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1、热敏式近地表无线风速廓线仪研究 刘海洋 常佳丽 侯占峰 陈智 宣传忠 商晓彬 内蒙古农业大学机电工程学院 摘 要： 针对常用风速廓线仪线路连接复杂、体积和功耗大、测量精度与自动化程度低且无法实现数据的实时记录与处理, 致使研究退化草地近地表风速变化规律、地表粗糙度及其抗风蚀能力等诸多困难等问题, 基于热敏电阻和无线传感网络技术, 设计了具有体积小、功耗低、测量精度高的热敏式风速传感器和具有自动风向识别与无线数据传输功能的近地表风速廓线仪, 实现了环境温度、湿度、大气压力、近地表风速等数据的自动采集、无线传输和实时处理等功能。试验表明:该风速廓线仪的旋转启动风速为 3.7 m/s, 风速测量范围
2、为 016 m/s, 精度不低于 0.3 m/s, 最大响应时间为 3 s, 一次充电可连续工作 7 h 以上, 能够准确反映近地表风速随高度的变化规律, 风速廓线的指数拟合度在 0.9 以上;软件系统可实现对最多 6 个风速廓线测点的循环自动采集与处理, 在射频功率最大、空中传输速率为 2.4 kb/s 时, 35 字节的数据包有效传输距离不低于 500 m, 6 个节点完成一次数据传输所需时间不超过 10 s。该系统具有功耗低、使用方便、操作简单、自动数据采集等优点, 能够满足近地表风速变化规律的研究需要。关键词： 风速廓线仪; 热敏电阻; 自动采集; 无线传输; 实时数据处理; 作者简介
3、：刘海洋 (1985) , 男, 讲师, 博士, 主要从事测试控制技术与装备智能化研究, E-mail:作者简介：侯占峰 (1980) , 男, 副教授, 主要从事测试控制技术与装备智能化研究, E-mail:njau-收稿日期：2017-04-25基金：国家自然科学基金项目 (41361058、41661058) Investigation on Near-surface Wireless Wind Speed Profiler Based on ThermistorsLIU Haiyang CHANG Jiali HOU Zhanfeng CHEN Zhi XUAN Chuanzhong
4、SHANG Xiaobin College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University; Abstract： Currently, wind speed profilers in common use have many problems, such as complex wiring, large volume, high power consumption, low measurement accuracy and automation level. They are al
5、so unable to achieve the real time recording and data processing. These bring many difficulties to study the variation law of near surface wind velocity, terrain roughness and its ability to resist wind erosion of degraded grassland. A thermal wind speed sensor which had small volume, low power cons
6、umption, high precision measurement was developed, and a near-surface velocity profiler with functions of automatic wind-direction recognition and wireless data transmission was designed, which can realize data automatic collection, wireless transmission and real-time data processing of environmenta
7、l temperature, humidity, atmospheric pressure and near-surface wind speeds. Experiment results showed that the rotating start-up wind speed of the profiler was 3. 7 m/s, and the measurement range of the wind sensor whose maximum response time was no more than 3 s was 0 16 m/s with accuracy not less
8、than 0. 3 m/s. It can work continuously more than 7 h with one time charge, reflecting the change rule of the near-surface wind speed in height accurately with goodness of fitting of wind speed profiles above 0. 9. The system can circularly scan up to six testing points, automatic collect and proces
9、s wind speed data. The length of data packet was 35 bytes, the effective transmission distance can reach 500 m and the data transfer time for six testing points was less than 10 s under the conditions of 2. 4 kb/s transfer rate and maximum transmitting power. The system had advantages of low power c
10、onsumption, easy to use, simple operation, automatic data acquisition, which can satisfy the needs of studying the change rule of near-surface wind speed.Keyword： wind profiler; thermistor; automatic acquisition; wireless transmission; real-time data processing; Received： 2017-04-25引言在土壤风蚀研究中, 风速廓线仪
11、作为一种方便、快捷地测量近地表风速随高度变化规律的仪器得到了广泛的应用和发展, 然而由于风速传感器的体积、功耗及特殊的测量环境等因素导致其研究进展相对缓慢。美国国家海洋大气局 (NOAA) 分别于 1980 年和 1989 年通过布设 6 部和 32 部风速廓线仪组建了风速廓线实验网1-2;芬兰维萨拉公司和 NOAA 联合研制了LAP-3000 型风廓线仪系统, 可提供连续的边界层大气数据, 并生成风场的廓线图3;德国 SCINTEC 公司研制的 SFAS 系列风廓线仪用来对 500 m 以下低层大气的风向、风速和扰动进行远程测量2;2003 年, 日本建立了一个由 31 部风速廓线仪组成的风
12、速廓线观测网2;2004 年, 中电集团十四所研制生产了对流层型风廓线仪2,4。然而, 上述几种风速廓线仪主要用于高空气象方面的研究, 无法满足土壤风蚀研究的需求。2003 年, 中科院寒区旱区环境与工程研究所采用风杯式风速传感器组设计了可实现 9 路风速、风向自动采集的风速廓线仪2,5-6;2004 年, 内蒙古农业大学以皮托管为敏感元件研制了满足风洞近地表风速廓线同步采集的风速廓线仪3,5,7。但实验发现:风杯式传感器在强风作用下误差较大, 且在风沙环境中易发生卡滞现象;皮托管由于气压的沿程损失和堵塞等现象, 影响了风速的测量精度;有线连接还造成线路连接复杂、易出现折弯和折断等问题。201
13、2 年, 内蒙古农业大学采用无线传感网络技术成功设计了 RW-64 型热膜式无线风速廓线仪2,8, 但其热敏元件功耗过高且不具备温度自动补偿功能, 受环境温度影响较大;另外, 缺少风向自动校准装置, 导致风速测量不准确。针对上述问题, 本文集成单片机控制系统、温湿度传感器、大气压力传感器、无线数据传输模块和 8 路风速传感器, 设计一种近地表无线风速廓线仪及其测试系统, 以实现最多 6 个测点的环境温湿度、大气压力及近地表 8 路风速数据的循环采集、无线传输和实时处理, 并绘制各测点处的近地表风速廓线图等。1 系统总体设计该系统采用星形网络拓扑结构设计, 主要由数据采集节点、中心汇聚节点和数据
14、处理软件 3 部分组成。数据采集节点由温湿度传感器、大气压力传感器、FS5热敏探头、信号采集处理电路、单片机控制模块和无线数据传输模块等 6 部分组成8-10。系统总体结构如图 1 所示11-12。其中, FS5 是一种具有体积小、测量精度高且功耗极低的薄膜流量传感器敏感元件, 由 2 个铂电阻 RH 和 RS 组成, RH (45) 被用作加热元件, 用来测量流体速度, RS (1 300) 为热敏元件, 用来测量环境温度, 并对传感器进行温度补偿。FS5 热敏元件和信号采集处理电路组成的热敏式风速传感器, 采用恒温式测量方法对环境风速进行采集;8 路风速传感器分别被安装在不同的高度上, 以
15、实现近地表风速数据的采集, 其电压输出端分别连接到模拟数据选择器的 8个输入端。单片机控制系统集成了一个由 16 位 AD 转换器 LCT1864 和模拟数据选择器 CD4051 组成的模数转换电路, 实现 8 通道风速信号的循环采集;同时完成控制指令的接收和传感器组的数据读取、处理、打包与发送等功能。无线数据传输模块包括分别与 PC 机和单片机相连的收发模块, 主要完成无线链路的建立、数据和指令的无线传输、数据包的 CRC 校验等功能。上位机软件实现参数配置、控制指令和数据包的发送与接收、数据的实时处理、显示与存储等。图 1 系统总体结构 Fig.1 Overall structure of
16、 system 下载原图2 系统硬件设计系统硬件设计主要包括楔形风速廓线仪结构设计、热敏式风速传感器设计和无线数据采集器设计 3 部分。2.1 风速廓线仪结构设计风速廓线仪整体结构采用 Solidworks 2010 软件设计制作, 主要由楔形外壳、底盘、导向板、旋转机构、风速传感器探头和双切边双轴承组成, 其内部结构及实物如图 2 所示3,8。图 2 风速廓线仪 Fig.2 Structure charts of wind speed profiler 下载原图1.电源开关 2.充电口 3.大容量锂电池 4.廓线仪外壳 5.电压转换模块 6.无线发送模块 7.天线 8.风向标 9.热膜传感器 10.传感器探头 11.轴承端盖 12.集流环13.双切边双轴承 14.垫片 15.带底盘旋转轴风速廓线仪由旋转部分和固定底座组成, 两者间通过旋转轴和双切边双轴承互相连接。整体采用铝合金材料制成, 楔形结构高约 70 cm,
