本实用新型公开了一种基于Zigbee无线网络的超声波测风仪,包括采集控制器、超声波检测模块、无线传输模块和上位机,无线传输模块采用星型网络拓扑结构的Zigbee无线网络,包括多个传感器节点和一个协调器节点,采集控制器连接Zigbee通信单元作为传感器节点,采集控制器获取由超声波检测模块传递的传播时间计算出风速风向,并将其发送给协调器节点,协调器节点的输出端连接上位机,协调器节点用于向上位机上传从所有采集控制器接收到的风速风向数据和接收上位机发送的控制命令。本实用新型通过Zigbee无线网络实现上位机可以远程发送控制指令、实时监测风电场中风速风向的变化,且无需布线,传输距离远。
1.一种基于Zigbee无线网络的超声波测风仪,包括采集控制器、与采集控制器连接的超声波检测模块和上位机,采集控制器获取由超声波检测模块传递的传播时间计算出风速风向,并将风速风向数据上传给上位机,其特征是,还包括无线传输模块,无线传输模块采用星型网络拓扑结构的Zigbee无线网络,包括多个传感器节点和一个协调器节点,采集控制器连接Zigbee通信单元作为传感器节点,Zigbee通信单元输出端连接协调器节点的输入端,采集控制器用于获取风速风向数据,并将其发送给协调器节点,协调器节点的输出端连接上位机,协调器节点用于建立和管理Zigbee无线网络,向上位机上传从所有采集控制器接收到的风速风向数据和接收上位机发送的控制命令。
2.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee无线网络的超声波测风仪,其特征是,所述超声波检测模块包括3对超声波传感器和多路通道选择单元,3对超声波传感器依照三维直角坐标系放置,每对超声波传感器两两相对且任意两对超声波传感器相互垂直,每个超声波传感器分别连接多路通道选择单元,多路通道选择单元输入端连接采集控制器,采集控制器发送选择命令至多路通道选择单元,使每次只有某个坐标轴上的一对超声波传感器同时工作。
3.根据权利要求2所述的一种基于Zigbee无线网络的超声波测风仪,其特征是,所述超声波检测模块还包括超声波驱动电路和超声波接收电路,超声波驱动电路的输入端连接采集控制器,输出端连接超声波传感器,用于将采集控制器发送的超声波进行放大驱动超声波传感器;超声波接收电路的输入端连接超声波传感器,输出端连接采集控制器,用于将接收到的超声波进行滤波处理后送入采集控制器。
4.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee无线网络的超声波测风仪,其特征是,还包括温湿度传感器,温湿度传感器的输出端连接采集控制器,采集控制器根据采集的温湿度数据对风速风向数据进行补偿修正。
5.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee无线网络的超声波测风仪,其特征是,还包括显示单元,显示单元的输入端连接采集控制器,用于显示风速风向的数值。
6.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee无线网络的超声波测风仪,其特征是,采集控制器采用LPC1768单片机。
7.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee无线网络的超声波测风仪,其特征是,Zigbee通信单元采用CC2530芯片。技术领域
本实用新型涉及一种超声波测风仪,具体涉及一种基于Zigbee无线网络的超声波测风仪,属于风速风向测量技术领域。
背景技术
风能利用也已经成为解决全球能源问题的重要方案之一。目前我国的风力发电事业正在逐步开展,风能资源的调研是建立风力发电场所必须做的一项工作。风能的贮藏取决于这一地区风速的大小和有效风速的持续时间。为了对建立风电场的地点和风能进行评估,决策风能开发的可能性,规模和潜在的能力,所以就要在一些地点安装测风仪,并将所测的风速风向数据传输给监测站点的上位机进行实时观测。目前,现有的测风仪主要包括机械式测风仪、热敏式测风仪以及超声波测风仪等,其中超声波测量测风仪因没有活动的机械部件,具有适用于恶劣测量环境及测量结果准确等优点,逐渐成为测风仪的主流。但目前大多数的超声波测风仪是通过有线传输方式把数据传输给监测站点的上位机,采用有线方式进行数据传输的超声波测风仪,其布线复杂、抗干扰性差及维护困难,不能远距离传输数据。实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足,提供了一种基于Zigbee无线网络的超声波测风仪,解决了现有技术中有线传输布线复杂、维护困难的技术问题。为解决上述技术问题,本实用新型提供了一种基于Zigbee无线网络的超声波测风仪,包括采集控制器、与采集控制器连接的超声波检测模块和上位机,采集控制器获取由超声波检测模块传递的传播时间计算出风速风向,并将风速风向数据上传给上位机,其特征是,还包括无线传输模块,无线传输模块采用星型网络拓扑结构的Zigbee无线网络,包括多个传感器节点和一个协调器节点,采集控制器连接Zigbee通信单元作为传感器节点,Zigbee通信单元输出端连接协调器节点的输入端,采集控制器用于获取风速风向数据,并将其发送给协调器节点,协调器节点的输出端连接上位机,协调器节点用于建立和管理Zigbee无线网络,向上位机上传从所有采集控制器接收到的风速风向数据和接收上位机发送的控制命令。进一步的,所述超声波检测模块包括3对超声波传感器和多路通道选择单元,3对超声波传感器依照三维直角坐标系放置,每对超声波传感器两两相对且任意两对超声波传感器相互垂直,每个超声波传感器分别连接多路通道选择单元,多路通道选择单元输入端连接采集控制器,采集控制器发送选择命令至多路通道选择单元,使每次只有某个坐标轴上的一对超声波传感器同时工作。进一步的,所述超声波检测模块还包括超声波驱动电路和超声波接收电路,超声波驱动电路的输入端连接采集控制器,输出端连接超声波传感器,用于将采集控制器发送的超声波进行放大驱动超声波传感器;超声波接收电路的输入端连接超声波传感器,输出端连接采集控制器,用于将接收到的超声波进行滤波处理后送入采集控制器。进一步的,还包括温湿度传感器,温湿度传感器的输出端连接采集控制器,采集控制器根据采集的温湿度数据对风速风向数据进行补偿修正。进一步的,还包括显示单元,显示单元的输入端连接采集控制器,用于显示风速风向的数值。进一步的,采集控制器采用LPC1768单片机。进一步的,Zigbee通信单元采用CC2530芯片。进一步的,温湿度传感器采用SHT71型号传感器。与现有技术相比,本实用新型所达到的有益效果是:1)本实用新型采用Zigbee无线网络通信,采集控制器把所测的风速风向数据通过ZigBee通信单元传输给协调器节点,进而上传至上位机,实现上位机可以远程发送控制指令、实时监测风电场的风速风向的变化;2)本实用新型的超声波检测模块采用三维时差法计算风速风向,能够快速精准计算出风速风向数值,提高了系统的测量精度和分辨率;3)本实用新型能够完成基于温湿度补偿的风速风向计算,使得超声波测风仪在雨雾等恶劣环境条件下,对风电场风速值实现精确、实时的测量;4)本实用新型使用方便,成本低,功耗低,普适性强。
附图说明
图1是本实用新型超声波测风仪的原理示意图;图2是本实用新型超声波测风仪中采集控制器一种实施例的结构示意图;图3是本实用新型超声波传感器的布置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案,而不能以此来限制本实用新型的保护范围。如图1-3所示,本实用新型的一种基于Zigbee无线网络的超声波测风仪,包括采集控制器、与采集控制器连接的超声波检测模块和上位机,采集控制器获取由超声波检测模块传递的传播时间计算出风速风向,并将风速风向数据上传给上位机,其特征是,还包括无线传输模块,如图1所示,无线传输模块采用星型网络拓扑结构的Zigbee无线网络,包括多个传感器节点和一个协调器节点,采集控制器连接Zigbee通信单元作为传感器节点,Zigbee通信单元输出端连接协调器节点的输入端,采集控制器用于采集风速风向数据,并将其发送给协调器节点,协调器节点的输出端连接上位机,协调器节点用于建立和管理Zigbee无线网络,向上位机上传从所有采集控制器接收到的风速风向数据和接收上位机发送的控制命令。上位机可采用PC电脑。进一步的,所述超声波检测模块采用三维超声波传感器来测量风速和方向,采用6个超声波传感器,每个超声波传感器既具有发射功能也具有接收功能,超声波传感器可以使用采用型号为DYA-125-02A收发一体式传感器,分成3组,每组超声波传感器分别沿空间直角坐标系相对摆放,在空间上形成一个三维空间坐标系,即每对超声波传感器两两相对且任意两对超声波传感器相互垂直,每个超声波传感器分别连接多路通道选择单元,多路通道选择单元输入端连接采集控制器,多路通道选择单元可采用74LS151多路选择器,采集控制器发送选择命令至多路通道选择单元,使每次只有某个坐标轴上的一对超声波传感器同时工作。如图3所示,超声波传感器位置方向分别表示为直角坐标系的X,Y,Z三个轴,图中X轴箭头方向表示由西向东,X轴方向设置超声波传感器1和超声波传感器2,Y轴箭头方向表示由南向北,Y轴方向设置超声波传感器3和超声波传感器4,Z轴箭头方向表示由下向上,Z轴方向设置超声波传感器5和超声波传感器6。每对超声波传感器距离一般选为200mm。三维时差法是现有技术中,利用三维空间中时间差来计算风速,超声波在空气传播过程中,在顺风与逆风方向传播时存在一个速度差,当传播固定的距离时,此速度差反映出一个时间差,这个时间差与待测风速呈线性关系。以东西方向X轴为例,首先西方位的超声波传感器1作为发射探头,东方位的超声波传感器2作为接收探头,测出传输所需的时间t1,延迟一段时间后,东方位的超声波传感器2作为发射探头,西方位的超声波传感器1作为接收探头,测出传输所需的时间t2,已知X轴上两个超声波传感器之间的距离,根据接收到的传输时间t1和t2可计算出X轴方向的风速分量,依据X轴风速计算原理,可分别测量出Y轴和Z轴的风速分量,自然风的风速为三个方向的风速矢量和。本实用新型的传感器节点的一种实施例,如图2所示,超声波检测模块还包括超声波驱动电路和超声波接收电路,超声波驱动电路的输入端连接采集控制器,输出端连接超声波传感器,用于将采集控制器发送的超声波进行放大驱动超声波传感器;超声波接收电路的输入端连接超声波传感器,输出端连接采集控制器,用于将接收到的超声波进行滤波处理后送入采集控制器。由于超声波在传播过程中存在衰减,所以为了确保接收端信号的强度,需要提高声源处振幅,因此需要超声波驱动电路。超声波接收电路包括RC滤波电路、放大电路、低通滤波电路、AD转换电路、FIFO电路。超声波传感器将接收到的超声波信号转换成模拟信号,此模拟信号经过RC滤波电路后送至放大电路进行信号放大,放大后的信号经过低通滤波电路来滤除外界的干扰信号,最终信号进入AD转换电路后转换为数字信号存入数据缓存器FIFO进行存储,将存储的数据送入采集控制器。以上确定风速的原理中是依据在某轴向风速测量过程中,超声波的速度是相同的。这种测量方法在温湿度变化不大的理想状况下精度是比较高的,但是由于空气中的声速受环境温度、湿度的影响比较大,当超声波传感器在温湿度变化较大的环境使用,若不经温湿度补偿时会产生较大的测量误差,影响测量精度。为了可以有效的补偿温湿度度变化带来的误差,进一步的,还包括温湿度传感器,温湿度传感器的输出端连接采集控制器,采集控制器根据采集的温湿度数据对风速风向数据进行补偿修正,以获取更精准的风速风向值。温湿度传感器可以采用SHT71传感器,SHT71传感器具有响应迅速、抗干扰能力强、性价比高等优点,能够准确测量温湿度,降低此测风仪的成本。进一步的,还包括显示单元,如图2所示,显示单元的输入端连接采集控制器,用于显示风速风向的数值。显示单元可以采用12864液晶显示屏,实时显示此时的风速风向数值,方便用户观看。进一步的,采集控制器采用LPC1768单片机。采集控制器采用LPC1768单片机。LPC1768是基于ARMCortex-M3内核的微控制器,运行速率高,操作频率可达100MHz,低功耗。进一步的,Zigbee通信单元采用CC2530芯片。芯片CC2530具有较高灵敏度,抗干扰能力强,在不加功率放大情况下,室外传输距离可达400m,通过增加功率放大器可实现远距离数据传输。本实用新型超声波测风仪的工作过程为,上位机发送组建Zigbee无线网络命令至协调器节点,协调器节点启动之后开始组建网络,组网过程中协调器节点按照ZigBee协议的规定,各层之间进行一系列的会话,作为传感器节点的采集控制器接入网络,直至Zigbee无线网络建立成功。当建网成功后,采集控制器先采集X轴方向的风速,具体过程为:首先超声波传感器1作为发射端,超声波传感器2作为接收端,采集控制器发送标准的超声波方波信号经超声波驱动电路进行放大后驱动超声波传感器1,相应的超声波传感器2将接收的信号经超声波接收电路处理后送入采集控制器,计算出超声波传感器1到超声波传感器2的传输时间t1,延时10s一定时间后,超声波传感器2作为发射端、超声波传感器1作为接收端,采集控制器发送标准的超声波方波信号经超声波驱动电路进行放大后驱动超声波传感器2,相应的超声波传感器1将接收的信号经超声波接收电路处理后送入采集控制器,计算出超声波传感器2到超声波传感器1的传输时间t2,采集控制器根据传输时间差计算出X轴方向的风速,温湿度传感器测量当前的温湿度数据上传至采集控制器,采集控制器对计算出的X轴方向的风速进行温湿度补偿,得到精确的X轴方向的风速,然后依此方法,依次计算出Y轴方向的风速和Z轴方向的风速,进而根据三者矢量和计算出实际风速,在由各轴的风速计算出在各轴方向上的风向角,采集控制器将风速风向数值发送液晶显示屏在三维坐标系中进行显示。所有采集控制器将获得的风速风向数据通过Zigbee通信单元上传至协调器节点,协调器节点将接收到的数据传至上位机。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本实用新型技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变型,这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。