一種風(fēng)速球集成系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種風(fēng)速球集成系統(tǒng)，包括風(fēng)速探測球和客戶端。所述風(fēng)速球為雙層塑料球，外球殼上分布有壓力傳感器和溫度傳感器，有一根帶有底座的細(xì)桿與球體相連，細(xì)桿上安裝有濕度傳感器；內(nèi)球殼內(nèi)部有供電模塊，信號放大模塊，濾波模塊，數(shù)據(jù)選擇模塊，控制模塊，數(shù)據(jù)收發(fā)模塊等?？蛻舳擞袛?shù)據(jù)接收模塊，數(shù)據(jù)緩存模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊，數(shù)據(jù)校正模塊，數(shù)據(jù)分析模塊，顯示模塊和控制模塊。該發(fā)明直觀，方便的展現(xiàn)了當(dāng)物體放置在流體中時，流體對物體表面的作用力及流體流速的分布和變化的情況，提供了一套測量風(fēng)速和風(fēng)向的有效工具。用于教學(xué)與實驗中時可直觀的顯示流體與物體相互作用的規(guī)律；用于實際的工程測量時可實現(xiàn)對風(fēng)速與風(fēng)向的準(zhǔn)確測量。
【專利說明】
一種風(fēng)速球集成系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于物聯(lián)網(wǎng)傳感和測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種風(fēng)速球集成系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)速測量具有重要的意義。通過對風(fēng)速進(jìn)行測量可以為預(yù)測天氣變化提供依據(jù)，對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有深遠(yuǎn)影響。同時風(fēng)速也影響到交通行車安全，汽車逆風(fēng)行駛時需要克服更大的阻力。在建筑領(lǐng)域，風(fēng)速也影響建筑的高度設(shè)計和建筑與建筑間的距離。我國的風(fēng)力資源極為豐富，絕大多數(shù)地區(qū)的平均風(fēng)速都在每秒3米以上，在這些地區(qū)，風(fēng)力發(fā)電很有應(yīng)用前景。尤其是目前能源緊張，風(fēng)力發(fā)電成為新潮發(fā)電方式的情況下，對風(fēng)速風(fēng)向的測量和控制尤為重要。
[0003]目前市場上成熟的測試風(fēng)速和風(fēng)向的方法有很多種。常見的手持式風(fēng)輪風(fēng)速儀需要依靠風(fēng)吹動風(fēng)輪來進(jìn)行風(fēng)速的測定。熱絲法通過感知在不同風(fēng)速下發(fā)熱的細(xì)絲散熱情況的差別來判斷風(fēng)速的大小，細(xì)線的散熱情況需要考慮環(huán)境溫度，且其對風(fēng)向的判斷能力比較差。旋轉(zhuǎn)測杯法似于風(fēng)輪式風(fēng)速儀，且一般需要結(jié)合風(fēng)向標(biāo)來判定風(fēng)向。時差法超聲波風(fēng)速測量法利用超聲波在空氣中傳播固定距離時，順風(fēng)逆風(fēng)傳播存在一個時間差，利用時間差經(jīng)軟件計算后獲得風(fēng)速值。但是此方法明顯受到溫度和濕度的影響，且難以確定風(fēng)向。以上的幾種方法基于空氣的流動方向平行于測試的方向這樣的假設(shè)。常規(guī)而言，這一方向就是平行于測量處的海平面方向。實際上，目前所使用的眾多測試方法均為二維度的風(fēng)速測量方法，單一的測試單元可能給出完全不正確的數(shù)據(jù)，即使使用了多個測量單元，在存在垂直于水平面的風(fēng)速分量的情況下，因為這些方法都默認(rèn)了空氣流動是平行于水平面的，所以實際上缺少對真實的風(fēng)向的準(zhǔn)確反映。
[0004]現(xiàn)在，有一種測量風(fēng)速風(fēng)向的測量球，利用空氣在流經(jīng)球體表面時會對迎面的球表面施加正壓強(qiáng)，而背面的球表面會感受到負(fù)壓強(qiáng)，并且在不同風(fēng)速下壓強(qiáng)不同的原理實現(xiàn)對風(fēng)速和風(fēng)向的準(zhǔn)確判斷。這一系統(tǒng)是對實際情況的系統(tǒng)全面的考量，獲得的結(jié)果能較好的反映部分的實際情況。所述風(fēng)速球可以最大程度的排除由于安裝部件等帶來對測試空氣流動狀態(tài)的干擾，獲得準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)。
[0005]基于所述的使用風(fēng)速球進(jìn)行風(fēng)速和風(fēng)向的測量的方案，可以實現(xiàn)三維情況下的風(fēng)速、風(fēng)向的同步測試。這是一種新型的，可以用于三維情況風(fēng)速和風(fēng)向的測量的方案。其克服了普遍使用的風(fēng)測試系統(tǒng)默認(rèn)空氣流動是平行于水平面，缺少對真實的風(fēng)向的準(zhǔn)確反映的問題。目前，風(fēng)速球表面至少均勻布置有6個壓力傳感器，使用簡潔的測量幾何法來對風(fēng)速進(jìn)行測量，其在測量過程中需要選擇出壓強(qiáng)相同的氣壓傳感器，以球心為圓心，以選擇出的氣壓傳感器中的任意一個作為圓上一點畫圓，若有至少4個等間隔的氣壓傳感器在該圓上，則可由此來判定風(fēng)向為垂直于該圓的方向。但是，在實際測量過程中可能需要旋轉(zhuǎn)測量球，反復(fù)測量，直至滿足有四個壓力傳感器給出同樣的壓強(qiáng)，采用這樣的測量方式，人工干預(yù)程度大，自動化程度較低，且不利于長時間，遠(yuǎn)距離的風(fēng)速風(fēng)向測量。風(fēng)速球計算風(fēng)速時所需的空氣密度等參數(shù)往往需要使用其他輔助設(shè)備單獨(dú)測量，而且其在測量過程中沒有考慮到溫度和濕度的影響，對于環(huán)境的適應(yīng)能力有限。
[0006]目前，風(fēng)速球測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理硬件電路仍然需要放置在球體外部，便攜性較差，且電路沒有自動調(diào)控的能力，難以應(yīng)對復(fù)雜的風(fēng)場環(huán)境。風(fēng)速球測量系統(tǒng)目前沒有與之相配套的成熟的上位機(jī)軟件，不能直觀的展現(xiàn)出流體對物體表面的作用力及流體流速的分布和變化的情況，利用到教學(xué)和實驗中時效果并不理想。
[0007]基于以上考慮。高性能的風(fēng)速球系統(tǒng)的具體實現(xiàn)依賴于特定的、可以配合工作的軟硬件。不同的軟件和硬件構(gòu)建方式可能導(dǎo)致測試效果的偏差。為了降低測試成本以及獲得最優(yōu)的測試結(jié)果，有必要對具體的軟件和硬件以及兩者之間的接口進(jìn)行細(xì)致和系統(tǒng)的研究。本發(fā)明針對這一需求進(jìn)行了研究，提出了一種風(fēng)速球軟硬件系統(tǒng)。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種風(fēng)速球集成系統(tǒng)，能夠直觀，方便的展現(xiàn)了當(dāng)物體放置在流體中時，流體對物體表面的作用力及流體流速的分布和變化的情況，可以用于直觀的顯示風(fēng)速和風(fēng)向；同時也可實際的工程測量當(dāng)中實現(xiàn)對風(fēng)速的準(zhǔn)確測量。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種風(fēng)速球集成系統(tǒng)，包括風(fēng)速探測球和客戶端;所述風(fēng)速探測球為外表面光滑的雙層塑料球，所述雙層塑料球分別為外層球殼和內(nèi)層球殼;所述外層球殼上均勻開設(shè)有若干個第一通風(fēng)孔，每個第一通風(fēng)孔內(nèi)均設(shè)置有一個壓力傳感器； 所述壓力傳感器與其對應(yīng)的第一通風(fēng)孔無縫連接，且信號連接至設(shè)置于內(nèi)層球殼內(nèi)的內(nèi)部電路；[〇〇1〇]所述外層球殼上均勻開設(shè)有若干個第二通風(fēng)孔，每個第二通風(fēng)孔內(nèi)均設(shè)置有一個溫度傳感器;所述溫度傳感器與其對應(yīng)的第二通風(fēng)孔無縫連接，且信號連接至內(nèi)部電路；
[0011]所述風(fēng)速探測球通過支撐桿與底座固定連接，所述支撐桿為中空結(jié)構(gòu)，且支撐桿上安裝有濕度傳感器，所述濕度傳感器通過支撐桿內(nèi)部的導(dǎo)線信號連接至內(nèi)部電路；
[0012]所述內(nèi)部電路設(shè)置于內(nèi)層球殼內(nèi)的PCB板上，內(nèi)部電路包括供電模塊，信號預(yù)處理電路，中央處理器單元和無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊;所述信號預(yù)處理電路包括放大模塊、濾波模塊和數(shù)據(jù)選擇模塊;所述數(shù)據(jù)選擇模塊依次選通壓力傳感器，壓力傳感器輸出的電壓經(jīng)過放大模塊以及濾波模塊后進(jìn)入中央處理器單元進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊發(fā)送到客戶端；
[0013]所述客戶端包括無線數(shù)據(jù)接收模塊，數(shù)據(jù)緩存模塊，數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，圖形顯示模塊和控制模塊，無線數(shù)據(jù)接收模塊接收到內(nèi)部電路發(fā)出的信號后，進(jìn)行緩存、校準(zhǔn)、存儲并分析處理后在其圖形界面上顯示出球體表面所受到的壓力和球體表面流體流速的變化和分布狀況。
[0014]進(jìn)一步的，所述中央處理器單元采用ARM單片機(jī)，濾波模塊采用MAX262程控濾波器，無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊采用藍(lán)牙模塊和wifi模塊ESP8266;所述內(nèi)部電路的具體結(jié)構(gòu)如下: 單片機(jī)P1?P7端口通過54HC373控制MAX262程控濾波器，所述MAX262程控濾波器輸出端接入單片機(jī)的ADC端口，傳感器的正端和負(fù)端分別經(jīng)過兩個多路模擬開關(guān)ADG73 2接入放大電路，信號經(jīng)放大電路放大后經(jīng)過由運(yùn)放構(gòu)成的緩沖電路接入到濾波器輸入端，其中多路模擬開關(guān)由單片機(jī)P2.0?P2.3端口控制;HC-05藍(lán)牙模塊連接到單片機(jī)的串口用以發(fā)送數(shù)據(jù)，藍(lán)牙模塊能夠和Wifi模塊ESP8266單獨(dú)使用或者同時使用，兩者的開閉分別通過P3.0和P3.1控制。
[0015]進(jìn)一步的，所述放大模塊的具體電路結(jié)構(gòu)如下:信號分別輸入儀用放大器AD602的正負(fù)輸入端口，5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓經(jīng)過電阻分壓之后經(jīng)過放大器AD705之后作為ADC模塊的模擬地電壓;信號經(jīng)放大器放大后進(jìn)入單片機(jī)的ADC中。
[0016]進(jìn)一步的，所述濾波模塊采用程控濾波器，所述程控濾波器受控于中央處理器單元，利用中央處理器單元對當(dāng)前一輪讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，若噪聲超過閾值或者濾除的有用信號超過閾值時，則中央處理器單元控制濾波器自動調(diào)節(jié)其參數(shù)；同時所述濾波模塊信號連接至客戶端，能夠利用客戶端選擇程控濾波器類型。一般，所述程控濾波器為四階巴特沃斯低通濾波器。
[0017]進(jìn)一步的，所述客戶端為PC客戶端或者手機(jī)客戶端。
[0018]進(jìn)一步的，所述中央處理器單元采用ARMCortex M4系列芯片，利用其內(nèi)部的12位逐次逼近型ADC模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換操作，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)還需要進(jìn)行非線性以及溫度漂移，噪聲水平檢測及校準(zhǔn)操作；因為單片機(jī)輪詢讀取傳感器數(shù)據(jù)需要一定的時間，所以采取每輪讀取傳感器時，每個傳感器都需要按照次序讀取兩次的方案，并按規(guī)律綜合兩次讀取的數(shù)據(jù)得到本輪的傳感器數(shù)值。
[00?9]進(jìn)一步的，所述中央處理器單元采用單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi)部嵌入RT-thread單片機(jī)片上操作系統(tǒng)，每輪傳感器讀取完成時，將經(jīng)過處理之后的數(shù)據(jù)經(jīng)DMA的方式通過無線發(fā)送模塊發(fā)送到客戶端，在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中能夠同時進(jìn)行下一輪的讀取操作。
[0020]進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)處理模塊采用數(shù)字濾波器，通過觀測系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計的算法以實現(xiàn)在線性狀態(tài)空間表示的基礎(chǔ)上對有噪聲的輸入和觀測信號進(jìn)行處理，求取系統(tǒng)狀態(tài)或真實信號；并能夠使用支持向量方法對風(fēng)速進(jìn)行短期的預(yù)測操作。
[0021]進(jìn)一步的，客戶端程序在進(jìn)行插值擬合操作時，插值點的選取采用了三角形分割法。
[0022]進(jìn)一步的，所述外層球殼表面涂有抗污涂層。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0024]1、直觀，方便的展現(xiàn)了當(dāng)物體放置在流體中時，流體對物體表面的作用力及流體流速的分布和變化的情況，可以用于直觀的顯示風(fēng)速和風(fēng)向；同時也可實際的工程測量當(dāng)中實現(xiàn)對風(fēng)速的準(zhǔn)確測量。
[0025]2、采用無線的方式與上位機(jī)軟件進(jìn)行通信增強(qiáng)了該裝置的靈活性。在有網(wǎng)絡(luò)的情況下可選擇網(wǎng)絡(luò)接口模塊將風(fēng)速球接入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離，長時間的監(jiān)控及測量工作。
[0026]3、在獲取球體表面壓力傳感器數(shù)值的同時也獲取流體的溫度和濕度數(shù)值，實現(xiàn)了對實驗結(jié)果的自動修正。客戶端在數(shù)據(jù)處理方面采用數(shù)學(xué)方法，使用數(shù)字濾波處理的方法減小誤差，并考慮到了歷史記錄值對風(fēng)速風(fēng)向準(zhǔn)確預(yù)測的影響，使得測量更接近于真實情況。
[0027]4、提供了簡單易懂的圖形化操作界面，非專業(yè)人員學(xué)習(xí)代價小，方便掌握。所述客戶端同時提供操作控件，使得具備一定專業(yè)技能的操作人員能夠?qū)ο鄳?yīng)的測量參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷模沟迷撓到y(tǒng)能適應(yīng)有較高要求的實驗和測量操作場合。
[0028]5、功耗低，采用某一時刻數(shù)據(jù)單一選通的方式采集傳感器的數(shù)據(jù)，使得在同一時刻只有一個傳感器在工作，且所有壓力傳感器公用放大及濾波電路，較好解決了因為傳感器眾多帶來的功耗及驅(qū)動能力問題。
[0029]6、精確。精確性可以體現(xiàn)在以下幾個方面:1風(fēng)速球帶有溫度和濕度傳感模塊，可以對風(fēng)速進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚僮?2帶有程控濾波器，可以依據(jù)實際情況自動進(jìn)行調(diào)節(jié)，有效地抑制噪聲;3,考慮到讀取輪詢讀取傳感器需要一定的時間，采用每一輪二次讀取并進(jìn)行參數(shù)修正的方法使得數(shù)據(jù)在一定程度上保持同步;4風(fēng)速球和軟件端對數(shù)據(jù)進(jìn)行多次軟件校準(zhǔn)操作，很大程度上減小了器件非線性帶來以及電路噪聲的影響;5單片機(jī)軟件采用嵌入實時操作系統(tǒng)，保證了定時的精確性和程序的穩(wěn)定性;6客戶端考慮歷史值和預(yù)測值的影響，有效解決了由隨機(jī)擾動帶來的測量不精確的問題。
[0030]7、可以實現(xiàn)多平臺的測試，PC端，可移動端都能實現(xiàn)風(fēng)速的測量操作。很大程度上滿足了多情況的實際教學(xué)，實驗及測量需求。【附圖說明】
[0031]圖1為風(fēng)速球集成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中:1為風(fēng)速探測球外球殼、2為靈敏壓力傳感器、3為溫度傳感器、4為風(fēng)速探測球的支撐桿、5為底座、6為濕度傳感器、7為PC客戶端、 8為手機(jī)客戶$而；
[0032]圖2為外層球殼上標(biāo)識為A組及B組的壓力傳感器、編號為C組的溫度傳感器和編號為D組的濕度傳感器的分布情況。
[0033]圖3為風(fēng)速探測球的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中:1為風(fēng)速探測球外球殼，表面涂有抗污涂層、2為靈敏壓力傳感器、3為溫度傳感器、4為風(fēng)速探測球的支撐桿、5為底座、6為濕度傳感器、9為風(fēng)速探測球內(nèi)層球殼、10為電池、11為PCB板、12為信號預(yù)處理電路、13為中央處理器單元、14為數(shù)據(jù)收發(fā)模塊；
[0034]圖4為風(fēng)速探測球內(nèi)部電路的電路圖；
[0035]圖5為圖4所不的放大器的電路圖；
[0036]圖6為風(fēng)速球內(nèi)部模塊化數(shù)據(jù)處理的邏輯框圖；[〇〇37]圖7為上位機(jī)軟件的模塊化數(shù)據(jù)處理邏輯框圖；[〇〇38]圖8為上位機(jī)軟件的工作流程圖；[〇〇39]圖9球體表面插值時表面三角分割的情況；
[0040]圖10為上位機(jī)軟件的界面設(shè)計;其中:A圖為主界面的顯示圖，B，C，D，E為點擊相應(yīng)的按鈕時彈出的對話框。[〇〇41]圖11演示了當(dāng)球體置于風(fēng)場中時可能遇到的幾種較為簡單的工作情況;A圖為從水平方向看到的情況，B，C，D圖為俯視圖?！揪唧w實施方式】[〇〇42]下面結(jié)合實施例和說明書附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0043]如圖1-3所示，一種風(fēng)速球集成系統(tǒng)，包括風(fēng)速探測球和客戶端。所述風(fēng)速探測球為外表面光滑的雙層塑料球，表面涂有抗污涂層的外球殼1上均勻開設(shè)有14個通風(fēng)孔，每個通風(fēng)孔內(nèi)均設(shè)置有一個信號連接至風(fēng)速探測球的內(nèi)部電路的靈敏的壓力傳感器2,所述的壓力傳感器2與其對應(yīng)的通風(fēng)孔無縫連接。14個壓力傳感器分成A組和B組，只提取A組傳感器的數(shù)值就可以實現(xiàn)基本的測量操作，當(dāng)需要精確操作的時候需要提取A組和B組所有傳感器的數(shù)值。同時，外球殼I表面還均勻布置有四個信號連接至風(fēng)速探測球的內(nèi)部電路的溫度傳感器3，安裝方法和所述靈敏壓力傳感器2的安裝方法相同。所述風(fēng)速探測球通過支撐桿4與底座5固定連接，所述支撐桿4為中空結(jié)構(gòu)，支撐桿上安裝有濕度傳感器6，所述濕度傳感器6通過支撐桿內(nèi)部的導(dǎo)線連接至風(fēng)速探測球的內(nèi)部電路。將溫度傳感器6放置到支撐桿上可以避免太陽直射與積水的影響;將其放置在桿子上能盡量減小其對風(fēng)場的影響。
[0044]如圖3、6所示，所述風(fēng)速探測球的內(nèi)部電路設(shè)置于風(fēng)速探測球內(nèi)層球殼內(nèi)的PCB板11上，內(nèi)部電路包括供電模塊10，信號預(yù)處理電路12，中央處理器單元13和無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊14;所述信號預(yù)處理電路12包括放大模塊、濾波模塊和數(shù)據(jù)選擇模塊。所述數(shù)據(jù)選擇模塊依次選通壓力傳感器，壓力傳感器輸出的電壓經(jīng)過放大模塊以及濾波模塊后進(jìn)入中央處理器單元進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊發(fā)送到客戶端。
[0045]如圖7所示，所述客戶端包括無線數(shù)據(jù)接收模塊，數(shù)據(jù)緩存模塊，數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，圖形顯示模塊和控制模塊，無線數(shù)據(jù)接收模塊接收到內(nèi)部電路發(fā)出的信號后，進(jìn)行緩存、校準(zhǔn)、存儲并分析處理后在其圖形界面上直觀的顯示出球體表面所受到的壓力和球體表面流體流速的變化和分布狀況。
[0046]將風(fēng)速探測球放置在流體環(huán)境中，使用上位機(jī)軟件打開測量功能后，上位機(jī)軟件發(fā)出信號喚醒單片機(jī)，進(jìn)一步地單片機(jī)能夠控制各模塊的協(xié)調(diào)工作。若選擇的是精簡模式，如圖2所示，球體內(nèi)部的單片機(jī)控制不用讀取B組傳感器的數(shù)據(jù)，若選擇的是完全模式，則球體內(nèi)部的單片機(jī)讀取所有壓力傳感器的數(shù)據(jù)。每個壓力傳感器都經(jīng)過穩(wěn)壓電路進(jìn)行供電，當(dāng)電壓不穩(wěn)定的時候會向客戶端發(fā)出信號，中斷操作。如圖4所示，由于所述的風(fēng)速探測球表面布置有大量的傳感器，為了節(jié)約成本和提高電路的穩(wěn)定性，利用多路選擇模擬開關(guān)ADG732實現(xiàn)每次選通一個傳感器進(jìn)行讀取，被選通的傳感器傳輸?shù)男盘柺俏⑷醯哪M信號，需要使用低噪聲的放大電路對信號進(jìn)行放大。具體的風(fēng)速探測球的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如下:單片機(jī)Pl?P7端口通過54HC373(八D型鎖存器)控制MAX262程控濾波器，所述濾波器輸出端接入單片機(jī)的ADC端口，傳感器的正端和負(fù)端分別經(jīng)過兩個多路模擬開關(guān)ADG732接入放大電路，信號經(jīng)放大后經(jīng)過由運(yùn)放構(gòu)成的緩沖電路接入到濾波器輸入端，其中多路模擬開關(guān)由單片機(jī)P2.0?P2.3端口控制;HC-05藍(lán)牙模塊連接到單片機(jī)的串口用以發(fā)送數(shù)據(jù)，藍(lán)牙模塊可以和wifi模塊ESP8266單獨(dú)使用或者同時使用，兩者的開閉分別通過P3.0和P3.1控制。
[0047]如圖5所示為圖4所示的放大器的電路圖；圖中:電橋代表了傳感器，信號分別輸入儀用放大器AD602的正負(fù)輸入端口，5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓經(jīng)過電阻分壓之后經(jīng)過放大器AD705之后作為ADC模塊的模擬地電壓;信號經(jīng)放大器放大后進(jìn)入單片機(jī)的ADC中。本發(fā)明中為了提高數(shù)據(jù)放大的準(zhǔn)確性，放大電路使用了儀用放大器AD602，這使得該電路具有高輸入阻抗，高抗噪能力的特點。進(jìn)一步地，經(jīng)過放大的信號還需要經(jīng)過由程控濾波MAX262為核心的電路處理后才能送到中央處理器單元(單片機(jī))。中央處理器單元能對當(dāng)前一輪讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，若噪聲過大或者濾除的有用信號過多時，則中央處理器單元能控制濾波器自動調(diào)節(jié)其參數(shù)，以達(dá)到要求。同時濾波器的參數(shù)還可以接受客戶端軟件的控制，在客戶端可以選擇程控濾波器類型，實現(xiàn)不同工作場合的需求，一般情況下，軟件默認(rèn)濾波器為四階巴特沃斯低通濾波器。
[0048]中央處理器單元采用ARM Cortex M4系列芯片，具有超強(qiáng)的DSP能力和相對低廉的價格，利用其內(nèi)部的12位逐次逼近型ADC模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換操作，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)還需要進(jìn)行非線性以及溫度漂移，噪聲水平檢測及校準(zhǔn)操作。因為單片機(jī)輪詢讀取傳感器數(shù)據(jù)需要一定的時間，所以采取每輪讀取傳感器時，每個傳感器都需要按照次序讀取兩次的方案，并按規(guī)律綜合兩次讀取的數(shù)據(jù)得到本輪的傳感器數(shù)值。如在精簡模式下每輪開始按照A1到A6的方式讀取，然后再按照A6到A1的方式讀取，并且使用不同的權(quán)值平衡兩次測量值。當(dāng)壓力傳感器讀取完成之后讀取溫度傳感器和濕度傳感器的數(shù)值。為了保證數(shù)據(jù)操作精確進(jìn)行，單片機(jī)內(nèi)部嵌入RT-thread單片機(jī)片上操作系統(tǒng)，從而大大提高了程序的穩(wěn)定性。每輪傳感器讀取完成時，將經(jīng)過處理之后的數(shù)據(jù)經(jīng)DMA的方式通過無線發(fā)送模塊發(fā)送到客戶端，在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中可以進(jìn)行下一輪的進(jìn)行讀取操作。若無線收發(fā)模塊使用的是藍(lán)牙，則可用于較近距離的測量;在有網(wǎng)絡(luò)的情況下，可使用ESP8266模塊，將風(fēng)速球接入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程測量。
[0049]如圖7所示，軟件接收到發(fā)送來的數(shù)據(jù)之后先對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖操作，在自動校準(zhǔn)模塊中對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼校正，若數(shù)據(jù)正確則保存數(shù)據(jù)，否則丟棄本輪的數(shù)據(jù)。進(jìn)一步地，在數(shù)據(jù)分析模塊中結(jié)合前幾次測量的歷史值對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理分析，所述數(shù)據(jù)處理模塊包括卡爾曼數(shù)字濾波，流速的計算，壓力值和流速的支持向量機(jī)預(yù)測，插值擬合等。隨后在圖形界面上直觀的顯示流體對于物體表面的壓力的分布和變化情況和物體表面流體流速的分布狀況。根據(jù)不同的使用環(huán)境，具備一定專業(yè)知識的操作人員可以在窗口控件中對參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，可使得顯示和測量的效果更加理想。所述這些參數(shù)包括表面的光滑系數(shù)，當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)，風(fēng)速球內(nèi)部濾波器的類型等。
[0050]如圖8所示，在所述的數(shù)據(jù)處理模塊中注重結(jié)合當(dāng)前數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的關(guān)系，這樣的設(shè)計考慮到了真實客觀世界中事物發(fā)展的連續(xù)性，可以在一定程度上消除由于傳感器噪聲和環(huán)境不可測因素產(chǎn)生的隨機(jī)影響。具體而言，采用數(shù)字濾波器，通過觀測系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計的算法以實現(xiàn)在線性狀態(tài)空間表示的基礎(chǔ)上對有噪聲的輸入和觀測信號進(jìn)行處理，求取系統(tǒng)狀態(tài)或真實信號。使用支持向量等方法可以對風(fēng)速進(jìn)行短期的預(yù)測操作。風(fēng)速的短期預(yù)測是一種在風(fēng)力發(fā)電中采用的技術(shù)，將此方法應(yīng)用到風(fēng)速測量當(dāng)中可以更好的消除噪聲干擾。當(dāng)然，用戶在實際操作中可以選擇關(guān)閉風(fēng)速的短期預(yù)測操作。
[0051]如圖9中所示，程序在進(jìn)行插值擬合操作時并不采用常規(guī)的經(jīng)煒度分割法，因為這樣分割出來的球面并不均勻，而且存在某些地方插值點過于密集，而有的地方過于稀疏的問題。插值點的選取采用了三角形分割法，使得球面插值點分布較為均勻。插值方式默認(rèn)為最臨近插值，用戶可選擇雙線性插值和三階樣條插值。由于插值點要求至少在500個以上， 所以在軟件界面端顯示效果上差異不是很明顯，但是當(dāng)保存的數(shù)據(jù)量和風(fēng)向判別的精度會有差異。插值點數(shù)默認(rèn)為1000點，最高為5000點。[〇〇52]如圖10所示，是軟件的操作界面設(shè)計。其中A圖為主界面，所述界面顯示出球體表面的壓力分布狀況以及流速分布狀況，流速區(qū)域中的箭頭指示了風(fēng)的大致流向。點擊球體中的任何一點，可以顯示出該點的壓力值及流速的大小和方向。球體中的黑線代表和底座相平行的直徑，用戶可以拖動球體可以旋轉(zhuǎn)，方便觀察。界面左邊有一系列的按鈕和顯示當(dāng)前所用測量時間的區(qū)域。點擊按鈕會彈出可以進(jìn)行參數(shù)修改的對話框，部分對話框如圖B，C，D，E所示，對話框中的黑點代表單選，方框代表復(fù)選。用戶通過修改對話框中的參數(shù)以使得系統(tǒng)更好地適應(yīng)不同的測量環(huán)境。
[0053]如圖11所示，在精簡模式下，A為從水平方向觀測到的圖像，B，C，D均為俯視圖。在A圖中，此時風(fēng)從平行于水平面的方向以較小的流速吹向球體，此時Al受到的壓力最大，A2出現(xiàn)負(fù)壓。若此時從俯視方向觀察球體的情況如B圖所示，風(fēng)正對球吹來，則A3，A4，A5，A6所受的壓力值應(yīng)當(dāng)時相同的；若此時從俯視方向觀察球體的情況如C圖所示，風(fēng)正對球吹來，則A3，A4所受壓力值相同，A5和A6所受的壓力值相同，且A4所受的壓力小于A5所受的壓力。若風(fēng)速較大時，如圖D所示，將在球體后方形成湍流，此時用完全測量模式將會得到更好的效果O
[0054]本發(fā)明具有如下的優(yōu)勢:
[0055]優(yōu)勢I，采用無線通信的方式與上位機(jī)軟件進(jìn)行連接，使得該裝置具有相當(dāng)大的的靈活性。在有網(wǎng)絡(luò)的情況下可選擇網(wǎng)絡(luò)接口模塊將風(fēng)速球接入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離，長時間的監(jiān)控及測量工作。
[0056]優(yōu)勢2，功耗低，采用某一時刻數(shù)據(jù)單一選通的方式采集傳感器的數(shù)據(jù)，使得在同一時刻只有一個傳感器在工作，且所有壓力傳感器共用放大及濾波電路，較好解決了因為傳感器眾多帶來的功耗及驅(qū)動能力問題。
[0057]優(yōu)勢3，精確。精確性可以體現(xiàn)在以下幾個方面:I風(fēng)速球帶有溫度和濕度傳感模塊，可以對風(fēng)速進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚僮?2帶有程控濾波器，可以依據(jù)實際情況自動進(jìn)行調(diào)節(jié)，有效地抑制噪聲;3，考慮到讀取輪詢讀取傳感器需要一定的時間，采用每一輪二次讀取并進(jìn)行參數(shù)修正的方法使得數(shù)據(jù)在一定程度上保持同步;4風(fēng)速球和軟件端對數(shù)據(jù)進(jìn)行多次軟件校準(zhǔn)操作，很大程度上減小了器件非線性帶來以及電路噪聲的影響;5單片機(jī)軟件采用嵌入實時操作系統(tǒng)，保證了定時的精確性和程序的穩(wěn)定性;6客戶端考慮歷史值和預(yù)測值的影響，有效解決了由隨機(jī)擾動帶來的測量不精確的問題。
[0058]優(yōu)勢4，可以實現(xiàn)多平臺的測試，PC端，可移動端都能實現(xiàn)風(fēng)速的測量操作。很大程度上滿足了多情況的實際教學(xué)，實驗及測量需求。
[0059]優(yōu)勢5，自動化程度高，風(fēng)速球內(nèi)部濾波電路可以依據(jù)實際信號采集情況在一定程度上可以進(jìn)行自動調(diào)節(jié);客戶端軟件即開即用，不需要專業(yè)的知識就能完成實驗和測量操作，操作人員學(xué)習(xí)代價小。
[0060]優(yōu)勢6，可控程度高。軟件端交互界面提供了風(fēng)速測量球參數(shù)及軟件端數(shù)據(jù)處理方式的選項，有關(guān)工作人員可以依據(jù)實際情況選擇合適的參數(shù)，以滿足實際測量的需求。
[0061]上述實施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和等同替換，這些對本發(fā)明權(quán)利要求進(jìn)行改進(jìn)和等同替換后的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1.一種風(fēng)速球集成系統(tǒng)，其特征在于，包括風(fēng)速探測球和客戶端;所述風(fēng)速探測球為外表面光滑的雙層塑料球，所述雙層塑料球分別為外層球殼(I)和內(nèi)層球殼(9);所述外層球殼(I)上均勻開設(shè)有若干個第一通風(fēng)孔，每個第一通風(fēng)孔內(nèi)均設(shè)置有一個壓力傳感器(2);所述壓力傳感器(2)與其對應(yīng)的第一通風(fēng)孔無縫連接，且信號連接至設(shè)置于內(nèi)層球殼內(nèi)的內(nèi)部電路； 所述外層球殼(I)上均勻開設(shè)有若干個第二通風(fēng)孔，每個第二通風(fēng)孔內(nèi)均設(shè)置有一個溫度傳感器(3);所述溫度傳感器(3)與其對應(yīng)的第二通風(fēng)孔無縫連接，且信號連接至內(nèi)部電路； 所述風(fēng)速探測球通過支撐桿(4)與底座(5)固定連接，所述支撐桿(4)為中空結(jié)構(gòu)，且支撐桿上安裝有濕度傳感器(6)，所述濕度傳感器(6)通過支撐桿內(nèi)部的導(dǎo)線信號連接至內(nèi)部電路； 所述內(nèi)部電路設(shè)置于內(nèi)層球殼內(nèi)的PCB板(11)上，內(nèi)部電路包括供電模塊(10)，信號預(yù)處理電路(12)，中央處理器單元(13)和無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊(14);所述信號預(yù)處理電路(12)包括放大模塊、濾波模塊和數(shù)據(jù)選擇模塊;所述數(shù)據(jù)選擇模塊依次選通壓力傳感器，壓力傳感器輸出的電壓經(jīng)過放大模塊以及濾波模塊后進(jìn)入中央處理器單元進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊發(fā)送到客戶端； 所述客戶端包括無線數(shù)據(jù)接收模塊，數(shù)據(jù)緩存模塊，數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，圖形顯示模塊和控制模塊，無線數(shù)據(jù)接收模塊接收到內(nèi)部電路發(fā)出的信號后，進(jìn)行緩存、校準(zhǔn)、存儲并分析處理后在其圖形界面上顯示出球體表面所受到的壓力和球體表面流體流速的變化和分布狀況。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風(fēng)速球集成系統(tǒng)，其特征在于，所述中央處理器單元(13)采用ARM單片機(jī)，濾波模塊采用MAX262程控濾波器，無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊(14)采用藍(lán)牙模塊和wifi模塊ESP8266 ；所述內(nèi)部電路的具體結(jié)構(gòu)如下:單片機(jī)Pl?P7端口通過54HC373控制MAX262程控濾波器，所述MAX262程控濾波器輸出端接入單片機(jī)的ADC端口，傳感器的正端和負(fù)端分別經(jīng)過兩個多路模擬開關(guān)ADG732接入放大電路，信號經(jīng)放大電路放大后經(jīng)過由運(yùn)放構(gòu)成的緩沖電路接入到濾波器輸入端，其中多路模擬開關(guān)由單片機(jī)P2.0?P2.3端口控制；HC-05藍(lán)牙模塊連接到單片機(jī)的串口用以發(fā)送數(shù)據(jù)，藍(lán)牙模塊能夠和wif i模塊ESP8266單獨(dú)使用或者同時使用，兩者的開閉分別通過P3.0和P3.1控制。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種風(fēng)速球集成系統(tǒng)，其特征在于，所述放大模塊的具體電路結(jié)構(gòu)如下:信號分別輸入儀用放大器AD602的正負(fù)輸入端口，5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓經(jīng)過電阻分壓之后經(jīng)過放大器AD705之后作為ADC模塊的模擬地電壓;信號經(jīng)放大器放大后進(jìn)入單片機(jī)的ADC中ο4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風(fēng)速球集成系統(tǒng)，其特征在于，所述濾波模塊采用程控濾波器，所述程控濾波器受控于中央處理器單元，利用中央處理器單元對當(dāng)前一輪讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，若噪聲超過閾值或者濾除的有用信號超過閾值時，則中央處理器單元控制濾波器自動調(diào)節(jié)其參數(shù)；同時所述濾波模塊信號連接至客戶端，能夠利用客戶端選擇程控濾波器類型。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種風(fēng)速球集成系統(tǒng)，其特征在于，所述客戶端為PC客戶端或者手機(jī)客戶端。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風(fēng)速球集成系統(tǒng)，其特征在于，所述中央處理器單元采用 ARM Cortex M4系列芯片，利用其內(nèi)部的12位逐次逼近型ADC模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換操作，經(jīng)過 模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)還需要進(jìn)行非線性以及溫度漂移，噪聲水平檢測及校準(zhǔn)操作；因為單片 機(jī)輪詢讀取傳感器數(shù)據(jù)需要一定的時間，所以采取每輪讀取傳感器時，每個傳感器都需要 按照次序讀取兩次的方案，并按規(guī)律綜合兩次讀取的數(shù)據(jù)得到本輪的傳感器數(shù)值。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風(fēng)速球集成系統(tǒng)，其特征在于，所述中央處理器單元采用 單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi)部嵌入RT-thread單片機(jī)片上操作系統(tǒng)，每輪傳感器讀取完成時，將經(jīng)過 處理之后的數(shù)據(jù)經(jīng)DMA的方式通過無線發(fā)送模塊發(fā)送到客戶端，在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中能夠 同時進(jìn)行下一輪的讀取操作。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風(fēng)速球集成系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理模塊采用數(shù) 字濾波器，通過觀測系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計的算法以實現(xiàn)在線性狀 態(tài)空間表示的基礎(chǔ)上對有噪聲的輸入和觀測信號進(jìn)行處理，求取系統(tǒng)狀態(tài)或真實信號;并 能夠使用支持向量方法對風(fēng)速進(jìn)行短期的預(yù)測操作。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風(fēng)速球集成系統(tǒng)，其特征在于，客戶端程序在進(jìn)行插值擬 合操作時，插值點的選取采用了三角形分割法。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風(fēng)速球集成系統(tǒng)，其特征在于，所述外層球殼(1)表面涂 有抗污涂層。
【文檔編號】G01P5/02GK105974152SQ201610299283
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月6日
【發(fā)明人】楊文彬, 萬能
【申請人】東南大學(xué)