（系统分析与集成专业论文）基于无线网络的风速风向测量系统设计研究.pdf

目录 j 裔要i a b s t r a c t i i 第一章绪论l 1 1 前言l 1 2 研究背景及意义1 1 3 国内外研究现状及主要的测风原理2 1 3 1 机械式原理3 1 3 2 热线式原理。3 1 3 3 压力式原理4 1 3 4 超声波式原理。4 1 3 5 激光式原理5 1 4 本文主要研究内容5 第二章z i g b e e 网络及其检测系统集成7 2 1z i g b e e 网络的主要特点7 2 2z i g b e e 网络通信协议8 2 3z i g b e e 网络结构9 2 3 1z i g b e e 网络设备9 2 3 2z i g b e e 网络拓扑1 0 2 4 基于z i g b e e 的系统集成l l 第三章风速测量原理研究及系统设计1 3 3 1 系统需求分析1 3 3 2 测量原理分析1 3 3 2 1 理论模型。1 4 3 2 2 测量方法研究1 5 3 3 测风传感器的设计1 7 第四章系统硬件设计。1 9 4 1 无线处理器电路设计1 9 4 1 1 微处理器a t m e g a l 2 8 l 1 9 4 1 2 射频芯片c c 2 4 2 0 2 2 4 1 3a t m e g a l 2 8 l 和c c 2 4 2 0 的连接2 3 4 2 外围电路设计2 5 4 2 1 差压传感器电路设计2 5 4 2 2 模数转换电路设计2 7 4 2 3 温度传感器电路设计2 8 4 2 4 气压传感器电路设计2 9 4 2 5 串口通信电路设计3 l 4 2 6j t a g 接口电路设计3 2 4 2 7l c d 显示电路设计3 2 4 2 8 电源电路设计3 3 4 2 9 时钟电路和复位电路设计3 4 4 3p c b 设计。3 5 第五章系统软件设计3 8 5 1 开发环境3 8 5 2 总体软件结构3 8 5 3 数据采集程序设计3 9 5 3 1 差压采集程序3 9 5 3 2 温度采集程序。4 1 5 3 3 差压传感器非线性校正。4 4 5 3 4 气压采集程序4 5 5 3 5 串口通信模块程序设计4 7 5 3 6 液晶显示程序4 8 5 4 无线传感网络软件设计。5 l 5 4 1c c 2 4 2 0 的寄存器简介5l 5 4 2c c 2 4 2 0 的启动和初始化5 1 5 4 3c c 2 4 2 0 发送和接收数据5 2 第六章基于神经网络的风速风向检测研究5 4 6 1b p 网络模型5 4 6 1 1b p 网络结构5 4 6 1 2b p 网络的学习过程。5 5 6 2 风速风向的训练和检测5 6 6 3 数据通信及风速风向检测软件6 0 6 3 1m a t l a b 与单片机的数据通信6 0 6 3 2m a t l a bg u i 界面设计。6 l 第七章总结与展望6 3 参考文献6 4 j l i 【谢6 6 附录6 7 硕士在读期间发表的论文清单6 8 摘要 风速、风向的测量在气象预报、环境监测、风力发电、航空航天等领域中 有着重要意义。随着传感器技术、微处理器技术和网络通信技术的发展，相比 传统的人工观测，数字化、智能化的气象仪器在观测精度、速度和稳定性等方 面都有较大优势。 本文设计了一套运用于交通气象站的风速风向测量系统，选用了以压力传 感器作为探头的测风方式，分析了z i g b e e 技术和无线传感网络结构，构建了基 于交通气象站的无线传感网络模型。本文研究了一种压力式测风装置，通过采 集4 路差压信号结合神经网络算法推算出实际风速风向值，经过实验验证了其 测量的可行性，完成了硬件电路和软件的设计。系统由数据采集模块、数据处 理模块、无线通信模块、电源模块等组成，以主控芯片a t m e g a l 2 8 和无线传感 模块c c 2 4 2 0 为核心，实现了对风压及其相关量的采集、模数转换、风速风向计 算、无线收发以及液晶显示等功能。整个系统作为交通气象站无线传感网络中 的一个节点，能够和其他气象要素采集模块协同工作，并通过无线网络实现和 协调节点的通信，将气象数据汇总到交通气象站数据库。 将z i g b e e 无线传感网络技术运用到交通气象站中，实现了气象信息采集、 管理、发布的智能化和网络化，大大提高了气象部门的工作效率，降低了管理 成本。整个系统在精度、功耗、抗干扰等方面也有较大优势，具有广泛的应用 前景。 关键词：交通气象站，风速，z i g b e e ，无线传感网络 a b s t r a c t m e a s u r e m e n to fw i n dv e l o c i t ya n dd i r e c t i o nh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ei nw e a t h e r f o r e c a s t , e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ，w i n dp o w e rg e n e r a t i o n ，a e r o s p a c ea n do t h e r a r e a s 鼢踟d e v e l o p m e n t o fs e n s o rt e c h n o l o g y , m i c r o p r o c e s s o rt e c h n o l o g ya n dn e t w o r k c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , d i g i t i z e d a n di n t e l l e c t u a l i z e d m e t e o r o l o g i c a l i n s t r u m e n t sh a v eg r e a t l yi m p r o v e do np r e c i s i o n ，s p e e da n ds t a b i l i t y , c o m p a r i n gt o t r a d i t i o n a lm a n u a lo b s e r v a t i o n i nt h i st h e s i s ，aw i n dv e l o c i t ya n dd i r e c t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mu s e di nt r a f f i c w e a t h e rs t a t i o ni sd e s i g n e d am e a s u r em e t h o du s i n gp r e s s u r es e n s o r sa st h ep r o b el s s e l e c t e d ，z i g b e et e c h n o l o g ya n d w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ss t r u c t u r ei sa n a l y z e d ，t h e m o d e lb a s e do nt r a f f i cw e a t h e rs t a t i o ni se s t a b l i s h e d aw i n dm e a s u r e m e n tm o d e l w i t hp r e s s u r es e n s o r sh a sb e e nr e s e a r c h e d ，w i n dv e l o c i t ya n dd i r e c t i o n c a nb e o b t a i n e db yu s i n gn e u r a ln e t w o r ka l g o r i t h mw i t h4c h a n n e l sd i f f e r e n t i a lp r e s s u r e s e n s o rs i g n a l s ，t h ef e a s i b i l i t yi sa l s op r o v e db ye x p e r i m e n t s d e s i g no fh a r d w a r e c i r c u i ta n ds o f h v a r ei sf i n i s h e d t h es y s t e mc o n t a i n sd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，d a t a p r o c e s s i n gm o d u l e ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dp o w e rs u p p l y m o d u l e s y s t e mt a k e sa t m e g a l2 8 la n dc c 2 4 2 0a si t sc o r e ，h a sr e a l i z e dt h ef u n c t i o n so f d a t ac o l l e c t i o n , a d ，w i n dv e l o c i t yc a l c u l a t i o n , w i r e l e s st r a n s m i s s i o na n dl c d d i s p l a y ，n l ew h o l es y s t e mi s an o d eo ft h et r a j 五cw e a t h e rs t a t i o nn e t w o r k , c a n o p e r a t ew i t ho t h e rm e t e o r o l o g i c a ld a t a c o l l e c t i o nn o d e s ，a n dc o m m u n i c a t ew i t h c o o r d i n a t o rt h r o u g hw i r e l e s sn e t w o r k , t h e ns u b m i tt h em e t e o r o l o g i c a ld a t et ot r a m c w e a t h e rs t a t i o nd a t a b a s e n l ec o l l e c t i o n , m a n a g e m e n ta n dt r a n s m i s s i o no fm e t e o r o l o g i c a ld a t ab e c o m e m o r ei n t e l l i g e n ta n dl i n k a b l eb yl l s i i l gz i g b e et e c h n o l o g yi nt r a f f i cw e a t h e rs t a t i o n , t h em a n a g e m e n tc o s ti sr e d u c e d ，a n dt h ee f f i c i e n c yo fm e t e o r o l o g i c a ld e p a r t m e n t i s i m p r o v e d 1 1 1 e s y s t e m h a sa d v a n t a g e si na c c u r a c y , p o w e rc o n s u m p t i o na n d a n t i - j a m m i n g ，a n dh a sw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d s ：t r a f f i cw e a t h e rs t a t i o n , w i n dv e l o c i t y , z i g b e e ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 笙二皇笪垒 第一章绪论 1 1 前言 风速是由许多在时、空上随机变化的小尺度脉动叠加在大尺度规则气流上的一种三维 矢量。国家气象部f - j 匍j 定的地面气象观测规范中，地面风将主要作为二维矢量来考虑， 包括风速( 风矢量的模) 和风向( 风矢量的角度) 两个参数1 。 风与人类的生活、生产密切相关，风速、风向的测量在气象预报、环境监测、风力发 电、航空航天等领域中有着重要意义晗1 。传统的人工观测方式有着诸多缺点，采集的数据 往往精度不高，实时性较差；人工观测效率低下，容易造成人为误差；人工观测受到地理 环境、气候等因素的影响较大，一些偏远山区、沙漠、冰原等环境恶劣的地区观测难度非 常大。在当今社会人口、资源、环境问题突出的情况下，人们对气象信息的需求量越来越 大，对信息的准确性、及时性等要求也越来越高，传统的气象预报已经很难再满足要求。 近年来，传感器技术和微处理器技术不断发展，自动气象站的出现，逐渐取代了人工观测 方式，测量精度和工作效率都大幅提高，气象信息的采集、传输更加可靠，但依靠有线传 输，在一些环境恶劣的地区仍然难以实现，需要付出的人力物力、各种维护成本都很高。 科技进步带动了通信技术的飞速发展，无线通信技术也被运用到自动气象站中，基于 无线网络的风速风向测量系统，具有布线成本低、观测误差小、环境适应性强等优点，可 更好地为科学研究、天气预报、气象灾害决策等服务提供快捷、方便、及时有效的地面气 象观测资料。 1 2 研究背景及意义 自动气象站，是指能按设定的要求，对多种气象要素自动进行采集、处理、存储和传 输的地面气象观测设备，自动气象站一般由传感器、数据采集器、主控单元、显示单元等 系统组成，采集对象包括温湿度、气压、风速、降水、能见度等，通过通信电缆可以和主 控机进行通讯。自动气象站减少了观测人员的地面观测工作量，提高了观测时效和质量曙1 。 传统的自动气象站结构为集中式，系统开放性不高，当前，随着微电子技术、计算机 技术和材料科学的发展，许多新技术包括嵌入式技术、以太网通信技术和无线传感网络技 术等逐渐被运用到自动气象站中，自动气象站的数据采集能力不断提高，功能更加强大， 1 南京信息工程大学硕士学位论文 系统运行的可靠性也越来越高。本文设计的基于无线网络的交通气象站风速风向测量系统 正是以这些新技术为核心，体现了现代化气象测量高效、灵活、智能化的特点。 无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通 信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖 区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感网络中z i g b e e 技术拥有低复杂度、 自组织、低功耗、低成本等特点h ，交通气象站中可以使用z i g b e e 技术组网，对温湿度、 风速、雨量、能见度等气象要素进行高效智能的采集和管理。 2 0 1 0 年，国家正式提出发展物联网新兴技术，即把各种事物通过射频识别、红外感应、 全球定位等信息传感设备通过互联网连接起来，进行信息交换和通讯，实现智能化识别、 定位、跟踪、监控和管理。基于z i g b e e 无线传感网络的交通气象站系统正是把自动气象 站技术和无线网络技术融入到物联网之中，体现了国家发展新技术的战略思想，有利于依 靠科技创新为人类提供更准确更便捷的气象信息服务。本文受江苏省产学研前瞻性项目 “基于手机平台的交通气象检测及信息分发关键技术研究”的资助，对交通气象站风速风 向测量系统进行了研究。 1 3 国内外研究现状及主要的测风原理 自二十世纪八十年代以来，芬兰、美国、日本等国家的地面气象观测网中就已普遍采 用了自动气象站。目前全世界的7 0 多个国家和2 0 多个地区和组织基本上都是使用芬兰 v a i s a l a 公司的气象产品进行气象观测，自动气象站也不例外埔。 我国从2 0 0 0 年起开始自主研发自动气象站，目前国内几个有名的自动气象站生产厂 商和产品型号有：长春气象仪器厂( d y y zi i 系列) 、天津气象仪器厂( c a w s 系列) 、北京 华创升达科技发展中心、广东省气象技术装备中心( z d zi i 型) 、江苏无线电研究所( z q z c i i 系列) 以及北京阿斯曼科技发展公司( a s m 、x y z 系列) ，这些厂家生产的自动气象站在 地面气象观测领域有着广泛的应用。 国内外使用风速风向仪测量近地面小范围的风，在国外，气象测量用的风速风向仪生 产厂商主要包括美国的t s i 公司、丹麦的d a n t e c 公司、日本s k 株式会社、村田制作所等， 其风速测量范围为l 一6 0 m s ，误差为0 1 m s ，风向测量范围为0 3 6 0 。，误差为3 。 国内气象用风速仪生产厂商主要有长春气象仪器厂和天津气象仪器厂，他们生产的风速风 向仪的测量标准与国外相当，风向误差为5 。 热线热膜式风速仪在风速测量中占据重要地位，热线风速仪的诞生已有百年历史，它 是利用热平衡原理，通过放置在流场中具有加热电流的细金属丝来测量风的速度，自上个 2 第一苹绪论 世纪七八十年代起，熟线风速仪已被成功运用于多个领域。利用皮托管陪压力计是上世纪 9 0 年代起工程中常用的风速测量方法之一，它适用于测量2 m s 以上的稳定气流，具有精 度高，结构简单的特点，发展至今技术非常成熟。近年来，国内外在激光多普勒测风和超 声波测风技术上不断进步，将风速测量精度提高到新的高度。 风速风向测量系统依据工作原理不同主要分为机械式、热线式、压力式、超声波式和 激光式。 1 3 1 机械式原理 机械式风速测量装置主要有风杯风速计和螺旋桨风速计，都由旋转器和信号发生器构 成。以风杯为例，其结构为传统三杯旋转架结构。它将风速线性地变换成旋转架的转速。 为了减小启动风速，采用塑制的轻质风杯，锥形轴承支撑。在旋转架的轴上固定有一个齿 状的叶片，当旋转架在随风旋转时，轴带动着叶片旋转，齿状叶片在光电开关的光路中不 断切割光束，从而将风速线性地变换成光电开关的输出脉冲频率。仪器内的单片机对风传 感器的输出频率进行采样、计算，最后仪器输出瞬时风速。 风向测量采用风向标，风向标由箭头尾翼、动杆、主杆、底座四部分组成。角度变换 采用七位格雷码光电码盘，风向标随风旋转时，通过主轴带动码盘旋转，每转动2 8 1 2 5 。，位于码盘上下两侧的七组发光与接收光电器件就会产生一组新的七位并行格雷码，经 过整形、倒相后输出。把格雷码转换成二进制码后查表即可得到对应的风向角埔1 。 机械式测风装置的特点是原理简单，使用方便，但由于存在机械磨损，需要定期维护。 其测量精度一般，需要一定的启动风速，适用于对风速测量要求不高的场合。 1 3 2 热线式原理 热线风速仪是将流速信号转变为电信号的一种测速仪器，其原理是通电加热放置于流 场中的金属丝，使其温度高于流体的温度，顾称其为“热线一。金属丝的一部分热量会被 沿垂直方向流过它的流体带走，从而使温度降低。根据强迫对流热交换理论，流体的速度 v 和金属丝散失的热量q 存在一定关系，可以导出相应风速。热线风速仪主要有恒流式和 恒温式。 恒流式风速仪利用风速探头进行测量。风速探头为一敏感元件，当其加热线圈中通一 恒定电流时，探头内的温度升高到一定数值。其内测量元件热电偶产生相应的热电势，并 被传送到测量指示系统，此热电势与电路中产生的基准反电势相互抵消，使输出信号为零。 当测风探头端部的热敏元件暴露于外部空气中时，其热电偶热电势会因热交换的存在而变 3 1 3 4 超声波式原理 超声波风速测量大致可分为速度差法、多普勒法、波束偏移法、相关法以及噪声法等 方法。 速度差法使用最为广泛，其基本原理是通过超声波脉冲顺流和逆流传报时速度之差来 反映流体的流速。速度差法又可分为直接时差法、时差法、相位差法和频差法，其中频差 法和时差法精度较高，声速随流体温度变化产生的误差较小。 多普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒 频移来确定流体流量的，可用于含悬浮颗粒、气泡等流体流速的测量。 波束偏移法测量原理是：流体速度的变化会导致超声波在流体中的传播方向发生偏 移，从而反映出流体的流速，低流速时，灵敏度较低，实用性不大。 相关法是利用相关技术测量流速，因在原理上其测量精度与流体中的声速无关，因此 4 与流体温度，浓度等无关，其优点是测量准确度高，适用范围广，缺点是相关器价格昂贵， 线路复杂。 噪声法是利用管道内流体流动时产生的噪声与流体的速度之间的关系，通过检测噪声 得到相应的流速。其方法简单，设备价格便宜，但准确度较低。 1 3 5 激光式原理 激光多普勒测速技术是伴随着激光器的诞生而产生的一种新的测量技术，它是利用激 光的多普勒效应来对流体或固体速度进行测量的一种技术，广泛应用于军事、航空、机械、 能源、计量、医学、环保等各种领域。基本原理是将激光束穿透流体照射在随流体一起运 动的微粒上，检测微粒散射光的频率，根据光学多普勒效应确定微粒即流体的运动速度旧1 。 根据激光类型的不同，可以分为单频激光多普勒测速仪和双频激光多普勒测速仪。采 用单频激光器作为光源的单频激光多普勒测速仪，通过测量由于运动物体对光的散射所产 生的多普勒频移量来获取待测物体的速度。单频激光多普勒测速仪主要有：迈克尔逊干涉 型测速仪、差分混频单频激光多普勒测速仪、单频激光速度干涉仪、可测量任意反射表面 的速度干涉仪( v i s a r ) 、激光多普勒测试仪( l d v ) 。双频激光多普勒测速仪不同于单频 激光多普勒测速仪，采用双频激光器作为光源，能够克服单频激光多普勒测速仪易受测 量环境影响的缺点，抗干扰能力强，具有较高的信噪比。主要有正交偏振双频激光多普勒 测速仪和唧型双频激光多普勒测速仪。 总体来说，激光多普勒测速技术的特点是： ( 1 ) 无接触测量，测量过程对流场无干扰。 ( 2 ) 空间分辨率高，适用于边界层、薄层流体及狭窄通道流体的测量。 ( 3 ) 动态响应快，是研究紊流和测量瞬时速度的新方法。 ( 4 ) 测量精度高，其工作原理是基于一个精确地物理表达式，与流体的特性无关。 ( 5 ) 方向灵敏度高，可以方便的测量任意方向上的速度分量。 其局限性是被测流体要有一定的透光度；流速过高时信号处理较困难；价格较贵，且有一 定防震要求。 1 4 本文主要研究内容 本文以地面观测规范中风速测量的性能指标作为系统需求分析的依据，从结构设计、 硬件设计和软件设计三方面对交通气象站风速风向测量系统进行了分析和研究。 5 6 终的风 第二章z i p j 3 c c 网络及其检测系统集成 第二章z ig b e e 网络及其检测系统集成 2 0 世纪9 0 年代开始，无线网络技术不断发展，影响着人们的生活和工作，但是，在 实际应用中仍然存在着一些现有无线网络技术无法或不能很好工作的场合，人们需要一种 短距离、低数据传输速率、低成本、低功耗的无线网络技术。2 0 0 2 年，英国i n v e n s y s 公 司、日本m i t s u b i s h i 公司、m o t o r o l a 公司、p h i l i p s 公司等联合发起成立了z i g b e e 联盟， 标志着z i g b e e 技术的诞生，其目的在于建立一种低成本、低功耗、低数据传输速率、短 距离的无线网络技术标准n 引。 z i g b e e 无线传感网络有着广泛的应用前景，其应用领域主要包括： 家庭和楼宇网络：空调温控、照明控制、家用电器远程控制等。 工业控制：各种监控器、传感器的自动化控制。 现代农业：收集各种土壤信息和气候信息。 环境监测：用于温度、气压、降雨、大气成分等气象要素的监测。 此外还包括在医疗、交通、智能建筑、商业等各种领域的应用。 2 1z i g b e e 网络的主要特点 z i g b e e 是一种低速无线个域网技术，它适用于通信数据量不大，数据传输速率相对较 低，分布范围较小，但对数据的安全可靠有一定要求，而且要求成本和功耗非常低，并且 容易安装使用的场合，主要有一下几个特点。 ( 1 ) 灵活的工作频段 z i g b e e 选用了免费的i s m 频段，定义的2 4 g h z 频段和8 6 8 9 1 5 姗z 频段分别适用于全 世界范围和欧洲北美地区。每个频段拥有多个信道，使用灵活方便。 表2 1z i g b e e 三种工作频率比较 频率工作频率范围频段类型国家和调制方式传输速率 ( 删z )( 姗z )地区 ( k b p s ) 8 6 8 9 1 58 6 8 - 8 6 8 6i s m 欧洲 b p s k2 0 9 0 2 - 9 2 8i s m 北美 b p s k4 0 2 4 5 02 4 0 0 2 4 8 3 5i s m 全球口咱p s k 2 5 0 ( 2 ) 对m c u 的资源要求低 7 南京信息工程大学硕上学位论文 z i g b e e 协议较为简单，对m c u 的资源要求较低，可以运行于运算和存储能力有限的 m e u 上，适合对成本控制要求较高的场合。 ( 3 ) 数据传输可靠 z i g b e e 采用了载波检测多址访问和冲突避免算法( c s m & - e a ) 进行输出传输，并与确 认和数据检验等方式结合，可保证数据的可靠传输。安全性是z i g b e e 的另一个特点。为 了提高灵活性和支持在资源匮乏的m e l j 上运行，z i g b e e 支持3 种安全模式，其中最高的三 级安全模式采用属于高级加密标准( a e s ) 的对称密码和公开密钥。 ( 4 ) 极低的功耗 低功耗是z i g b e e 最重要的特点。数据的传输是由功能简单的从节点发起，通常由电 池供电，在没有数据传输的时候可以进入休眠模式，有效降低系统功耗。 ( 5 ) 网络容量大 z i g b e e 支持星形、树形和网络拓扑形多种结构，拥有庞大的网络容量，其设备既可以 使用6 3 位的i e e e 地址，也可以使用指配的1 6 位短地址。一个单独的z i g b e e 网络内，可 以容纳最多2 1 6 个设备。 2 2z i g b e e 网络通信协议 按照i s o 的o s i 模型，z i g b e e 网络从下至上可分为为物理层( p 札) 、媒体访问控制层 ( m a c ) 、网络层( n w k ) 和应用层( k p l ) 1 1 1 。如图2 1 所示，其中物理层和m a c 层符合 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，网络层和应用层用于向上层提供数据服务和管理服务，z i g b e e 的应 用层由应用支持子层( a p s ) 、z i g b e e 设备对象( z d o ) 和制造商定义的应用对象组成。 8 m a c 层的主要功能是为两个z i g b e e 设备的m a c 层实体之间提供可靠的数据链路，其功 能包括n 羽：通过c s m a - c a 机制解决信道访问时的冲突、发送信标或者检测跟踪信标、处理 和维护保护时隙以及建立和断开连接。 网络层通过使用m a c 层提供的各种功能，保证i e e e 8 0 2 1 5 4 标准m a c 层各种功能的 正确执行，完成建立、维护网络的任务，并向应用层提供服务。 应用层由应用支持子层( a p s ) 、z i g b e e 设备对象和制造商定义的应用对象等组成。应 用支持子层( a p s ) 为网络层和应用层间提供接口，提供数据服务、管理服务和对a i b 属 性的操作等。设备对象用于满足z i g b e e 协议栈中应用操作的一般需要。 2 3z i g b e e 网络结构 2 3 1z i g b e e 网络设备 z i g b e e i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了两种类型的设备：全功能设备( f f d ，f u l lf u n c t i o n d e v i c e ) 和精减功能设备( r f d ，r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ) 。r f d 具有精简的协议栈，是 最简单的z i g b e e 节点，只实现最少的z i g b e e 服务，只能作为终端设备。f f d 是具有完全 功能的协议栈，能容纳网络内所有节点的设备信息，可以作为网络协调器进行网络的组织 9 备也可以分 最强。它主 找一对节点 像路由器节 池供电终端 中，允许路 这个网络设 收发状态的 图2 2z i g b e e 网络拓扑结构 ( 1 ) 星形拓扑 星形拓扑结构中有一个称为网络协调器的中央控制器和多个从设备。协调器负责网络 l o 第二章z i g b c c 网络及其检测系统集成 的建立和维护，它必须是全功能设备( f f d ) ，并且需要有稳定的电能供给。从设备可以是 f f d ，在大多数情况下是采用电池供电的r f d ，只能直接与网络协调器进行数据通信，而与 其他从设备之间的通信必须经过网络协调器转发。星形拓扑的优点是结构简单，成本较低， 方便管理，但不易实现高密度扩展。 ( 2 ) 树形拓扑 树形拓扑主要用于分布范围较广的场合，网络中的终端设备处于网络最末端的叶节 点，若干叶节点设备连接在一个全功能f f d 上形成簇，若干个簇形成树。树形拓扑网络结 构中大部分设备是f f d ，精简功能设备r f d 只能作为叶节点处于树枝末端。网络中有一个 主协调器，其设备应具有更多的设备和稳定可靠的供电。树形拓扑可以被用于简单的低数 据量大规模集合的应用之中，稳定性和扩展性较好。 ( 3 ) 网格形拓扑 网格形网络类似于树形网络配置，但f f d 可以直接把消息发送给其他的f f d 而不用沿 着树来传输，来自r f d 的消息依然要通过它的父节点来转发。网状网络拓扑的优势在于减 少了消息传输的时延并且增加了可靠性，网格形网络中多数节点是全功能节点，任意两个 节点间的通信路径也不是唯一的，相比星形拓扑和树形拓扑复杂性更高，具有动态路由的 特点。 2 4 基于z i g b e e 的系统集成 砘 囱 手持设鲁 、 路口t 自嘛检测 、 、一一，一 图2 3 交通气象站结构 无线网络交通气象站系统包括对温度、湿度、雨量、风速、能见度、降雪等气象要素 l l 南京信息工程大学硕士学位论文 的采集、汇总和分发，图2 3 为交通气象站结构，终端设备包括采集不同气象要素的传感 器节点，通过无线组网将采集到的信息发送到协调器节点，协调器节点再将它们汇总到交 通气象站上位计算机及中心数据库，也可以通过g p r s 发送给手持设备。 本文设计的风速风向测量终端中，计算机接收到风速传感器发来的差压信号后，利用 神经网络进行数据处理，并检测出实际的风速风向。 1 2 第三章风速测量原理研究及系统设计 第三章风速测量原理研究及系统设计 3 1 系统需求分析 根据国家气象部门制定的地面气象观测规范，对我国自动气象站中风速风向仪的 测量性能应符合如下的要求n 劓： 风速： 测量范围：o 一- - 6 0 m s 分辨力：0 1 m s 准确度：0 5 m s 平均时间：2 m i n 采样速率：1 次m i n 风向： 测量范围：0 - 3 6 0 。 分辨力：3 。 准确度：5 。 平均时间：2 m i n 采样速率：1 次i n 3 2 测量原理分析 本文采用了压力式测量原理，通常的测量方法是使用皮托管作为测风探头，连接差压 传感器分别采集风速的全压和静压，根据不可压缩流体的伯努利方程有： e o + i 1 p y 2 = p ( 3 1 ) 其中，尸为流体全压，咒为流体静压，y 为流体速度，p 为流体密度。根据它们的关系可 以得到相应的风速值，国内外使用该原理的皮托管风速仪技术上已很成熟，它的特点是结 构简单，使用方便，测量精度较高。但也存在不足，测量时必须将皮托管的全压孔对准来 流方向，因此只能对已知风向的风速进行采集，无法感知风向。为了解决这个问题，本文 研究了流体力学中流体与压力的关系，建立了流体绕圆柱流动模型，对其进行了实验和分 析，得到了一种通过测量多点压力获得风速和风向的方法。 1 3 情 的 圪 的 表 的 ) 它们都是由简单势流叠加所得的势函数和流函数，所以都满足拉普拉斯方程，且满足圆柱 的边界条件，即为绕圆柱流的解。 相应的速度分布，可以由势函数和流函数求得： 1 4 其中，巧是垂直圆柱表面的径向速度，是与圆柱表面平行的切向速度，在圆柱表面上， r = r ，此时 崔- 2 圪s i n o 浯4 ， =圪 可见圆柱表面上只有切向速度，而无径向速度，流体质点不离开圆柱表面，其绝对值对 称于x 和y 轴，前后驻点a 、b 点即日= 石、0 = 0 处圪- - - 0 。 圆柱表面上任意一点的压力可由伯努利方程求得 p ：儿+ 委p 曙一1 y 2 2p(3-5)p 2 儿+ j p 曙一 y 式中几为无穷远处的压力，相当于静压，圆柱表面上，y = = - 2 v 。s i n 0 ，所以压力分布 为 p ：儿+ 昙p 眨( 1 4 s i l l ：刃( 3 - 6 ) 工程应用中，常用压力系数表示压力分布n 引，其优点是无量纲不随着压力绝对值大小而改 变，在应用和分析上较方便。压力系数是这样定义的：任意点的压力与来流压力之差对来 流动压之比。 - p 2 厮p - p 。 ( 3 7 ) ，二 一 圆柱表面的压力系数为： p = l 一4 s i n 2 0 ( 3 8 ) 3 2 2 测量方法研究 理想的流体绕圆柱流动模型如图3 2 - a 所示，运动流体作用在圆柱表面的压力的合力 为零，这个结论与实验观察到的现象存在矛盾，即所谓的达郎伯尔( d a 1 e m b e r t ) 悖论， 事实上流体具有粘性，即使是低粘性的流体，运动流体在靠近圆柱体表面的范围内摩擦作 用也不能忽略，流体是有旋的，在粘性作用下圆柱表面下游某处会发生分离并形成尾迹区， 在尾迹区压力的变化与理想流体有所不同，如图3 2 - b 所示。 1 5 图3 3 实验用测风探头结构 实验是在标准大气压和2 0 。c 室温下进行标定的，根据伯努利方程，风速与差压的关 系还需考虑空气密度p ，风速的平方与空气密度成反比，在不同环境下测量时需要将神经 网络推理到的风速值乘以吾，其中风为实验标定时的空气密度。 空气密度与环境温度、大气压力有关，如式3 - 9 。 1 6 第二章风速测量原理研究及系统设计 p ：丛；一盟一 ( 3 - 9 ) r t 2 8 7 0 5 ( 2 7 3 + f ) 因此，本系统中对这两个量也进行了采集。 3 3 测风传感器的设计 本文主要1 ：作是完成风速风向测量终端的设计和调试，并实现与协调器节点的通信， 主要功能如下： ( 1 ) 完成风速风向相关量的采集，包括多路差压、温度和大气压力三类信号，并把模拟 量转换为数字量。 ( 2 ) 对采集到的数据进行处理，利用软件补偿方法对差压传感器进行非线性校正，把采 集到的不同风速和风向时的大量差压值使用神经网络模型进行训练，实现对未知风速的检 测。 ( 3 ) r s 2 3 2 串口通信，实现终端节点与上位机的数据发送与接收，协调器节点也可通过连 接上位机使用串口通信助手对无线信号的传输状态进行监控。 ( 4 ) 依据z i g b e e 协议组织数据帧，将数据通过无线网络发送给协调器节点。 ( 5 ) l c d 显示，提供友好直观的人机交互界面。 风速风向测量终端的作为一个传感器节点，其结构如图3 8 。 图3 8 测量终端整体结构 整个传感器节点采用模块化的设计方法，主要分为数据采集模块、数据处理模块、数 据通信模块、电源管理模块和辅助功能模块。 1 7 1 8 第四章系统硬件设计 第四章系统硬件设计 4 1 无线处理器电路设计 系统硬件设计的核心包括处理器部分和射频部分，在满足所需功能的前提下，尽可能 降低功耗，这里选用低功耗a v r 单片机a t m e g a l 2 8 l 和符合2 4 g h zi e e e8 0 2 1 5 4 标准的 射频芯片c c 2 4 2 0 组合的方案，下面就芯片特点做简单介绍。 a t m e g a l 2 8 l 是基于a v rr i s c 结构的8 位低功耗c m o s 微处理器。由于其先进的指令集 以及单周期指令执行时问， a t m e g a l 2 8 的数据吞吐率高达1m i p s 姗z ，从而可以缓减系 统在功耗和处理速度之间的矛盾1 。 v r 内核具有丰富的指令集和3 2 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单 元( a l u ) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种 结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的复杂指令集微处理器高1 0 倍的数据吞吐率。 a t m e g a l 2 8 l 单片机拥有比其他型号a v r 单片机更高的性能，图4 1 为其内核结构。 1 9 南京信息工程大学硕士学位论文 8 位数据总线 图4 1a t m e g a l 2 8 l 内核结构 a t m e g a l 2 8 l 主要特点： ( 1 ) 先进的r i s c 精简指令集结构 a t m e g a l 2 8 l 的指令集包含1 3 3 条大部分为单周期执行的指令，拥有3 2 x 8 个通用工作 寄存器和外设控制寄存器，片内带执行时间为两个时钟周期的硬件乘法器。 ( 2 ) 非易失性程序和数据存储器 拥有寿命为1 0 0 0 0 次擦写周期的1 2 8 k b 可编程f l a s h 和4 k be e p r 伽，4 k b 内部s r a m ， 外部存储区最大可扩充至6 4 k b 。支持可编程程序加密和在线s p i 编程。 ( 3 ) 符合i e e es t d 1 1 4 9 1 标准的f f t a g 接口 支持边界扫描和片内调试，可对f l a s h 、e e p r o m 、熔丝位和加密位编程。 ( 4 ) 强大的外设功能 主要包括两个带预分频器和比