基于超声波的风速风向测量仪设计

马 欣 赵继超

（1.国家海洋局北海海洋环境监测中心站，北海 536000；2.天津科技大学 电子信息与自动化学院，天津 300222）

风速风向检测在水上渔业、环保气象、工业设备、采矿安全以及卫生保健等诸多领域都具有十分重要的意义。随着我国风力发电事业的发展、检测技术的进步以及人们对环境要求的提高，人们对检测仪器的测量精度和功能要求越来越高。

风速风向的检测大多通过风速计和风向标来完成。风速计是测量空气流速的仪器，属于安全防护、环境监测类的计量仪表。最常用的风速计为风杯式风速计，感应部分由3个互成120°固定在支架上的抛物锥空杯组成。空杯的凹面都顺向一个方向，整个感应部分安装在一根垂直旋转轴上。在风力的作用下，风杯绕轴以正比于风速的转速旋转。风向标是用来测定风来向的仪器，一般由头部、水平杆和尾翼3部分组成。在风压的作用下，风标箭头指向来风的方向。

传统的机械式风速计和风向标依靠仪器机械构造进行测量，产品的机械损耗高、使用寿命短，且测量范围小、反应慢以及内部布线复杂。本文设计了一种使用超声波检测技术的风速风向测量仪。超声测风是超声波检测技术在气体介质中的一种应用，是利用超声波在空气中传播速度受空气流动的影响来测量风速。与常规的风杯式或旋翼式风速仪相比，这种测量方式的整个测风系统没有任何机械转动部件，可最大程度地减少由于仪器的机械特性造成的磨损问题，更加适合极端情况下的风速风向测量。

1 风速风向仪结构

1.1 系统结构设计

作为能够持续稳定工作的风速风向仪，需要具备稳定的控制系统、精确的测量传感器、良好的网络通信系统、安全的本地存储系统以及持续不断的能源系统。本文所设计的风速风向仪结构如图1所示。

图1 系统结构图

1.2 主控制器选择

本仪器选择由意法半导体公司生产的STM32芯片作为主控制器，如图2所示。STM32价格低廉、外设丰富，拥有包括FSMC、TIMER、SPI、IIC、USB、CAN、IIS、SDIO、ADC、DAC、RTC以及DMA等众多外设及功能，具有极高的集成度[1]。

图2 主控制器

STM32系列产品满足了工业、医疗和消费类市场的各种应用需求。该系列利用一流的外设和低功耗、低压操作实现了高性能，还以可接受的价格、简单的架构以及简便易用的工具实现了高集成度。

1.3 网络通信系统

工作时，系统由主控制器控制。风速风向传感器将采集到的风速风向信息传输到主控制器，由主控制器经由网络通信系统将测量到的信息发送到接收端，同时发送导航模块测量到的位置信息。网络通信模块采用ATK-GM510 4G模块[2]。此模块采用4模13频LTE制式的移动网络通信模组，提供50 Mb·s-1上行速率和150 Mb·s-1下行速率，支持移动2G、3G、4G，联通3G、4G和电信4G。网络通信模块如图3所示。

图3 网络通信模块

1.4 定位导航模块

定位导航部分选用高性能BDS/GNSS全星座定位导航模块。该模块产品基于中科微第4代低功耗GNSSSOC单芯片-AT6558，支持多种卫星导航系统，包括国内的北斗卫星导航系统、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO、日本的QZSS以及卫星增强系统SBAS。AT6558是一款真正意义的六合一多模卫星导航定位芯片，包含32个跟踪通道，可以同时接收6个卫星导航系统的GNSS信号，且实现联合定位、导航与授时。WTGPS+BD模块具有高灵敏度、低功耗以及低成本等优势。定位导航模块如图4所示。

1.5 本地存储系统

若遇到极端天气或通信不稳定的情况，由本地存储系统存储数据，之后由测量工作人员待天气状况良好时前往导航位置提取数据。由于海面上太阳能资源丰富，因此供电方面采用太阳能加备用蓄电池双向电源的方式进行系统供电[3]。本地存储使用的SD卡模块自带3.3 V稳压芯片，支持3.3 V和5 V宽电压供电，可以用ARM（STM32）直接驱动。采用大部分芯片均含有的SPI方式通信，同时支持SD卡和Micro SD卡（TF卡）。本地存储模块如图5所示。

图4 定位导航模块

图5 本地存储模块

1.6 供电系统设计

当太阳能充足时，太阳能发电板一方面提供系统工作需要的电量，另一方面为备用蓄电池供电[4]。备用蓄电池安装有电量检测系统，能够自动回报电量信息，提高工作人员应对连续阴雨天气的能力。太阳能供电系统如图6所示。

图6 太阳能供电系统

2 风速风向仪传感器型号及技术参数

本文采用的测量传感器为得控森社生产的高精度超声波一体化风速风向传感器，具体型号为485型（DK-3003-CFSFX-N01）[5]。传感器主要性能指标为：供电电压为直流电10～30 V，工作环境-40～80 ℃，0%RH～95%RH，抗风强度75 m·s-1，响应时间1 s，防护等级IP65，输出信号为485（Modbus-RTU协议）。传感器工作时无启动风速限制，可在零风速条件下正常工作，且无角度限制。传感器采用一体化设计，360°全方位测量，多要素集成，无移动部件，最大化减少了使用损耗，使用寿命长。此传感器采用一个超声波换能器发射，两个侧位超声波换能器分别接收的方式。超声波传输过程中垂直方向没有位移变化，水平方向会产生位移变化，可根据这个位移进行比较和计算。每个探头的位置是固定的，风速测量一个周期共采集到8组数据，即8个时间段，根据这个时间段可以计算出8个侧向风速，再根据矢量计算得出总风速的大小及风向，精度指标如表1所示。图7为系统结构图。

表1 精度指标

图7 系统结构图

3 实验结果和分析

为了保证所设计仪器的有效性，在进行样机测试时，购买了市面上其他型号的无线室外风向风速测量仪进行同时间同地点的同步测试，并记录其测量结果进行仪器的有效性分析[6]。

实验设计的测量地点为北海市银滩附近海域，测量日期为2020年5月，具体测量时刻如表2所示。

表2 实验测量结果

本文设计的测量仪与购买的测量仪测量时刻一致，具体测量间距不超过5 m。表2为本文所设计仪器的测量结果，其中“A”仪器为本文所设计测量仪，“B”仪器表示所购买测量仪。通过观察如表2所示的风向和风速的测量结果，本文所设计仪器“A”与所购买的仪器“B”在测量精度方面几乎没有差别。实验验证了所设计仪器具有相当高的测量精度，可以进一步投入使用[7]。

4 结语

本文设计的风速风向测量仪基于超声波检测原理，与常规的风杯式或旋翼式风速仪相比，整个测风系统没有任何机械转动部件，属于无惯性测量，能够准确测量出自然风中阵风脉动的高频部分。尤其在极端环境等条件下，如海洋风速风向测量时，采用超声测速的测量仪比机械式测量仪更具有实用价值。由于采用太阳能和蓄电池双向供电，风速风向测量仪固定在海洋浮台上，可实现24 h无人监控测量，具有极高的扩展价值。