專利名稱：一種風(fēng)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量技術(shù)，具體涉及一種風(fēng)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，農(nóng)村勞力大量向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動力日益緊張。據(jù)袁隆平農(nóng)業(yè)高科技股份有限公司雜交水稻制種一線生產(chǎn)管理人員介紹，目前國內(nèi)制種用工日益緊張，現(xiàn)有參與雜交水稻制種的勞力普遍年齡在50-70歲之間，幾乎無青壯勞力從事制種工作，制種生產(chǎn)勞動力老齡化嚴(yán)重；制種用工成本快速增加(制種用工100-120元/天，每月2700-3000元/月);此外，田間種植管理日益粗放，制種產(chǎn)量和質(zhì)量沒有保障。勞動密集型制種技術(shù)已逐步不能適應(yīng)中國社會和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，亟需實現(xiàn)雜交水稻制種全程機械化。由于雜交水稻每天的開花期較短，一般在10:00 12:00，只有1.5 2h的開花時間；每天需授粉3-4次，且每次授粉作業(yè)要在30min內(nèi)完成，共需連續(xù)輔助授粉10 12天，這對授粉的效率提出了很高的要求。因此，制種輔助授粉是雜交水稻制種中最關(guān)鍵、作業(yè)效率要求最高、勞動強度消耗最大的環(huán)節(jié)之一。將直升飛機等航空飛行器用于雜交水稻制種輔助授粉，是解決雜交水稻制種中輔助授粉的機械化問題的重要途徑之一。雜交稻制種輔助授粉的效果(母本結(jié)實率)、作業(yè)效率及經(jīng)濟效益與直升機等飛行器飛行時產(chǎn)生的風(fēng)速、風(fēng)向和風(fēng)場寬度等參數(shù)密切相關(guān)，迄今，申請人檢索國內(nèi)外相關(guān)文獻幾乎未發(fā)現(xiàn)這方面的研究報道。要了解直升機等飛行器所形成風(fēng)場對雜交水稻輔助授粉的實際效果，必須在稻田中實地測量風(fēng)場在水稻冠層的分布情況，具有如下特殊要求:(I)需要同時測量多個位置點的風(fēng)場數(shù)據(jù)(風(fēng)速、風(fēng)向和風(fēng)場寬度等參數(shù))，風(fēng)速傳感器盡可能覆蓋直升機等飛行器過頂時形成的整個風(fēng)場范圍。(2)需要同時測量單個位置點多個風(fēng)向的數(shù)據(jù)，包括:平行飛行方向的風(fēng)速(Vx)，垂直飛行方向的風(fēng)速(Vy)，垂直于地面的風(fēng)速(Vh)。Vx和Vy可了解直升機等飛行器所形成風(fēng)場對花粉揚起和在空中輸送的影響情況，Vh可了解直升機等飛行器所形成風(fēng)場對水稻植株的損傷情況(通常懸停時風(fēng)速可達15m/s以上，易造成水稻倒伏)。(3)需要風(fēng)場測量系統(tǒng)中的各個傳感器節(jié)點能夠方便地移動，以適應(yīng)不同田塊、不同直升機機型的大量測量試驗的需求。(4)需要實時地把各個風(fēng)速傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)以及直升機過頂時的飛行高度、速度等姿態(tài)數(shù)據(jù)采集后存儲起來。(5)需要在稻田中進行實地測量才能真實反映出直升機等飛行器所形成的風(fēng)場在水稻冠層的分布情況(不同地形對飛行器飛行的地效有較大影響，例如在水泥地仿真測量時，水泥地的反彈氣流與在水稻冠層實地測量的反彈氣流有較大的差異)?，F(xiàn)有技術(shù)中的風(fēng)速測量設(shè)備和方法均無法達到上述的要求。例如:公開號為CN201845205U的實用新型專利公開了一種基于單片機的大規(guī)模風(fēng)場風(fēng)能監(jiān)測裝置，但該裝置只適用于大規(guī)模風(fēng)場風(fēng)能的監(jiān)控；公開號為CN101539763的發(fā)明專利公開了一種風(fēng)場監(jiān)控系統(tǒng)，用于風(fēng)力發(fā)電場中對處于風(fēng)場中的風(fēng)力發(fā)電機組進行監(jiān)控，不能用于實現(xiàn)本發(fā)明所述的風(fēng)場測量目的；公開號為CN101718615A的發(fā)明專利公開了一種移動式無人機農(nóng)用噴灑作業(yè)風(fēng)場測試設(shè)備及測試方法，但該設(shè)備在測試時飛行器固定在特定的臺架上，無法用于田間實際作業(yè)工況下進行風(fēng)場的測量；《測試技術(shù)學(xué)報》期刊文章“一種基于小型無人機的風(fēng)場測量方法”公布了一種小區(qū)域氣象參數(shù)中風(fēng)速風(fēng)向的測量方法，主要用于氣象探測，不能用于實現(xiàn)上述的風(fēng)場測量目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能在野外進行多點、多風(fēng)向、可移動、實時采集數(shù)據(jù)的風(fēng)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)。本發(fā)明實現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案為:一種風(fēng)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)，包括若干風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點、風(fēng)場形成物的狀態(tài)測量模塊以及智能總控匯聚模塊；其中，所述風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點用于提供風(fēng)場內(nèi)特定位置點的多個方向的風(fēng)速值，并通過無線網(wǎng)絡(luò)的方式與智能總控匯聚模塊進行數(shù)據(jù)交換；所述狀態(tài)測量模塊用于測量風(fēng)場形成物的運動姿態(tài)參數(shù)和工況參數(shù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)的方式與智能總控匯聚模塊進行數(shù)據(jù)交換；所述智能總控匯聚模塊用于向風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點和狀態(tài)測量模塊發(fā)送參數(shù)配置及控制指令并接收和存儲來自風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點和狀態(tài)測量模塊的數(shù)據(jù)信
肩、O所述風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點包括無線數(shù)傳模塊、微控制器模塊、供電模塊、風(fēng)速傳感器以及安裝支架；其中，所述無線數(shù)傳模塊用于與智能總控匯聚模塊進行數(shù)據(jù)交換；所述微控制器模塊用于采集風(fēng)速傳感器信號，并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)無線數(shù)傳模塊將風(fēng)速數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄芸偪貐R聚模塊；該微控制器模塊具有外擴Flash存儲器，可在無線數(shù)傳模塊丟失信號時及時保存數(shù)據(jù)；所述安裝支架用于集成安裝上述各個模塊。所述風(fēng)速傳感器是葉輪式或熱線膜式或機械式或畢托管式或超聲波式風(fēng)速傳感器。所述供電模塊是太陽能電池或可充電電池。所述風(fēng)場形成物的狀態(tài)測量模塊包括機上無線數(shù)傳模塊、微控制器模塊、運動姿態(tài)傳感器及工況傳感器；其中，所述機上無線數(shù)傳模塊用于與智能總控匯聚模塊進行數(shù)據(jù)交換；所述微控制器模塊用于采集運動姿態(tài)傳感器及工況傳感器信號，并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)機上無線數(shù)傳模塊將風(fēng)場形成物的運動姿態(tài)參數(shù)和工況參數(shù)傳輸?shù)街悄芸偪貐R聚模塊，該微控制器模塊具有外擴Flash存儲器，可在無線數(shù)傳模塊丟失信號時及時保存數(shù)據(jù)；上述各模塊的電源取自風(fēng)場形成物自帶的電源系統(tǒng)或另配蓄電池。所述運動姿態(tài)傳感器是全球定位系統(tǒng)(GPS)定位傳感器或陀螺儀或航姿參考系統(tǒng)(AHRS)或慣性測量單元(IMU)，用于測量風(fēng)場形成物的運動姿態(tài)參數(shù)，該運動姿態(tài)參數(shù)包括位置、速度、高度、傾角等姿態(tài)信息；所述工況傳感器是工作壓力傳感器或是轉(zhuǎn)速傳感器。所述智能總控匯聚模塊包括總控?zé)o線數(shù)傳模塊和安裝有總控軟件系統(tǒng)的計算機，所述計算機與總控?zé)o線數(shù)傳模塊之間通過數(shù)據(jù)接口進行連接。所述總控軟件系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議棧、系統(tǒng)自檢模塊、數(shù)據(jù)同步采集模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換存儲模塊、數(shù)據(jù)處理分析模塊、風(fēng)場參數(shù)成圖輸出模塊及系統(tǒng)維護模塊組成。所述的無線數(shù)傳模塊或機上無線數(shù)傳模塊或總控?zé)o線數(shù)傳模塊是載頻為433MHz或490MHz或2.4GHz的無線數(shù)據(jù)收發(fā)裝置，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾始肮β士筛鶕?jù)實際應(yīng)用需求進行調(diào)整。所述的風(fēng)場形成物是無人駕駛或有人駕駛的飛行器，或是在作業(yè)過程中能形成風(fēng)場的風(fēng)送式噴霧機、煙霧機、噴桿噴霧機。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提供了一種風(fēng)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)，克服了目前已有技術(shù)不能在野外中進行多點、多風(fēng)向、可移動、實時采集風(fēng)場數(shù)據(jù)的不足，能同時測量多個位置點的風(fēng)場數(shù)據(jù)(風(fēng)速、風(fēng)向和風(fēng)場寬度等參數(shù))，使風(fēng)速傳感器盡可能覆蓋風(fēng)場形成物過頂時形成的整個風(fēng)場范圍；能同時測量單個位置點多個風(fēng)向的數(shù)據(jù)，可精確了解風(fēng)場對花粉揚起和在空中輸送的影響情況；能方便地在野外移動各個傳感器節(jié)點，以適應(yīng)不同田塊、不同被測風(fēng)場形成物的大量測量試驗的需求；能實時地把各個風(fēng)速傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)以及被測風(fēng)場形成物過頂時的飛行高度、速度等姿態(tài)數(shù)據(jù)及工況數(shù)據(jù)采集后存儲起來；能真實反映被測風(fēng)場形成物在實際工作場地中風(fēng)場的分布情況。上述有益效果有助于探明被測風(fēng)場形成物的風(fēng)場相關(guān)參數(shù)，為下一步改進作業(yè)方式及作業(yè)參數(shù)提供理論依據(jù)。例如，準(zhǔn)確掌握直升機等飛行器在輔助授粉作業(yè)時的風(fēng)速、風(fēng)向和風(fēng)場寬度等參數(shù)，有助于決策出較佳的飛行作業(yè)參數(shù)，包括飛行高度、作業(yè)載荷及作業(yè)航向等，為直升機等飛行器輔助授粉技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù)。


圖1為本發(fā)明的風(fēng)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)的總體框架示意圖。圖2為本發(fā)明的風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明的安裝支架的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明的風(fēng)場形成物的狀態(tài)測量模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明的智能總控匯聚模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本發(fā)明的智能總控匯聚模塊中總控軟件系統(tǒng)的功能框架示意圖。圖7為本發(fā)明的風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點在雜交水稻制種輔助授粉田塊中的布置方案示意圖。圖8為本發(fā)明的風(fēng)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)測得的雜交水稻冠層風(fēng)場分布圖。圖9為本發(fā)明的風(fēng)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)測得的直升機飛行航跡及高程圖。圖中:1-風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點；2_狀態(tài)測量模塊；3_智能總控匯聚模塊；4_風(fēng)場形成物；11-無線數(shù)傳模塊；12-微控制器模塊；13-供電模塊；14-風(fēng)速傳感器；15_安裝支架；16-三角支架；17_連接桿；18_連接座；21_機上無線數(shù)傳模塊；22_微控制器模塊；23-運動姿態(tài)傳感器；24_工況傳感器；31_總控?zé)o線數(shù)傳模塊；32_計算機。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進行詳細(xì)的描述。如圖1，為本發(fā)明所述風(fēng)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)的總體框架示意圖，由若干風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點1、風(fēng)場形成物4的狀態(tài)測量模塊2以及智能總控匯聚模塊3組成，被測風(fēng)場形成物4的風(fēng)場通過若干風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點I感知。風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點I盡可能覆蓋被測的整個風(fēng)場范圍，用于提供風(fēng)場內(nèi)特定位置點的多個方向的風(fēng)速值，并通過無線網(wǎng)絡(luò)的方式與智能總控匯聚模塊3進行數(shù)據(jù)交換；風(fēng)場形成物4的狀態(tài)測量模塊2用于測量風(fēng)場形成物4的運動姿態(tài)參數(shù)和工況參數(shù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)的方式與智能總控匯聚模塊3進行數(shù)據(jù)交換；智能總控匯聚模塊3用于向風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點I和風(fēng)場形成物4的狀態(tài)測量模塊2發(fā)送參數(shù)配置及控制指令并接收和存儲來自風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點I和狀態(tài)測量模塊2的數(shù)據(jù)信息。如圖2，為本發(fā)明風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點I的結(jié)構(gòu)示意圖，由無線數(shù)傳模塊11、微控制器模塊12、供電模塊13、風(fēng)速傳感器14以及安裝支架15(見圖3)組成。本實施方式中，風(fēng)速傳感器14采用葉輪式風(fēng)速傳感器，葉輪繞軸以正比于風(fēng)速的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)；微控制器采用低功耗、小封裝C8051F330微處理器(Silicon公司)，負(fù)責(zé)采集X、Y和H三路風(fēng)速傳感器14風(fēng)速信號并轉(zhuǎn)化成風(fēng)速存放于存儲器中或通過無線數(shù)傳模塊11發(fā)送出去，存儲器可在無線數(shù)傳模塊11收發(fā)數(shù)據(jù)失敗等故障時再次通過無線或有線方式從風(fēng)速測量節(jié)點讀出數(shù)據(jù)；無線數(shù)傳模塊11采用載頻490MHz、串口速率9600bps、功率IOOmW,在開闊地?zé)o干擾情況下傳送距離可達1.5km以上；供電模塊13采用聚合物可充電電池供電，在無線數(shù)傳模塊11以20Hz頻率收發(fā)時可持續(xù)工作時間為10h。無線數(shù)傳模塊11用于與智能總控匯聚模塊3進行數(shù)據(jù)交換；微控制器模塊12用于采集風(fēng)速傳感器14信號，并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)無線數(shù)傳模塊11將風(fēng)速數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄芸偪貐R聚模塊3，此外，微控制器模塊12具有外擴Flash存儲器，可在無線數(shù)傳模塊11丟失信號時及時保存數(shù)據(jù)。上述每個風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點I中包括三個風(fēng)速傳感器14，分別用于測量以下三個方向的風(fēng)速參數(shù):平行于飛行方向(X)、垂直于飛行方向(Y)和垂直于地面方向(H)。如圖3，所述三個風(fēng)速傳感器14及各模塊組成的電氣控制盒集成安裝于安裝支架15上，該安裝支架15主要由位于下部的三角支架16和位于上部的連接桿17組成，三個風(fēng)速傳感器14連接于連接桿17上；連接桿17可相對于三角支架16作上下運動，以調(diào)整高度；風(fēng)速傳感器14可相對于連接桿17轉(zhuǎn)動，以調(diào)節(jié)測風(fēng)方向；連接桿17與三角支架16的連接部位設(shè)有連接座18，各模塊組成的電氣控制盒集成安裝于該固定座18上。上述安裝支架15便于移動，并且可進行高度調(diào)整和測風(fēng)方向調(diào)整，可適應(yīng)不同田塊、不同直升機機型的大量測量試驗的需求。如圖4，為風(fēng)場形成物4的狀態(tài)測量模塊2的結(jié)構(gòu)示意圖，由機上無線數(shù)傳模塊21、微控制器模塊22、運動姿態(tài)傳感器23及工況傳感器24組成；所述風(fēng)場形成物4為直升飛機。機上無線數(shù)傳模塊21用來與智能總控匯聚模塊3進行數(shù)據(jù)交換；微控制器模塊22用于采集運動姿態(tài)傳感器23及工況傳感器24信號，并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)機上無線數(shù)傳模塊21將風(fēng)場形成物4的運動軌跡、運動速度、姿態(tài)及工況等信息傳輸?shù)街悄芸偪貐R聚模塊3，此外，微控制器模塊22具有外擴Flash存儲器，可在機上無線數(shù)傳模塊21丟失信號時及時保存數(shù)據(jù)；上述各模塊的電源取自風(fēng)場形成物4自帶的電源系統(tǒng)或另配蓄電池。本實施例中，飛機運動姿態(tài)傳感器23采用高精度RTK GPS接收機，用于測量飛機的飛行航線，包括飛行高度和航跡等運動姿態(tài)參數(shù)，用于風(fēng)場數(shù)據(jù)分析時明確飛機與三方向風(fēng)速測量節(jié)點陣列的位置關(guān)系。GPS數(shù)據(jù)通過小功率機上無線數(shù)傳模塊21傳輸?shù)街悄芸偪貐R聚模塊3，其功率500mW，載頻433MHz，信道速率38400bps，在開闊地?zé)o干擾情況下傳送距離可達2km以上。所述工況傳感器24包括工作壓力傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，分別用于檢測飛機的旋翼轉(zhuǎn)速、噴霧器械輸出壓力等工況信息。如圖5，為智能總控匯聚模塊3的結(jié)構(gòu)示意圖，包括總控?zé)o線數(shù)傳模塊31和安裝有總控軟件系統(tǒng)的計算機32。本實施例中，采用筆記本電腦實現(xiàn)總控軟件系統(tǒng)的安裝；總控?zé)o線數(shù)傳模塊31由載頻433MHz和490MHz無線數(shù)傳模塊組成，分別用于接收飛機運動姿態(tài)參數(shù)和工況參數(shù)以及向三方向風(fēng)速測量節(jié)點發(fā)出參數(shù)配置、遠程控制指令及接收風(fēng)速風(fēng)場數(shù)據(jù)，筆記本電腦與總控?zé)o線數(shù)傳模塊31之間通過串口通訊方式進行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。如圖6，為智能總控匯聚模塊3中總控軟件系統(tǒng)的功能框架示意圖，包括網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議棧、系統(tǒng)自檢模塊、數(shù)據(jù)同步采集模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換存儲模塊、數(shù)據(jù)處理分析模塊、風(fēng)場參數(shù)成圖輸出模塊及系統(tǒng)維護模塊。網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議棧的功能是將用戶輸入的節(jié)點名稱或用戶設(shè)置的自動循環(huán)采集節(jié)點名稱轉(zhuǎn)化為節(jié)點地址(風(fēng)場形成物4的狀態(tài)測量模塊2也視為節(jié)點)，指令與節(jié)點地址結(jié)合組成通訊消息根據(jù)多串口通訊協(xié)議發(fā)送到計算機32的串行總線上，由無線數(shù)傳模塊31發(fā)送至各節(jié)點，將接收到的節(jié)點消息根據(jù)多串口通訊協(xié)議和節(jié)點通訊協(xié)議進行校驗并解析出節(jié)點數(shù)據(jù)；系統(tǒng)自檢模塊可實現(xiàn)開機對各節(jié)點逐一查詢校驗通訊穩(wěn)定度；數(shù)據(jù)同步采集模塊是保證各風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點I和風(fēng)場形成物4的狀態(tài)測量模塊2數(shù)據(jù)同步采集與傳輸，用戶可選擇風(fēng)速傳感器數(shù)據(jù)同步風(fēng)場形成物狀態(tài)數(shù)據(jù)或風(fēng)場形成物狀態(tài)數(shù)據(jù)同步風(fēng)速傳感器數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換存儲模塊與數(shù)據(jù)處理分析模塊將各節(jié)點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的風(fēng)速值、飛機飛行坐標(biāo)等并以txt或Excel文件形式存儲于計算機上；風(fēng)場參數(shù)成圖輸出模塊主要是將分析后的數(shù)據(jù)形成2D或3D圖；系統(tǒng)維護模塊實現(xiàn)用戶隨時對相關(guān)節(jié)點進行測試、多串口通訊管理、數(shù)據(jù)存儲管理以及錯誤人工處理等功能。下面結(jié)合具體的例子對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步描述。本例中，被測風(fēng)場形成物4為無人直升機，該無人直升機采用Z-3型無人駕駛油動力單旋翼直升飛機，飛機最大起飛重量100kg，任務(wù)載荷能力30kg，主懸翼直徑3400mm，尾懸翼直徑580mm，發(fā)動機功率25kw，最大飛行高度3200m，續(xù)航時間2h，控制半徑30km。風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點I采用葉輪式風(fēng)速傳感器，測量范圍在O 45米/秒之間，精確度為±3%，分辨率達0.lm/s ;490M無線數(shù)傳模塊傳輸距離在開闊地?zé)o干擾情況下可達1.5km以上；微控制器采用C8051f330作為主控制器，采集風(fēng)速傳感器信號，并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)無線數(shù)傳模塊將風(fēng)速數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄芸偪貐R聚模塊3 ;供電模塊采用聚合物可充電電池供電，持續(xù)工作時間為10h。風(fēng)場形成物4的狀態(tài)測量模塊2中，飛機運動姿態(tài)傳感器23采用高精度RTK GPS接收機和433M無線數(shù)傳模塊組成，用于測量飛機的飛行航線，包括飛行高度和航跡等，以便在進行風(fēng)場數(shù)據(jù)分析時知道飛機所處的準(zhǔn)確位置。本次試驗中所采用的 GPS 為 Trimble RTKGPS 5700，平面精度達 lOmm+lppm，高程精度達 20mm+2ppm。GPS 數(shù)據(jù)通過433M無線數(shù)傳模塊實時傳輸?shù)街悄芸偪貐R聚模塊3存儲。風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點I以星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)布置于被測田塊，布置方式有線陣或面陣兩種形式，各節(jié)點的風(fēng)場數(shù)據(jù)通過490M無線數(shù)傳模塊分時傳輸?shù)街悄芸偪貐R聚模塊3存儲。智能總控匯聚模塊3由筆記本電腦、風(fēng)場無線傳感器測量總控軟件系統(tǒng)、433M和490M無線數(shù)傳模塊組成，分別用于接收飛機飛行航線數(shù)據(jù)和向三方向風(fēng)速測量節(jié)點發(fā)出參數(shù)配置、遠程控制指令及接收風(fēng)速風(fēng)場數(shù)據(jù)，實現(xiàn)風(fēng)場數(shù)據(jù)及飛機飛行航線數(shù)據(jù)的遠程采集。如圖7，為風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點在雜交水稻制種輔助授粉田塊中的布置方案示意圖；其中，(a)為風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點I采用三向線陣布置方法進行風(fēng)場測量，圖中，在水稻田中選10個點，每個點間隔lm，即測定的風(fēng)場寬9m，每個點上布置3個風(fēng)速傳感器14，風(fēng)速傳感器14的高度與水稻冠層齊平，約0.45m，風(fēng)速傳感器14軸心的安裝方向分別為平行于飛行方向(X)、垂直于飛行方向(Y)、垂直于地面方向(H)，即同時測定每個點的3個不同方向的飛機作業(yè)產(chǎn)生的風(fēng)速；當(dāng)飛機飛行至距離線陣3m時開始測定風(fēng)速，同時獲取GPS數(shù)據(jù)；飛機沿線陣的中心軸A至B，B至A來回飛行，飛行速度為3m/s，飛行高度分別距離地面9m、8m、7m、6m，每個高度測量兩個來回。(b)為風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點I采用單向面陣布置方法進行風(fēng)場測量，圖中，在水稻田中選30個點，共計3行，每行間隔lm，每行10個點，每個點間隔lm，即測定的風(fēng)場為一個2m*9m的矩陣，每一行每個點上布置一個風(fēng)速傳感器14，風(fēng)速傳感器14的測風(fēng)方向為平行于飛行方向(X);當(dāng)飛機飛行至距離面陣中心軸3m時開始測定風(fēng)速，同時獲取GPS數(shù)據(jù)。飛機沿線陣的中心軸A至B，B至A來回飛行，飛行速度為3m/s，飛行方向為平行于水稻種植行方向，飛行高度分別距離地面9m、8m、7m、6m,每個高度測量兩個來回。如圖8和圖9，圖8為風(fēng)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)測得的雜交水稻冠層風(fēng)場分布圖，圖9為風(fēng)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)測得的直升機飛行航跡及高程圖，其中(a)為飛行航跡圖，(b)為飛行高程圖。利用風(fēng)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)同時采集面陣上30個傳感器的風(fēng)速數(shù)據(jù)，采樣頻率為20Hz，連續(xù)采集5s，每個傳感器共采集100個數(shù)據(jù)，據(jù)此分析無人直升機輔助授粉作業(yè)時產(chǎn)生的風(fēng)場的變化規(guī)律。圖8中，橫坐標(biāo)為風(fēng)場寬度，縱坐標(biāo)為直升機進入風(fēng)場測量區(qū)域后的時間序列，從圖中可以看出，在I級(0.3-1.5m/s)自然風(fēng)的影響下，風(fēng)場整體向中心軸右側(cè)漂移，風(fēng)速達到3.4m/s以上(3級風(fēng)的下界值)的風(fēng)場寬度約為9m ;風(fēng)速達到5.5m/s以上(4級風(fēng)的下界值)的風(fēng)場寬度約為6m ;風(fēng)速達到8m/s以上(5級風(fēng)的下界值)的風(fēng)場寬度約為4m。無人直升機輔助水稻授粉作業(yè)時所形成的風(fēng)場一目了然，通過多種實驗方案的反復(fù)對比，可決策出較佳的飛行作業(yè)參數(shù)，包括飛行高度、作業(yè)載荷及作業(yè)航向等，為直升機等飛行器輔助授粉技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù)。 上述為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述內(nèi)容的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)，其特征在于，包括若干風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點(I)、風(fēng)場形成物⑷的狀態(tài)測量模塊⑵以及智能總控匯聚模塊(3);其中， 所述風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點(I)用于提供風(fēng)場內(nèi)特定位置點的多個方向的風(fēng)速值，并通過無線網(wǎng)絡(luò)的方式與智能總控匯聚模塊(3)進行數(shù)據(jù)交換； 所述狀態(tài)測量模塊(2)用于測量風(fēng)場形成物(4)的運動姿態(tài)參數(shù)和工況參數(shù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)的方式與智能總控匯聚模塊(3)進行數(shù)據(jù)交換； 所述智能總控匯聚模塊(3)用于向風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點(I)和狀態(tài)測量模塊(2)發(fā)送參數(shù)配置及控制指令并接收和存儲來自風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點(I)和狀態(tài)測量模塊(2)的數(shù)據(jù)信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點(I)包括無線數(shù)傳模塊(11)、微控制器模塊(12)、供電模塊(13)、風(fēng)速傳感器(14)以及安裝支架(15);其中，所述無線數(shù)傳模塊(11)用于與智能總控匯聚模塊(3)進行數(shù)據(jù)交換；所述微控制器模塊(12)用于采集風(fēng)速傳感器(14)信號，并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)無線數(shù)傳模塊(11)將風(fēng)速數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄芸偪貐R聚模塊(3);該微控制器模塊(12)具有外擴Flash存儲器，可在無線數(shù)傳模塊(11)丟失信號時及時保存數(shù)據(jù)；所述安裝支架(15)用于集成安裝上述各個模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的風(fēng)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述風(fēng)速傳感器(14)是葉輪式或熱線膜式或機械式或畢托管式或超聲波式風(fēng)速傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的風(fēng)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述供電模塊(13)是太陽能電池或可充電電池。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述風(fēng)場形成物(4)的狀態(tài)測量模塊(2)包括機上無線數(shù)傳模塊(21)、微控制器模塊(22)、運動姿態(tài)傳感器(23)及工況傳感器(24);其中，所述機上無線數(shù)傳模塊(21)用于與智能總控匯聚模塊(3)進行數(shù)據(jù)交換；所述微控制器模塊(22)用于采集運動姿態(tài)傳感器(23)及工況傳感器(24)信號，并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)機上無線數(shù)傳模塊(21)將風(fēng)場形成物(4)的運動姿態(tài)參數(shù)和工況參數(shù)傳輸?shù)街悄芸偪貐R聚模塊(3)，該微控制器模塊(22)具有外擴Flash存儲器，可在機上無線數(shù)傳模塊(21)丟失信號時及時保存數(shù)據(jù)；上述各模塊的電源取自風(fēng)場形成物(4)自帶的電源系統(tǒng)或另配蓄電池。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的風(fēng)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述運動姿態(tài)傳感器(23)是全球定位系統(tǒng)定位傳感器或陀螺儀或航姿參考系統(tǒng)或慣性測量單元，用于測量風(fēng)場形成物(4)的運動姿態(tài)參數(shù)，該運動姿態(tài)參數(shù)包括位置、速度、高度和傾角；所述工況傳感器(24)是工作壓力傳感器或是轉(zhuǎn)速傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述智能總控匯聚模塊(3)包括總控?zé)o線數(shù)傳模塊(31)和安裝有總控軟件系統(tǒng)的計算機(32)，所述計算機(32)與總控?zé)o線數(shù)傳模塊(31)之間通過數(shù)據(jù)接口進行連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的風(fēng)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述總控軟件系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議棧、系統(tǒng)自檢模塊、數(shù)據(jù)同步采集模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換存儲模塊、數(shù)據(jù)處理分析模塊、風(fēng)場參數(shù)成圖輸出模塊及系統(tǒng)維護模塊組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求2、5或7所述的風(fēng)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述的無線數(shù)傳模塊(11)或機上無線數(shù)傳模塊(21)或總控?zé)o線數(shù)傳模塊(31)是載頻為433MHz或490MHz或2.4GHz的無線數(shù)據(jù)收發(fā)裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1 8任一項所述的風(fēng)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述的風(fēng)場形成物(4)是無人駕駛或有人駕駛的飛行器，或是在作業(yè)過程中能形成風(fēng)場的風(fēng)送式噴霧機、煙霧機 、噴桿噴霧機。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種風(fēng)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)，包括若干風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點、風(fēng)場形成物的狀態(tài)測量模塊以及智能總控匯聚模塊；其中，所述風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點用于提供風(fēng)場內(nèi)特定位置點的多個方向的風(fēng)速值，并通過無線網(wǎng)絡(luò)的方式與智能總控匯聚模塊進行數(shù)據(jù)交換；所述狀態(tài)測量模塊用于測量風(fēng)場形成物的運動姿態(tài)參數(shù)和工況參數(shù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)的方式與智能總控匯聚模塊進行數(shù)據(jù)交換；所述智能總控匯聚模塊用于向風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點和狀態(tài)測量模塊發(fā)送參數(shù)配置及控制指令并接收和存儲來自風(fēng)速傳感器無線測量節(jié)點和狀態(tài)測量模塊的數(shù)據(jù)信息。本發(fā)明的風(fēng)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)能在野外進行多點、多風(fēng)向、可移動、實時采集數(shù)據(jù)。
文檔編號G01D21/02GK103095822SQ20131000686
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月8日
發(fā)明者周志艷, 汪沛, 胡煉, 臧英, 羅錫文, 何杰, 嚴(yán)乙桉, 閆夢璐 申請人:華南農(nóng)業(yè)大學(xué)