚接10KΩ的上拉电阻，使卡进入SD工作模式，在接工作电压处接一个0.1μF的滤波电容。

室内接收装置4上的显示模块选用内嵌RM68042驱动芯片的TFT液晶模块，大小为3.5寸，分辨率为480*320，工作电压为3.3V，PWM1连接主控芯片的PC13引脚，PWM2和DS1805相连以达到控制液晶模块背光的效果，SCL与主控芯片的PB6引脚相连，SDA与主控芯片的PB7引脚相连，最后显示模块的16位数据线连接到STM32微控制器的通用I/O口。

室内接收装置4采用RS232接口输出到上位机5，RS232串口通信相比于其他通信模式，具有配置简单，短距离时精确度高等特点，只需要一根三芯电缆线就可以和具有RS232接口的上位机设备进行通信。室内接收装置4的主控芯片需要对RS232电压进行转换，转换芯片采用MAX232，外部再连接5个0.1μF的电容。RS232作为串口通信与上位机通信，UART-TX和UART-RX分别和主控芯片(即第二微控制器模块)的通信端RXD和TXD相连，然后由上位机5向室内接收装置4发送读取数据的命令，上位机5对风速风向温度经纬度数据进行实时动态显示，各点坐标，风速风向和温度通过图标和数字两种方式显示，同时采用SD卡对数据进行方便的存储和移动。

本实用新型工作过程如下：首先通过STM32微控制器模块(即第一微控制器模块)控制超声波收发模块(即发射与接收切换电路)，由STM32微控制器(即第一微控制器模块)产生200KHZ信号，开始进行计时，通过发射驱动电路模块，驱动相应的超声波传感器发射探头，发出超声波信号，通过发射和接收到相应的信号后进入信号处理模块，放大滤波信号后，四阶带通滤波器去除噪声的干扰，然后经过峰值检测得到检测信号，并将信号返回到处理器(即第一微控制器模块)进行AD采样以及数据处理，得到超声波在不同路径上的时间，进而求出风速风向值。第一微控制器模块通过SIM928A将数据发送至室内接收装置4，室内接收装置4通过RS232连接到上位机5上，上位机5进行数字加图像标注的方式进行实时动态显示。这样使用者就可以实时观测到一块区域内各点风场数据。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。