（控制理论与控制工程专业论文）黄河流速监测系统的设计.pdf

山东大学硕七学位论文 摘要 我国河流众多，河流的综合利用在国家经济社会发展中占有重要位置，水文 测量在国民经济建设中的地位和作用与日俱增。流速测量是水文测量的主要工作 之一，当前流速测量应用比较成熟的方法有很多种，但都有着明显的应用局限性。 本文结合黄河泺口水文站流速测量中存在的问题，针对黄河水含沙量大，不 同季节流量悬殊的特点，在对比当前各种流速测量方法优缺点的基础上，利用力 学平衡原理进行流速测量。该方法对放在水中的球体进行受力分析，建立相应的 数学模型，进而计算得到水的流速。这样就避免了传统方法需要经常清理流速仪 的麻烦，而且，新的流速监测系统可以快速完成多点流速的测量，不再使用测量 船，提高了测量效率，大大节省了人力、物力，同时保证了测量人员的安全。 硬件方面，利用m s p 4 3 0 f 1 6 1 2 单片机和c c 2 4 2 0 无线传输芯片设计了z i g b e e 协调器和终端设备，并利用三轴加速度传感器m m a 7 2 6 0 q 进行倾角测量；在设 计p c b 板时，根据2 4 g h z 高频设计规范，充分考虑了电路的元器件布局、分块 摆设和射频天线的设计，有效抑制了噪声干扰，提高了z i g b e e 设备的通信距离 和通信质量。软件方面，在i a re m b e d d e dw o r k b e n c hv 3 环境下，开发了协调器 程序和终端设备程序，组成了z i g b e e 协议规范下的星型网络；在p o w e r b u i l d e r l l 0 环境下，开发了上位机软件，通过r s 2 3 2 接口实现了协调器节点与上位机的串 行通信，数据保存在数据库s q ls e r v e r2 0 0 0 中，以便进一步的数据在线或离线 分析与处理。软件算法上，使用小波变换理论对加速度传感器信号进行了滤波仿 真实验，发现使用小波变换理论滤波后可以减小测量误差。 本文进行了大量实验，并对实验获得的流速数据与u s 6 9 m 型声学多普勒流 速仪测量数据进行了比较，发现该测量方法的测量结果比较准确，效率比传统方 法有很大提高，达到了预期目的。 关键词：流速测量；加速度传感器；z i g b e e ；小波理论；抗干扰设计 山尔大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h e r ea r em a n yr i v e r si no u rc o u n t r y i ti si m p o r t a n tf o r t h ed e v e l o p m e n to fo u r c o u n t r yt om a k eg o o du s eo fw a t e rr e s o u r c e h y d r o g r a p h i cm e a s u r e m e n ti sb e c o m i n g m o r ea n dm o r ei m p o r t a n t f l o wv e l o c i t ym e a s u r e m e n ti so n ei m p o r t a n tf a c t o ro fh y - d r o g r a p h i cm e a s u r e m e n t t h e r eh a v eb e e nm a n ym a t u r ew a y st om e a s u r ef l o wv e l o c i t y b u ta l lo ft h e mh a v ed i f f e r e n td i s a d v a n t a g e s w r a t e ri ny e l l o wr i v e ri sr i c h i ns a n da n di t sf l o wi sd i f f e r e n ti nd i f f e r e n ts e a s o n s s ot h e r ea r em a n yp r o b l e m si nd a i l yw o r ka tl u o k o uy e l l o wr i v e rh y d r o m e t r i cs t a - f i o n t h i n k i n go fa l lt h e s ef a c t o r s ，aw a yb a s e do nd y n a m i c sb a l a n c et h e o r yi sp u t f o r w a r di nt h i st h e s i s t oa n a l y s et h es t r e n g t hb r o u g h to nab a l li nt h ew a t e r , am a t h - m a t i c sm o d u l ei sf o u n d t h e nt h ef l o wv e l o c i t yi sc o m p u t e dt h r o u g ht h em a t h m a t i e s m o d u l e i nt h i sw a yt h ed e v i c e sd on o tn e e dt ob ec l e a r e da si nt r a d i t i o n a lw a y s a tt h e s a m et i m e ，f l o wv e l o c i t yo fd i f f e r e n tp o i n t sc a nb em e a s u r e da to n et i m ew i t ht h en e w s y s t e m b o a t sf o rm e a s u r e m e n ta r en o tn e e d e da n ym o r e i tn e e d sf e w e rw o r k e r sa n d c o s t sl e s sm o n e yt h a nt r a d i s t i o n a lw a y s a n di ti ss a f e rf o r t h ew o r k e r s i nh a r d w a r es c h e m e ，c o o r d i n a t o ra n de n dd e v i c ea r ed e s i g n e db a s e do nm c u m s p 4 3 0 f 1 6 1 2a n dw i r e l e s st r a n s m i s s i o nc h i pc c 2 4 2 0 t h r e e - a x i sa c c e l e r o m e t e r m m a 7 2 6 0 qi su s e dt og e to b l i q u i t y w h e nd e s i g n i n gp c b ，2 4 g h zh i g h - f r e q u e n c y d e s i g ns p e c i f i c a t i o n sa r es t u d i e d i no r d e rt os u p p r e s sn o i s ea n di m p r o v ec o m m u n i e a - t i o nq u a l i t y , c o m p o n e n t sl a y o u ta n dr fa n t e n n ad e s i g na r ef u l l yt a k e ni n t oa c c o u n t i n s o f t w a r ed e s i g n ，c o o r d i n a t o rp r o g r a ma n d e n dd e v i c ep r o g r a ma l ep r o g r a m m e du n d e r i a re m b e d d e dw o r k b e n c hv 3i d e as t a rn e t w o r ki sr e a l i z e db a s e do nz i g b e ep r o - t o c 0 1 p cs o f t w a r ei sd e v e l o p e du n d e rp o w e r b u i l d e r11 0 d a t ai st r a n s m i t t e dt op c f r o mc o o r d i n a t o rt h r o u g hr s 2 3 2 a n dt h e ni ti ss t o r e di nd a t a b a s es q ls e r v e r2 0 0 0 i ti sc o n v e n i e n tt oa n a l y s ea n dd e a lw i t ht h ed a t ae i t h e ro n l i n eo ro f f i i n ei nt h ef u t u r e w o r k i ns o f t w a r ea l g o r i t h m ，s i g n a l sf r o mt h ea c c e l e r o m e t e ra r ed e n o s e du s i n gw a v e - l e tt r a n s f o r mt h e o r y d e v i a t i o ni sr e d u c e da f t e rt h es i g n a li sd e n o i s e d u al o to fe x p e r i m e n t sa r ed o n ea n da g r e a td e a lo fd a t ai sa c q u r e d a f t e rc o m p a r - 山东大学硕七学位论文 h a gt h er e s u l tw i t hr e f e r e n c ef r o ma d vu s 6 9 m ，i ti sf o u n dt h a tt h er e s u l ti sf a i r l ye x a c ta n dt h ee f f i c i e n c yi sh i g h e rt h a nt r a d i t i o n a lw a y s s ot h es y s t e mb a s i c a l l ya c h i e v e d e x p e c t e dr e s u l t k e yw o r d s ：f l o wv e l o c i t ys u r v e y ；a c e e l e r o m e t e r , z i g b e e ；w a v e l e tt r a n s f o r mt h e o r y , 山东人学硕+ 学位论文 l d v p p a n j t a g s p i u a i h i e e e a s i c o s i p h y m a c n w k a p l n l d e m l m e r i s c t d m a f f d r f d c w t d w t i v 缩略词注释表 l a s e rd o p p l e rv e l o c i m e t r y p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y p e r s o n a la r e an e t w o r k j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p s e r i a lp e f i p h e r a li n t e r f a c e 激光多普勒测速仪 粒子图像测速仪 个人区域局域网 联合测试行动小组 串行外围接口 u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r 通用异步收发装置 i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s 电气和电子工程师协会 a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t专用集成电路 o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c tr e f e r e n c em o d e l开放系统互连参考模型 p h y s i c a ll a y e r 物理层 m e d i u ma c c e s sc o n t r o ls u b - l a y e r媒体访问控制层 n e t w o r kl a y e r a p p l i c a t i o nl a y e r n w k l a y e rd a t ae n t i t y 网络层 应用层 网络层数据实体 m a c s u b l a y e rm a n a g e m e n te n t i t y m a c 层管理实体 r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t i n g t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s f u l lf u n c t i o nd e v i c e r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e c o n t i n u e 勋蹭，e tt r a n s f o r n l d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r i l l 精简指令集 时分多址接入 全功能器件 简化功能器件 连续小波变换 离散小波变换 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：王煎 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：熏垫! 凿导师签名：瞄! 旌釜月 期：迹珥 山东大学硕十学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 我国河流众多，河流的综合利用在国家经济社会发展中占有重要位置。随着 国民经济持续、快速发展，水旱灾害带来的损失越来越大，水资源短缺和水环境 恶化日趋严重，水文测量在国民经济建设中的地位和作用与日俱增【l 】。水文测量 主要是对境内江、河、湖泊、河口等水文循环中各个水的动态要素进行长期、持 续的观测、调查，并对测量资料进行整编、积累、存储等，以寻求水循环规律和 缓解水资源危机的措施，保证未来经济建设和资源开发的需求；利用长期的水文 基础资料进行国家或区域水资源变化规律的研究，为合理开发利用水资源、有效 保护水环境提供可持续发展战略的科学依据；为组织防汛抗洪、抢险救灾提供及 时准确的决策性水文情报预报信息，保障国家和人民财产的安全等等【2 】。 流速测量是水文测量的主要工作之一，人们对流动信息的关心由来已久。湍 流问题被认为是经典物理学唯没有解决的问题，最为主要的原因是描述流动问 题的著名的n s 方程的求解在数学上有很大的困难【3 】。从根本上说，目前流体力 学仍然是一门实验科学，许多问题的解决和实际流动模型的改进都依赖高质量的 实验结果的获得。流体的流动速度是最为基本的物理量，对流动特征的认识很大 程度上取决于流速的获得。在我国，由于早期在科学技术与电子技术等方面比较 落后，对流速仪的研究起步相对较晚，研制的流速仪功能相对单一。相对而言， 国外技术先进，起步较早，功能齐全。近年来，随着先进的测速设备的引进以及 电子科学技术的进步和发展，国内流速仪的研发加快，已研制出了多种流速仪。 目前的流速测量方法主要使用毕托管、热膜热线流速仪、激光多普勒流速仪、粒 子图像流速仪和转子式流速仪。 目前黄河泺口水文站使用旋桨式流速仪进行流速测量。黄河河水含沙量大， 转子式流速仪的螺桨式工作不稳定甚至有时候出现停止工作的状况。这不但影响 了流速测量的精度，也给测量工作带来了很大不便，因此需要一种新的测量方法 来解决这个问题，这也是本课题的意义所在。 山东人学硕十学位论文 1 2 常用流速测量方法简介 目前应用比较广泛的流速测量方法主要使用毕托管、热线热膜流速仪、转子 流速仪、激光多普勒测速仪和粒子图像测速仪等，其他方法均是基于这些方法的 基本原理演变来的【3 - 5 】。 1 毕托管测速仪 自1 7 3 2 年法国工程师p i t o t 发明总压管以来，人们由压力测量结果和著名的 b e r n o u l l i 方程计算出单点水流能量。1 9 0 5 年，流体力学大师p r a n d t l 发明了总静 压管，由此人们开始得到流场单点的平均速度【5 】。从原理上说，毕托管( p i t o tt u b e ) 测速基于流体力学的能量方程，在定常、理想无粘滞、不可压假设下即成为 b e n o u l l i 方程。一般来说，由于受到上述条件的限制，毕托管只用于平均速度测 量或流量测量；另一方面，对总静压管的检测开始时采用液柱式微压差计，这也 使得速度量的测量仅局限于平均值的反映。虽然人们在非定常、可压等条件下对 b e n o u l l i 方程在毕托管的应用中做了各种修正，单由于探针本身制作的困难和新 的测量技术的发展，实际测量中很少应用，在特殊场合下测量的误差分析等实验 理论问题也说法不一。 毕托管属于单点、定常的接触式测量，对被测流场影响较大。目前，毕托管 一般在工业级应用中比较普遍，或者作为其他测量方法的预估测量方案或辅助结 果验证，很少真正作流体力学实验研究中最后的速度测量依据。目前从事研究型 流动测量仪器的专业公司并没有专门毕托管的产品，这也从另一个侧面反映出它 在流速测量研究中的局限性。 2 热线热膜流速仪 从基本原理的产生和第一次应用于流速测量，作为电子仪器的热线热膜流速 仪甚至早于机械式的毕托管【7 ，8 1 。自从1 9 0 2 年英国人s h a k e p e a r 提出初步方案并 且进行实际测量和后来k i n g 提出强迫对流换热模型从而推导出k i n g 公式，热线 流速仪伴随2 0 世纪电子学的飞速发展，迅速再流体力学研究中特别是湍流的测 量中发挥主导作用。由于其使用方便，频响高且不需要再流场中添加示踪颗粒， 对流场没有透光等苛刻的要求，不但在实验室环境下的流动模型研究工作中，而 且再实际流场的测量中都迅速得到广泛应用。 2 山东大学硕士学位论文 热线热膜流速仪是利用放置在流场中具有加热电流的金属丝( 直径 0 5 5 a m ) 来测量流速的仪器。由于金属丝通过了加热电流，因而当流速变化时， 金属丝的温度就随之而改变，从而产生了电信号的变化，这种变化的流速之间具 有单调的一一对应关系，因此通过预先校准过程，测量该电信号的变化就可以得 到实际流场的速度大小。根据使用不同的探针，可分为热线探针和热膜探针。热 线敏感元件中金属丝材料的选取具有电阻率大、电阻温度系数高、抗拉强度好、 热传导率小和最大可用温度高等特点，一般选用钨丝或镀铂钨丝。热膜敏感元件 是由沉积在热绝缘衬底上的o 1 a m 薄的铂金属膜和镍膜构成的，最常见的衬底 形状是圆锥形和圆柱形。 热线热膜流速仪具有空间和时间分辨率高、背景噪声低、测量范围大、对流 体干扰小等优点，在水工水力学、空气动力学实验中得到了广泛应用。 3 激光多普勒测速仪 激光多普勒测速仪的测速原理【6 】是利用流体中运动微粒散射光的多普勒频 移来获得流体速度信息，进一步地，利用入射光和散射光相位差与颗粒径尺寸呈 线性关系可以同时得到颗粒的粒径信息，由此发展的测量工具称为相位多普勒粒 径分析仪。 从多普勒效应来说，构成激光多普勒测量的光路有很多种，入射光路和散射 光路可以有不同的布置。目前发展的对实际测量最为合理的双光束双散射模型 普遍为商用系统所采用，由于其测量与散射光方向无关，这样一个光学探头就可 以同时完成激光的发射和接收，虽然根据米式散射原理，后向接收的光强很弱， 但现代光信号放大和光电倍增技术的发展，使得l d v 后向接收的微粒散射光信 号完全可以被有效的检测出来并且准确的反映出颗粒速度大小。目前的信号分析 系统可以分析颗粒运动速度大小已经超过15 0 0 m s ，加上频移技术的使用，还可 以对正负向速度进行准确区分。特别需要提到的是，以往三维速度分量测量由于 光路布置一般采用双探头布置，其中一个探头进行二维测量，另一个探头进行一 维测量，这种光学布置对于空气速度场的测量没有太大问题，但由于水折射率变 换的影响，如果这种布置用于水中的三维速度测量，随着探头的移动，会出现测 量激光探测体不一致的问题，就是说，两个探头不能聚焦到一点，从而测量结果 并不是同一个点的三维速度值。 3 山东人学硕十学位论文 颗粒的散射光经接收光路由光倍增管放大转换成电信号后进入关键的多普 勒信号处理器，在这里，多普勒信号被检测出来转换成最后的真实速度量。由于 一般的接收光信号噪声非常强，所以如何有效的提取多普勒信号一直是l d v 技 术发展最为关键的部分。在l d v 信号处理的发展史上，经历了频谱分析、频率 跟踪计数、相关波群检测、离散傅立叶变换等阶段，目前最为先进的信号处理 f s a 系列采用相关波群检测和离散傅立叶分散相结合的方法，配合信号自动对中 技术，大大提高了多普勒信号的检测能力，可以把真实的多普勒信号从强噪声的 背景中检测出来。 虽然l d v 技术从原理上属于非接触式测量，测量过程对流场本身没有干扰， 然而必须注意到，测量直接得到的是颗粒运动的速度，而非流体速度，存在所谓 跟随性问题，也就是说颗粒是否能随时跟随流体的速度。一般来说，颗粒粒径的 影响要大于其材料密度的影响。经过理论分析计算和实验结果的对照，一般认为， 水中1 0 , u m 左右的颗粒即可以满足跟随需求，在实际选择过程中，为了保证颗粒 的球形度和散射光强度，一般在水中使用5 1 0 , u r n 的空心镀银玻璃球。当然，在 高速或强脉动的流场中对颗粒跟随性的分析必不可少，有时会成为无法消除的误 差之一，但需要给出合理的估计。 4 粒子图像测速仪 图像技术的飞速发展使得人们重新开始关注古老的流动显示技术，由于它可 以直观反映瞬时全场流动信息，具有单点测量技术无法替代的优点，人们开始试 图从流动显示照片中得到定量的速度信息【9 1 。粒子图像测速仪( p i v - p a r t i c l ei m a g e v e l o c i m e t r y ) 使其成为可能。与l d v 技术相似，p i v 技术仍然反映的是流体中 示踪物的速度，p w 的优点是它可以直接得到瞬时全场速度分布，这样对流体结 构的反应就不再是统计时均的结果。 p i v 技术是通过拍摄并测量流场中跟随流体运动的颗粒( 示踪粒子) 的速度 来反映流场速度的。脉冲激光源通过球面镜和柱面镜形成脉冲片光源，照亮流场 中需要测量的流动区域，在两个( 或多个) 瞬时时间点上用c c d 相机记录下流 动区域中示踪粒子的图像，将数字化的图像送入计算机，对图像矩阵进行自相关 或互相关运算，得到特定时间间隔内示踪粒子的位移，如果示踪粒子的跟随性足 够好，由此即可获得流场各点的速度信息。 4 山东大学硕士学位论文 p i v 技术突破了单点测量技术的局限性，可在瞬间记录下一个平面内的流动 信息。通过对连续多个瞬态速度场和涡量场的对比和分析，可以深入研究非定常 流动的瞬态过程及其流动细节，具有空间分辨率高、获取信息量大、不干扰被测 流场和可连续测量等优势。 目前的f i v 发展方向是高速和微流动测量，由此发展的时间分辨p i v 系统 和m i c r o p i v 系统在流畅的动态研究和微观流动研究中正在发挥越来越大的作 用。就高速p i v 来说，目前的记录帧数已可以达到1 0 , - , 1 0 0 k h z ，虽然c c d 高速 拍摄时空间分辨率受到影响，但对流动结构动态信息的反映是前所未有的。先进 的快速算法，如h a r t 相关技术等，利用了现代先进的图像压缩技术，加上计算 机处理能力的不断提高，使得再短时间内处理海量图像数据成为可能。目前商业 系统在微尺度研究的流动测量尺度已可达l o , u m 量级。 5 转子式流速仪 转子式流速仪【1 0 】是根据水流对流速仪转子的动量传递而进行工作的。当水流 流过流速转子时，水流的直线运动能量对转子产生转矩，此转矩克服转子的惯量、 轴承等内阻摩擦，以及水流和转子之间的相对运动引起的流体阻力，从而使流速 仪转子转动。在一定水流速度范围内，流速仪转子的转速与水流速度呈现比较稳 定的近似线性关系。通过使用一种专门的设备计测转子在预定时间内的转数，再 查阅流速仪相应检定关系表曲线或检定后得出的关系方程，就可以得到或计算 出水流速度；也可以通过二次仪表输入相关系数后，直接测量转子转动产生的信 号而自动测算水流速度。根据流速仪计算公式，设计仪器使其能正确测量出流速 仪的转数n 和响应时间t ，并计算出流速输出即可。 1 3 当前流速测量存在的问题 由于毕托管探针本身制作的困难和新的测量技术的发展【1 0 1 ，加之毕托管属于 单点、定常的接触式测量，对被测流场影响较大。因而在实际测量应用中受到了 一定限制。 热线热膜流速仪基于热丝与周围流体间的换热进行流速测量，对周围介质最 大的要求就是污染小，周围环境对热线探头的干扰d d 7 。黄河水含沙量大，导致 5 山东大学硕十学位论文 无法使用热线热膜流速仪进行黄河流速测量。当然，需要校准过程并且需要其他 的测量流速方法校准也是使用中的限制因素，在很大程度上限制了热线风速仪测 量精度的提高。 激光多谱勒流速仪( l d v ) 利用多谱勒效应进行三维速度测量【6 】，时间、空 间分辨率都较高，测量时直接得到流速数据，测量精度也是当前流速测量方法中 最高的，但是由于该设备价格过高，未能得到广泛应用。 粒子图像测速仪在流体力学实验研究中得到了广泛应用【9 1 ，在微流动中发挥 了越来越重要的作用，但是由于该测量方法对流体要求较高，未能在河流流速测 量中得到应用。 目前黄河泺口水文站使用转子式流速仪进行人工船测，其基本方法是在测流 断面上布设多条垂线，在每条垂线处测量水深并用流速仪测量一至几个点的流 速，从而得到垂线平均流速，进而得到断面面积和断面平均流速，流量则由断面 面积和断面平均流速的乘积得到。这种测量方式主要有以下缺点：单点测量，历 时长，效率低；需多名测量人员协作完成，耗费大量人力物力；由于黄河水泥沙 含量大，影响测量仪精度，而且仪器清洁维护困难；在恶劣天气、洪峰等环境下， 人员和仪器的安全没有保障。 1 4 本文主要工作及章节安排 黄河水含沙量大，不同季节流量悬殊，传统人工船测的测量方法效率低下， 耗费大量的人力物力，测量仪清理困难，同时在恶劣天气下测量人员的安全难以 保证。本文在总结对比当前各种流速测量方法的优缺点的基础上，利用力学平衡 原理进行流速测量。该方法根据受力平衡原理，通过对水中的球体进行受力分析， 推导出由球体摆动角度计算水流速的数学模型。本文以1 6 位单片机 m s p 4 3 0 f 1 6 1 2 为核心搭建硬件平台，使用加速度传感器m m a 7 2 6 0 q 测量球体摆 动角度，并利用无线射频芯片c c 2 4 2 0 设计实现数据的无线传输，在i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 开发环境下开发了下位机程序，并使用p o w e r b u i l d e r l l 0 开发 了上位机程序，完成了流量计算方法的研究，并进行了实验。 本文分五章对研究课题进行阐述： 第一章：绪论。阐述课题的背景及意义，研究现状，分析了课题所存在的问 6 山东大学硕七学位论文 题，最后给出了全文的主要工作和章节安排。 第二章：黄河流速监测系统硬件设计。详细介绍了以m s p 4 3 0 f 1 6 1 2 为核心 的硬件电路设计，包括信号采集模块、无线通信模块、微处理器外围电路、串行 通信模块和电源模块。重点介绍了基于加速度传感器m m a 7 2 6 0 q 的数据采集模 块、基于无线芯片c c 2 4 2 0 的无线通信模块和微处理器模块的电路设计。 第三章：黄河流速监测系统软件设计。分别对上位机和下位机程序的开发环 境及开发流程作了介绍，重点介绍了下位机程序，包括协调器节点程序和终端节 点程序，并对各个子程序进行了详细介绍。 第四章：复杂环境下流速信息的获取。主要讲述如何通过获得的加速度传感 器测得的角度信息计算得到流速信息，介绍了小波变换理论在加速度信息滤波中 的应用，并给出进行了仿真实验结果。 第五章：结论与展望。给出了本课题研究过程中所取得的主要成果以及下一 步研究工作的思路。 7 山东大学硕十学位论文 第二章黄河流速监测系统硬件设计 2 1 硬件功能及总体结构 本文根据力学平衡原理，通过对流体中的球体进行受力分析推导出由球体摆 动角度计算流体流速的数学公式，球体摆动角度信息通过加速度传感器 m m a 7 2 6 0 q 采集，硬件设计以单片机m s p 4 3 0 f 1 6 1 2 为核心，并利用无线射频芯 片c c 2 4 2 0 设计实现数据的无线传输，最终通过r s 2 3 2 接口将数据传输到上位机。 具体要求为： 1 ) 设计微处理器与加速度传感器的接口； 2 1 设计微处理器与无线收发器的接口； 3 ) 采用z i g b e e 协议实现数据的无线传输； 4 ) 终端节点采用电池供电，完成低功耗设计； 5 ) 完成电路的抗干扰设计； 6 ) 通过r s 2 3 2 接口实现上位机与协调器的数据传输。 在设计系统中首先进行芯片选型，根据系统的实际需要选取功耗低，体积小， 成本低的芯片。在p c b 板设计时要注意降低电路的干扰。为简化开发和维护的 难度，本系统采用z i g b e e 协议的星型拓扑结构构建无线通信网络，并透过r s 2 3 2 接口实现上位机与无线传感器的数据传输，系统整体结构框架如图2 1 所示。 8 厂 i 终端节点i 1一 圈圈 图2 1 黄河流速监测系统整体结构 无线网络的协调器( c o o r d i n a t o r ) 通过r s 2 3 2 接口与上位机连接，一方面 山东大学硕士学位论文 负责建立和维护z i g b e e 无线网络，接收网内各节点的加入请求，并完成数据的 采集和指令的发送，另一方面完成测控系统赋予的检测、决策任务。无线传感器 模块作为无线测控网络的终端节点( e n dd e v i c e ) 由加速度传感器和无线通信模 块组成，负责采集加速度信息，并将数据发送至协调器节点。系统结构框图如图 2 2 所示。 ，。- ， ， _ ：协调器节点 2 2 信号采集模块 图2 2 系统结构框图 2 1 1 加速度传感器m m a 7 2 6 0 q 简介 m m a 7 2 6 0 q 是美国f r e e s c a l e 公司推出的一款低成本、单芯片、三轴加速度 传感裂1 1 】。该微型电容式加速度传感器融合了信号调理、单极低通滤波和温度补 偿技术，并提供四种加速度测量范围，分别为：1 5 9 、2 9 、4 9 和6 9 。 m m a 7 2 6 0 q 同样具有相当高的灵敏度，当量程为1 5 9 时，灵敏度达到8 0 0 m v g 。 它采用6 m m x 6 m m x1 4 5 m m q f n 封装，小巧的体积节省了大量空间。而其提供 的休眠模式节省了大量能源，是低功耗设备的理想选择。最重要的是它具有三轴 向加速度监测功能，使系统能够方便地得到位置、姿态和运动的变化。 m m a 7 2 6 0 q 主要特性如下【1 4 1 ： 1 ) 三轴向加速度测量； 2 ) 测量范围可选：1 5 9 、2 9 、4 9 、6 9 ； 9 山东大学硕七学位论文 3 ) 低功耗，工作电压：2 2 v 3 6 v ，工作电流5 0 0 _ j u a ； 4 ) 休眠模式：3 彳； 5 ) 封装：1 6 引脚6 m m x 6 m m x1 4 5 m m q f n 封装； 6 ) 高灵敏度：8 0 0 m v g ( 量程为1 5 9 ) ； 7 ) 启动时间短：l m s ； 8 ) 低噪音：达到更高的分辨率、更高的精确度。 其引脚功能如表2 1 所示。 表2 1m m a 7 2 6 0 q 引脚功能表 引脚号引脚名称引脚功能描述 1 g s e l e c t lg 值选择 2 g - s e l e c t 2g 值选择 3v d d电源输入 4v s s 电源地输入 5 1 ln c 内部未连接 工作模式选择1 2 s l e e p m o d e 1 3z o u tz 轴电压输出 1 4y o u ty 轴电压输出 1 5x o u t x 轴电压输出 1 6n c内部未连接 由于m m a 7 2 6 0 q 可准确测量三轴低量级的下降、倾斜、移动、撞击和震动 等，因此在硬盘保护、手机、笔记本电脑、游戏机及其它便携式电子设备中得到 了广泛应用。 在i c 内部主要由双芯片构成，即重力检测单元( 负责加速度侦测) 与i c 控 制单元( 负责信号处理) 。重力检测单元将检测到的加速度变化信号送到c v 转 换电路，而后进行取样、保持及信号放大处理，最后用低通滤波器滤除高频噪音， 在温度补偿后即可输出加速度信息，m m a 7 2 6 0 q 的功能框图如图2 3 所刹】。 l o 山东大学硕十学位论文 g - s e l e c t l g - s e l e c t 2 s l e e pm o d e v d d g c e l l 传感器 振荡器 r 一 容压 变换器 时钟 发生器 _ - g j l 一 增益 滤波 x 温度 补偿 x 温度 补偿 x 温度 补偿 x o u t z o u t v s s 图2 3m m a 7 2 6 0 q 内部结构功能框图 2 1 2 信号采集模块电路设计 加速度传感器m m a 7 2 6 0 q 采用1 6 引脚的q f n 封装，2 2 3 6 v 电压供电， 三轴向输出为模拟信号，本文使用3 v 电压给m m a 7 2 6 0 q 供电。 根据g - s e l e c t l 、g - s e l e c t 2 两脚输入电平的不同，m m a 7 2 6 0 q 具有4 种灵敏 度选择模式，如表2 3 所示。 表2 3m m a 7 2 6 0 q 灵敏度选择模式 g - s e l e c t lg - s e l e c t 2g 值 灵敏度 o o 1 5 98 0 0 m n | g o1 2 9 6 0 0 m n | g 10 4 93 0 0 m v g 1l 6 92 0 0 m v g 。在应用时可以设定如何确保获得最佳的灵敏度状态。当m c u 在读取感测器 的时候，如果出现满格状况并持续一段时间，则m c u 必须设定更大的g 值范围 来确定是否输出还会饱和。 基于以往的经验，可按照下面规则选择g 值【1 5 】：1 5 9 适合自由落体或精确的 倾斜补偿应用；2 9 适合手持式运动检测或游戏控制；4 9 适合与低震动监控、运 山东大学硕十学位论文 输和处理；6 9 适合高震动监控与较高的震动读取。 本文应用中选择g 值为1 5 9 ，加速度传感器灵敏度选择引脚g - s e l e c t l 、 g - s e l e c t 2 分别与单片机i o 口p 6 3 、p 6 4 连接，以实现通过程序选择传感器灵敏 度。 当给m m a 7 2 6 0 q 的1 2 引脚( s l e e p m o d e ) 提供低电平时，传感器在低功耗 模式下运行，此时运行电流仅为3 彳。此外，m m a 7 2 6 0 q 具有快速启动性能。 它的休眠模式的唤醒时间很快，仅为0 5 m s 。通过将有源低电平休眠模式管脚设 为高电平( v d d ) ，即可实现触发，将x 、y 和z 的输出从v s s 状态下恢复过来。 其常规加电时间也很快，仅为l m s 1 1 1 。本文将m s p 4 3 0 f 1 6 1 2 单片机的p 6 5 引脚 与m m a 7 2 6 0 q 的s l e e p m o d e 引脚连接，实现对传感器工作模式的控制。 m m a 7 2 6 0 q 的a s i c 中包含一个单极点滤波器，此滤波器是用开关电容实 现的，传感器信号输出x o u t 、y o u t 、z o u t 分别与单片机m s p 4 3 0 f 1 6 1 2 的 模数转换模块管脚p 6 0 、p 6 1 、p 6 2 连接，每一路输出都使用了r c 滤波器来减 少时钟噪声。 加速度传感器模块电路如图2 4 所示。 1 2 3 v 图2 4 加速度传感器模块电路 山东大学硕士学位论文 2 2 无线通信模块 2 2 1z i g b e e 技术特点 z i g b e e 是一种新型的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线标 记技术和蓝牙技术之间的技术方案【1 8 】。它有自己的无线电标准，在数千个微小的 传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通 过无线电波传输数据，所以它的通信效率非常高。 z i g b e e 无线通信技术主要有以下特点【1 9 捌： 1 ) 低成本：目前符合z i g b e e 的s o c s i p 单价只有几美元，这有效地降低了 无线传输网络的建网成本。 2 ) 低功耗：z i g b e e 在休眠状态下耗电量仅仅只有1 t w ，在距离短通信的工 作状态下耗电为3 0 r o w ，在低耗电待机模式下，两节普通5 号干电池可使 用6 个月以上。 3 ) 网络容量大：每个z i g b e e 网络最多可支持6 5 万个节点，也就是说每个 z i g b e e 节点可以与数万个节点相连接。 4 ) 体积小：z i g b e e 的s i p s o c 芯片尺寸已经可以缩d 至l j 7 r a m x 7 r a m 以下，和 传感器组成的模块已经可以控制在2 e m x 2 c m 以下。 5 ) 数据传输可靠：z i g , b e e 的媒体接入控制层( m a c 层) 采用t a l k - w h e n - r e a d y 的碰撞避免机制【8 】。在这种完全确认的数据传输机制下，当有数据传送 需求时则立刻传送，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息， 并进行确认信息回复，若没有得到确认信息的问复就表示发生了碰撞， 将再传一次，采用这种方法可以提高系统信息传输的可靠性。同时 z i g , b e e 针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态激活的时延 都非常短。 6 ) 工作频段灵活：使用的频段分别为2 4 g h z 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 及9 1 5 m h z ( 美国) ，均为免执照频段，具有1 6 个扩频通信信道。 7 ) 安全：z i g b e e 提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清 单( a c l ) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准( a e s 1 2 8 ) 的对 1 3 山尔大学硕十学位论文 称密码，以灵活确定其安全属性。 随着z i g b e e 规范的进一步完善，许多公司均在着手开发基于z i g b e e 的产品。 采用z i g b e e 技术的无线网络应用领域有家庭自动化、家庭安全、工业与环境控 制与医疗护理、检测环境、监测、监察保鲜食品的运输过程及保质情况等等【2 l 】。 无线通信模块主要完成温度传感器终端节点和协调器节点之间的数据交换。在 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准发布后，各大无线芯片制造商陆续推出了支持该标准的芯片， 其中比较典型的有【2 2 】：f r e e s c a l e 的m c l 31 9 2 ，c h i p c o n 的c c 2 4 2 0 ，a t m e l 的 a t 8 6 r f 2 3 0 。这些芯片都具有很高的集成度，外部只需要天线、晶振、去耦电容 就可以工作。以上三种芯片的性能相当，c c 2 4 2 0 在国内应用较广，且供货充足， 本设计采用c c 2 4 2 0 作为无线收发模块的r f 芯片。 2 2 2c c 2 4 2 0 芯片简介 c c 2 4 2 0 是c h i p c o n 公司推出的首款符合2 4 g h zi e e e 8 0 2 15 4 标准的射频收 发器。该器件包括众多额外功能，是第一款适用于z i g b e e 产品的r f 器件。它 基于c h i p c o n 公司的s m a r t r f 0 3 技术，以0 1 8 u mc m o s 工艺制成只需极少外部 元器件，性能稳定且功耗极低【2 3 刀】。c c 2 4 2 0 的选择性和敏感性指数超过了 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性【2 5 1 。利用此芯片 开发的无线通信设备支持数据传输