馬 欣 趙繼超

（1.國(guó)家海洋局北海海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，北海 536000；2.天津科技大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300222）

風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)在水上漁業(yè)、環(huán)保氣象、工業(yè)設(shè)備、采礦安全以及衛(wèi)生保健等諸多領(lǐng)域都具有十分重要的意義。隨著我國(guó)風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展、檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步以及人們對(duì)環(huán)境要求的提高，人們對(duì)檢測(cè)儀器的測(cè)量精度和功能要求越來(lái)越高。

風(fēng)速風(fēng)向的檢測(cè)大多通過(guò)風(fēng)速計(jì)和風(fēng)向標(biāo)來(lái)完成。風(fēng)速計(jì)是測(cè)量空氣流速的儀器，屬于安全防護(hù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)類(lèi)的計(jì)量?jī)x表。最常用的風(fēng)速計(jì)為風(fēng)杯式風(fēng)速計(jì)，感應(yīng)部分由3個(gè)互成120°固定在支架上的拋物錐空杯組成?？毡陌济娑柬樝蛞粋€(gè)方向，整個(gè)感應(yīng)部分安裝在一根垂直旋轉(zhuǎn)軸上。在風(fēng)力的作用下，風(fēng)杯繞軸以正比于風(fēng)速的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。風(fēng)向標(biāo)是用來(lái)測(cè)定風(fēng)來(lái)向的儀器，一般由頭部、水平桿和尾翼3部分組成。在風(fēng)壓的作用下，風(fēng)標(biāo)箭頭指向來(lái)風(fēng)的方向。

傳統(tǒng)的機(jī)械式風(fēng)速計(jì)和風(fēng)向標(biāo)依靠?jī)x器機(jī)械構(gòu)造進(jìn)行測(cè)量，產(chǎn)品的機(jī)械損耗高、使用壽命短，且測(cè)量范圍小、反應(yīng)慢以及內(nèi)部布線復(fù)雜。本文設(shè)計(jì)了一種使用超聲波檢測(cè)技術(shù)的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量?jī)x。超聲測(cè)風(fēng)是超聲波檢測(cè)技術(shù)在氣體介質(zhì)中的一種應(yīng)用，是利用超聲波在空氣中傳播速度受空氣流動(dòng)的影響來(lái)測(cè)量風(fēng)速。與常規(guī)的風(fēng)杯式或旋翼式風(fēng)速儀相比，這種測(cè)量方式的整個(gè)測(cè)風(fēng)系統(tǒng)沒(méi)有任何機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，可最大程度地減少由于儀器的機(jī)械特性造成的磨損問(wèn)題，更加適合極端情況下的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量。

1 風(fēng)速風(fēng)向儀結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作為能夠持續(xù)穩(wěn)定工作的風(fēng)速風(fēng)向儀，需要具備穩(wěn)定的控制系統(tǒng)、精確的測(cè)量傳感器、良好的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、安全的本地存儲(chǔ)系統(tǒng)以及持續(xù)不斷的能源系統(tǒng)。本文所設(shè)計(jì)的風(fēng)速風(fēng)向儀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 主控制器選擇

本儀器選擇由意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32芯片作為主控制器，如圖2所示。STM32價(jià)格低廉、外設(shè)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(shè)及功能，具有極高的集成度[1]。

圖2 主控制器

STM32系列產(chǎn)品滿足了工業(yè)、醫(yī)療和消費(fèi)類(lèi)市場(chǎng)的各種應(yīng)用需求。該系列利用一流的外設(shè)和低功耗、低壓操作實(shí)現(xiàn)了高性能，還以可接受的價(jià)格、簡(jiǎn)單的架構(gòu)以及簡(jiǎn)便易用的工具實(shí)現(xiàn)了高集成度。

1.3 網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

工作時(shí)，系統(tǒng)由主控制器控制。風(fēng)速風(fēng)向傳感器將采集到的風(fēng)速風(fēng)向信息傳輸?shù)街骺刂破鳎芍骺刂破鹘?jīng)由網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)將測(cè)量到的信息發(fā)送到接收端，同時(shí)發(fā)送導(dǎo)航模塊測(cè)量到的位置信息。網(wǎng)絡(luò)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)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(dòng)2G、3G、4G，聯(lián)通3G、4G和電信4G。網(wǎng)絡(luò)通信模塊如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

1.4 定位導(dǎo)航模塊

定位導(dǎo)航部分選用高性能BDS/GNSS全星座定位導(dǎo)航模塊。該模塊產(chǎn)品基于中科微第4代低功耗GNSSSOC單芯片-AT6558，支持多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括國(guó)內(nèi)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的GALILEO、日本的QZSS以及衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)SBAS。AT6558是一款真正意義的六合一多模衛(wèi)星導(dǎo)航定位芯片，包含32個(gè)跟蹤通道，可以同時(shí)接收6個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的GNSS信號(hào)，且實(shí)現(xiàn)聯(lián)合定位、導(dǎo)航與授時(shí)。WTGPS+BD模塊具有高靈敏度、低功耗以及低成本等優(yōu)勢(shì)。定位導(dǎo)航模塊如圖4所示。

1.5 本地存儲(chǔ)系統(tǒng)

若遇到極端天氣或通信不穩(wěn)定的情況，由本地存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，之后由測(cè)量工作人員待天氣狀況良好時(shí)前往導(dǎo)航位置提取數(shù)據(jù)。由于海面上太陽(yáng)能資源豐富，因此供電方面采用太陽(yáng)能加備用蓄電池雙向電源的方式進(jìn)行系統(tǒng)供電[3]。本地存儲(chǔ)使用的SD卡模塊自帶3.3 V穩(wěn)壓芯片，支持3.3 V和5 V寬電壓供電，可以用ARM（STM32）直接驅(qū)動(dòng)。采用大部分芯片均含有的SPI方式通信，同時(shí)支持SD卡和Micro SD卡（TF卡）。本地存儲(chǔ)模塊如圖5所示。

圖4 定位導(dǎo)航模塊

圖5 本地存儲(chǔ)模塊

1.6 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)太陽(yáng)能充足時(shí)，太陽(yáng)能發(fā)電板一方面提供系統(tǒng)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(cè)系統(tǒng)，能夠自動(dòng)回報(bào)電量信息，提高工作人員應(yīng)對(duì)連續(xù)陰雨天氣的能力。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)

2 風(fēng)速風(fēng)向儀傳感器型號(hào)及技術(shù)參數(shù)

本文采用的測(cè)量傳感器為得控森社生產(chǎn)的高精度超聲波一體化風(fēng)速風(fēng)向傳感器，具體型號(hào)為485型（DK-3003-CFSFX-N01）[5]。傳感器主要性能指標(biāo)為：供電電壓為直流電10～30 V，工作環(huán)境-40～80 ℃，0%RH～95%RH，抗風(fēng)強(qiáng)度75 m·s-1，響應(yīng)時(shí)間1 s，防護(hù)等級(jí)IP65，輸出信號(hào)為485（Modbus-RTU協(xié)議）。傳感器工作時(shí)無(wú)啟動(dòng)風(fēng)速限制，可在零風(fēng)速條件下正常工作，且無(wú)角度限制。傳感器采用一體化設(shè)計(jì)，360°全方位測(cè)量，多要素集成，無(wú)移動(dòng)部件，最大化減少了使用損耗，使用壽命長(zhǎng)。此傳感器采用一個(gè)超聲波換能器發(fā)射，兩個(gè)側(cè)位超聲波換能器分別接收的方式。超聲波傳輸過(guò)程中垂直方向沒(méi)有位移變化，水平方向會(huì)產(chǎn)生位移變化，可根據(jù)這個(gè)位移進(jìn)行比較和計(jì)算。每個(gè)探頭的位置是固定的，風(fēng)速測(cè)量一個(gè)周期共采集到8組數(shù)據(jù)，即8個(gè)時(shí)間段，根據(jù)這個(gè)時(shí)間段可以計(jì)算出8個(gè)側(cè)向風(fēng)速，再根據(jù)矢量計(jì)算得出總風(fēng)速的大小及風(fēng)向，精度指標(biāo)如表1所示。圖7為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

表1 精度指標(biāo)

圖7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

為了保證所設(shè)計(jì)儀器的有效性，在進(jìn)行樣機(jī)測(cè)試時(shí)，購(gòu)買(mǎi)了市面上其他型號(hào)的無(wú)線室外風(fēng)向風(fēng)速測(cè)量?jī)x進(jìn)行同時(shí)間同地點(diǎn)的同步測(cè)試，并記錄其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行儀器的有效性分析[6]。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的測(cè)量地點(diǎn)為北海市銀灘附近海域，測(cè)量日期為2020年5月，具體測(cè)量時(shí)刻如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x與購(gòu)買(mǎi)的測(cè)量?jī)x測(cè)量時(shí)刻一致，具體測(cè)量間距不超過(guò)5 m。表2為本文所設(shè)計(jì)儀器的測(cè)量結(jié)果，其中“A”儀器為本文所設(shè)計(jì)測(cè)量?jī)x，“B”儀器表示所購(gòu)買(mǎi)測(cè)量?jī)x。通過(guò)觀察如表2所示的風(fēng)向和風(fēng)速的測(cè)量結(jié)果，本文所設(shè)計(jì)儀器“A”與所購(gòu)買(mǎi)的儀器“B”在測(cè)量精度方面幾乎沒(méi)有差別。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)儀器具有相當(dāng)高的測(cè)量精度，可以進(jìn)一步投入使用[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量?jī)x基于超聲波檢測(cè)原理，與常規(guī)的風(fēng)杯式或旋翼式風(fēng)速儀相比，整個(gè)測(cè)風(fēng)系統(tǒng)沒(méi)有任何機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，屬于無(wú)慣性測(cè)量，能夠準(zhǔn)確測(cè)量出自然風(fēng)中陣風(fēng)脈動(dòng)的高頻部分。尤其在極端環(huán)境等條件下，如海洋風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量時(shí)，采用超聲測(cè)速的測(cè)量?jī)x比機(jī)械式測(cè)量?jī)x更具有實(shí)用價(jià)值。由于采用太陽(yáng)能和蓄電池雙向供電，風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量?jī)x固定在海洋浮臺(tái)上，可實(shí)現(xiàn)24 h無(wú)人監(jiān)控測(cè)量，具有極高的擴(kuò)展價(jià)值。