基于超聲波的風速風向測量儀設計

馬 欣 趙繼超

（1.國家海洋局北海海洋環境監測中心站，北海 536000；2.天津科技大學 電子信息與自動化學院，天津 300222）

風速風向檢測在水上漁業、環保氣象、工業設備、采礦安全以及衛生保健等諸多領域都具有十分重要的意義。隨著我國風力發電事業的發展、檢測技術的進步以及人們對環境要求的提高，人們對檢測儀器的測量精度和功能要求越來越高。

風速風向的檢測大多通過風速計和風向標來完成。風速計是測量空氣流速的儀器，屬于安全防護、環境監測類的計量儀表。最常用的風速計為風杯式風速計，感應部分由3個互成120°固定在支架上的拋物錐空杯組成。空杯的凹面都順向一個方向，整個感應部分安裝在一根垂直旋轉軸上。在風力的作用下，風杯繞軸以正比于風速的轉速旋轉。風向標是用來測定風來向的儀器，一般由頭部、水平桿和尾翼3部分組成。在風壓的作用下，風標箭頭指向來風的方向。

傳統的機械式風速計和風向標依靠儀器機械構造進行測量，產品的機械損耗高、使用壽命短，且測量范圍小、反應慢以及內部布線復雜。本文設計了一種使用超聲波檢測技術的風速風向測量儀。超聲測風是超聲波檢測技術在氣體介質中的一種應用，是利用超聲波在空氣中傳播速度受空氣流動的影響來測量風速。與常規的風杯式或旋翼式風速儀相比，這種測量方式的整個測風系統沒有任何機械轉動部件，可最大程度地減少由于儀器的機械特性造成的磨損問題，更加適合極端情況下的風速風向測量。

1 風速風向儀結構

1.1 系統結構設計

作為能夠持續穩定工作的風速風向儀，需要具備穩定的控制系統、精確的測量傳感器、良好的網絡通信系統、安全的本地存儲系統以及持續不斷的能源系統。本文所設計的風速風向儀結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

1.2 主控制器選擇

本儀器選擇由意法半導體公司生產的STM32芯片作為主控制器，如圖2所示。STM32價格低廉、外設豐富，擁有包括FSMC、TIMER、SPI、IIC、USB、CAN、IIS、SDIO、ADC、DAC、RTC以及DMA等眾多外設及功能，具有極高的集成度[1]。

圖2 主控制器

STM32系列產品滿足了工業、醫療和消費類市場的各種應用需求。該系列利用一流的外設和低功耗、低壓操作實現了高性能，還以可接受的價格、簡單的架構以及簡便易用的工具實現了高集成度。

1.3 網絡通信系統

工作時，系統由主控制器控制。風速風向傳感器將采集到的風速風向信息傳輸到主控制器，由主控制器經由網絡通信系統將測量到的信息發送到接收端，同時發送導航模塊測量到的位置信息。網絡通信模塊采用ATK-GM510 4G模塊[2]。此模塊采用4模13頻LTE制式的移動網絡通信模組，提供50 Mb·s-1上行速率和150 Mb·s-1下行速率，支持移動2G、3G、4G，聯通3G、4G和電信4G。網絡通信模塊如圖3所示。

圖3 網絡通信模塊

1.4 定位導航模塊

定位導航部分選用高性能BDS/GNSS全星座定位導航模塊。該模塊產品基于中科微第4代低功耗GNSSSOC單芯片-AT6558，支持多種衛星導航系統，包括國內的北斗衛星導航系統、美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的GALILEO、日本的QZSS以及衛星增強系統SBAS。AT6558是一款真正意義的六合一多模衛星導航定位芯片，包含32個跟蹤通道，可以同時接收6個衛星導航系統的GNSS信號，且實現聯合定位、導航與授時。WTGPS+BD模塊具有高靈敏度、低功耗以及低成本等優勢。定位導航模塊如圖4所示。

1.5 本地存儲系統

若遇到極端天氣或通信不穩定的情況，由本地存儲系統存儲數據，之后由測量工作人員待天氣狀況良好時前往導航位置提取數據。由于海面上太陽能資源豐富，因此供電方面采用太陽能加備用蓄電池雙向電源的方式進行系統供電[3]。本地存儲使用的SD卡模塊自帶3.3 V穩壓芯片，支持3.3 V和5 V寬電壓供電，可以用ARM（STM32）直接驅動。采用大部分芯片均含有的SPI方式通信，同時支持SD卡和Micro SD卡（TF卡）。本地存儲模塊如圖5所示。

圖4 定位導航模塊

圖5 本地存儲模塊

1.6 供電系統設計

當太陽能充足時，太陽能發電板一方面提供系統工作需要的電量，另一方面為備用蓄電池供電[4]。備用蓄電池安裝有電量檢測系統，能夠自動回報電量信息，提高工作人員應對連續陰雨天氣的能力。太陽能供電系統如圖6所示。

圖6 太陽能供電系統

2 風速風向儀傳感器型號及技術參數

本文采用的測量傳感器為得控森社生產的高精度超聲波一體化風速風向傳感器，具體型號為485型（DK-3003-CFSFX-N01）[5]。傳感器主要性能指標為：供電電壓為直流電10～30 V，工作環境-40～80 ℃，0%RH～95%RH，抗風強度75 m·s-1，響應時間1 s，防護等級IP65，輸出信號為485（Modbus-RTU協議）。傳感器工作時無啟動風速限制，可在零風速條件下正常工作，且無角度限制。傳感器采用一體化設計，360°全方位測量，多要素集成，無移動部件，最大化減少了使用損耗，使用壽命長。此傳感器采用一個超聲波換能器發射，兩個側位超聲波換能器分別接收的方式。超聲波傳輸過程中垂直方向沒有位移變化，水平方向會產生位移變化，可根據這個位移進行比較和計算。每個探頭的位置是固定的，風速測量一個周期共采集到8組數據，即8個時間段，根據這個時間段可以計算出8個側向風速，再根據矢量計算得出總風速的大小及風向，精度指標如表1所示。圖7為系統結構圖。

表1 精度指標

圖7 系統結構圖

3 實驗結果和分析

為了保證所設計儀器的有效性，在進行樣機測試時，購買了市面上其他型號的無線室外風向風速測量儀進行同時間同地點的同步測試，并記錄其測量結果進行儀器的有效性分析[6]。

實驗設計的測量地點為北海市銀灘附近海域，測量日期為2020年5月，具體測量時刻如表2所示。

表2 實驗測量結果

本文設計的測量儀與購買的測量儀測量時刻一致，具體測量間距不超過5 m。表2為本文所設計儀器的測量結果，其中“A”儀器為本文所設計測量儀，“B”儀器表示所購買測量儀。通過觀察如表2所示的風向和風速的測量結果，本文所設計儀器“A”與所購買的儀器“B”在測量精度方面幾乎沒有差別。實驗驗證了所設計儀器具有相當高的測量精度，可以進一步投入使用[7]。

4 結語

本文設計的風速風向測量儀基于超聲波檢測原理，與常規的風杯式或旋翼式風速儀相比，整個測風系統沒有任何機械轉動部件，屬于無慣性測量，能夠準確測量出自然風中陣風脈動的高頻部分。尤其在極端環境等條件下，如海洋風速風向測量時，采用超聲測速的測量儀比機械式測量儀更具有實用價值。由于采用太陽能和蓄電池雙向供電，風速風向測量儀固定在海洋浮臺上，可實現24 h無人監控測量，具有極高的擴展價值。