熱敏式近地表無線風速廓線儀研究

劉海洋 常佳麗 侯占峰 陳 智 宣傳忠 商曉彬

(內蒙古農業大學機電工程學院， 呼和浩特 010018)

引言

在土壤風蝕研究中，風速廓線儀作為一種方便、快捷地測量近地表風速隨高度變化規律的儀器得到了廣泛的應用和發展，然而由于風速傳感器的體積、功耗及特殊的測量環境等因素導致其研究進展相對緩慢。

圖1 系統總體結構Fig.1 Overall structure of system

美國國家海洋大氣局(NOAA)分別于1980年和1989年通過布設6部和32部風速廓線儀組建了風速廓線實驗網[1-2]；芬蘭維薩拉公司和NOAA聯合研制了LAP-3000型風廓線儀系統，可提供連續的邊界層大氣數據，并生成風場的廓線圖[3]；德國SCINTEC公司研制的SFAS系列風廓線儀用來對500 m以下低層大氣的風向、風速和擾動進行遠程測量[2]；2003年，日本建立了一個由31部風速廓線儀組成的風速廓線觀測網[2]；2004年，中電集團十四所研制生產了對流層Ⅱ型風廓線儀[2，4]。然而，上述幾種風速廓線儀主要用于高空氣象方面的研究，無法滿足土壤風蝕研究的需求。

2003年，中科院寒區旱區環境與工程研究所采用風杯式風速傳感器組設計了可實現9路風速、風向自動采集的風速廓線儀[2，5-6]；2004年，內蒙古農業大學以皮托管為敏感元件研制了滿足風洞近地表風速廓線同步采集的風速廓線儀[3，5，7]。但實驗發現：風杯式傳感器在強風作用下誤差較大，且在風沙環境中易發生卡滯現象；皮托管由于氣壓的沿程損失和堵塞等現象，影響了風速的測量精度；有線連接還造成線路連接復雜、易出現折彎和折斷等問題。2012年，內蒙古農業大學采用無線傳感網絡技術成功設計了RW-64型熱膜式無線風速廓線儀[2，8]，但其熱敏元件功耗過高且不具備溫度自動補償功能，受環境溫度影響較大；另外，缺少風向自動校準裝置，導致風速測量不準確。

針對上述問題，本文集成單片機控制系統、溫濕度傳感器、大氣壓力傳感器、無線數據傳輸模塊和8路風速傳感器，設計一種近地表無線風速廓線儀及其測試系統，以實現最多6個測點的環境溫濕度、大氣壓力及近地表8路風速數據的循環采集、無線傳輸和實時處理，并繪制各測點處的近地表風速廓線圖等。

1 系統總體設計

該系統采用星形網絡拓撲結構設計，主要由數據采集節點、中心匯聚節點和數據處理軟件3部分組成。數據采集節點由溫濕度傳感器、大氣壓力傳感器、FS5熱敏探頭、信號采集處理電路、單片機控制模塊和無線數據傳輸模塊等6部分組成[8-10]。系統總體結構如圖1所示[11-12]。

其中，FS5是一種具有體積小、測量精度高且功耗極低的薄膜流量傳感器敏感元件，由2個鉑電阻RH和RS組成，RH(45 Ω)被用作加熱元件，用來測量流體速度，RS(1 300 Ω)為熱敏元件，用來測量環境溫度，并對傳感器進行溫度補償。FS5熱敏元件和信號采集處理電路組成的熱敏式風速傳感器，采用恒溫式測量方法對環境風速進行采集；8路風速傳感器分別被安裝在不同的高度上，以實現近地表風速數據的采集，其電壓輸出端分別連接到模擬數據選擇器的8個輸入端。單片機控制系統集成了一個由16位AD轉換器LCT1864和模擬數據選擇器CD4051組成的模數轉換電路，實現8通道風速信號的循環采集；同時完成控制指令的接收和傳感器組的數據讀取、處理、打包與發送等功能。無線數據傳輸模塊包括分別與PC機和單片機相連的收發模塊，主要完成無線鏈路的建立、數據和指令的無線傳輸、數據包的CRC校驗等功能。上位機軟件實現參數配置、控制指令和數據包的發送與接收、數據的實時處理、顯示與存儲等。

2 系統硬件設計

系統硬件設計主要包括楔形風速廓線儀結構設計、熱敏式風速傳感器設計和無線數據采集器設計3部分。

2.1 風速廓線儀結構設計

風速廓線儀整體結構采用Solidworks 2010軟件設計制作，主要由楔形外殼、底盤、導向板、旋轉機構、風速傳感器探頭和雙切邊雙軸承組成，其內部結構及實物如圖2所示[3，8]。

圖2 風速廓線儀Fig.2 Structure charts of wind speed profiler1.電源開關 2.充電口 3.大容量鋰電池 4.廓線儀外殼 5.電壓轉換模塊 6.無線發送模塊 7.天線 8.風向標 9.熱膜傳感器 10.傳感器探頭 11.軸承端蓋 12.集流環 13.雙切邊雙軸承 14.墊片 15.帶底盤旋轉軸

風速廓線儀由旋轉部分和固定底座組成，兩者間通過旋轉軸和雙切邊雙軸承互相連接。整體采用鋁合金材料制成，楔形結構高約70 cm，沿高度方向按照對數規律分布8路風速傳感器，分別采集2、4、8、16、24、32、48、64 cm高度處的風速數據[5-6，8]。廓線儀旋轉部分質量2.23 kg，導向板重心距廓線儀轉軸63.4 mm且受力面積約4.64×10-3m2，壓力軸承內徑12 mm，經計算知：當導向板所受力矩達到1.98×10-4N·mm(風速3.2 m/s)時，廓線儀旋轉部分即可旋轉；由于機械部件間的摩擦和壓力軸承的阻力作用，試驗發現當風速達到3.7 m/s時儀器才開始轉動。

為減小機體本身對周圍流場穩定性和均勻性的影響，提高風速測量的準確性，旋轉部分設計成楔形細長體結構且在導向板的氣流導向作用下可隨風向自由旋轉，以保證風速傳感器探頭能夠始終正對來風方向進行測量。

2.2 風速傳感器電路設計

為滿足近地表風速廓線的長時間連續野外監測，研制了具有體積小、功耗低、響應速度快和測量精度較高等優點的風速傳感器，其電路原理圖如圖3所示，傳感器電路如圖4所示[9,11,13]。

其中，P1端口為電源輸入端與信號輸出端，電壓范圍12～18 V；電容C1、C2和L7809組成的穩壓電路為傳感器電路提供標準的9 V工作電壓；P2端口連接熱敏探頭FS5的加熱電阻(RH)、溫度敏感電阻(RS)與模擬地(GND)，并與R2、R3、R5、R6和Q2一起組成惠斯通電橋[13]；電橋的輸出電壓差經過放大器TS922放大后作為反饋信號為由R1、R4和Q1(NPN型)組成的電流放大電路提供基極電壓，以調節BC817發射極電流和流過加熱器(RH)的電流大小。

通過對電路的測試分析發現：在靜風下，放大器TS922引腳1的輸出電壓在1.83～1.86 V之間，在16 m/s的風速下，其輸出電壓在4.0～5.5 V之間。為了便于采用16位AD轉換器進行數據采集，設計了由電容C4、C5和HT7318組成的1.8 V穩壓電路；然后，通過儀表放大器AD623形成減法器電路，將TS922的輸出電壓減去1.8 V后作為傳感器的輸出電壓。另外，C3、C6和C8均為濾波電容，分別對不同位置處的電壓信號進行平滑濾波，為了保障傳感器的輸出響應時間，電容值不易選取過大。

圖3 風速傳感器電路圖Fig.3 Circuit schematic of wind velocity sensor

圖4 風速傳感器電路實物圖Fig.4 Pictures of wind velocity sensor

試驗測得：該傳感器的連續穩定工作時長不低于10 h，自上電至輸出穩定所需時長不超過8 s，風速響應時間2～3 s；0～6 m/s風速下的測量精度不低于0.1 m/s，最大輸出偏差小于30 mV，6～16 m/s風速下的測量精度不低于0.3 m/s，最大輸出偏差小于60 mV。

2.3 無線數據采集器設計

2.3.1系統硬件組成

系統分別采用數字溫濕度傳感器SHT10和大氣壓力傳感器BMP085對環境溫濕度和大氣壓力進行采集；核心控制單元采用片內集成MAX810專用復位電路、30 KB的Flash存儲器和768字節RAM的STC12C5630AD單片機[14]，用來接收和發送上位機的指令與數據；采用模擬數據選擇器CD4051模塊和具有16位分辨率的單通道差分輸入AD轉換器LTC1864設計多通道AD轉換電路，通過單片機控制其實現8路風速信號的循環選擇與采集；同時，采用低功耗無線模塊E32-TTL-100對數據進行傳輸，該模塊內嵌高速低功耗單片機和高性能LoRa擴頻芯片SX1278[14]，發射功率僅100 mW，工作頻段410～441 MHz，可設置32個信道，信道帶寬1 MHz，最大數據包長58字節，內部自動完成通訊協議轉換和數據收發控制。

2.3.2系統硬件設計

該采集器的硬件電路采用Altium Designer Winter 09制作，電路原理圖與實物圖分別如圖5和圖6所示[13-14]。

圖5 無線數據采集器原理圖Fig.5 Principle diagram of wireless data acquisition unit

圖6 無線數據采集器 Fig.6 Device of wireless data acquisition unit

該硬件電路主要由控制器電路、復位電路、串口通信電路、穩壓電路、數據存儲電路和無線收發器接口等組成。其中，C1、C2、C3、C4和U1、U2組成系統穩壓電路，U2輸出的3.3 V電壓分別為由R6、C10、U7和R4、R5、C9、U6組成的溫濕度傳感器電路和大氣壓力傳感器電路供電；由R3、R7、R8、D1和U8組成的無線收發模塊接口電路通過串口通信方式完成單片機與無線模塊之間的數據傳輸；由C8、P4、U4和U5組成的8通道風速數據采集電路通過三線式串行通信方式完成單片機與風速傳感器組之間的數據通信；單片機控制電路完成上位機指令信息的接收與應答，對傳感器組的控制和數據的讀取、處理、打包等任務，其P1口6個端口(P1.0～P1.2和 P1.5～P1.7)分別連接8路模擬數據選擇器CD4051的3個控制輸入端(A、B、C)和模數轉換器LTC1864的移位時鐘輸入端、數據輸出端、轉換控制端，從而實現對8路風速數據的實時采集與處理； D1和D2分別為無線收發指示燈和數據采集指示燈，當無線模塊收發數據時，D1閃爍，在單片機對傳感器組進行數據讀取時，D2閃爍，用來指示采集器的工作狀態。

另外，系統采用帶USB接口的無線模塊直接與PC機的串口相連，完成無線模塊間指令和數據的收發功能，并將數據包傳輸給上位機數據處理軟件。

3 系統軟件設計

系統軟件設計由數據采集器程序設計和上位機中心節點軟件設計組成。數據采集器程序采用的集成開發環境為Keil-μVision5，上位機軟件采用LabVIEW設計[5,11]。

3.1 無線數據通信策略

在星型網絡中，當多個采集節點同時向中心節點發送數據時會發生“擁堵”現象，導致部分采集節點發送的數據包無法被中心節點所接收；同時，在土壤風蝕研究當中，為了準確分析各個測點的風速廓線與風沙流分布間的變化規律，對數據采集的同步性要求較高。因此本文采用“同步采集，異步傳輸”的通信機制解決上述問題[15-16]，無線模塊的數據傳輸過程如圖7所示。

圖7 無線數據傳輸過程示意圖 Fig.7 Schematics of wireless data transmission process

其中，所有模塊的信道號均設置為17H(該值可選擇0～31)；M代表中心節點，地址設置為FF FF，A、B、C代表3個不同的風速廓線采集節點，地址分別設置為00 01、00 02和00 03。

節點地址被設置為FF FF的中心節點在整個通信過程中具有廣播監聽功能，其發送的指令可以被同一信道內的所有節點接收，同時可以監聽(接收)任意節點發送的數據。通信過程中，中心節點M首先通過“廣播通信”方式發送數據同步采集指令(FF FF+信道號+指令包)，網絡中的所有采集節點接收到該指令后進行數據采集、處理與打包；等待5 s后，中心節點M再通過“定點通信”方式依次發送帶有采集節點地址的數據請求指令(測點地址+信道+指令包)，地址相同的采集節點接收到該指令后立即將數據包發送至中心節點M，此時中心節點M等待500 ms，并通過“網絡監聽”方式接收相應節點返回的數據包。

指令格式及功能如下：

(1)數據同步采集指令：控制所有采集節點進行數據同步采集，格式為：FF FF 17 F9 00 00 FA。

(2)數據請求指令：控制相應測點發送數據包至中心節點，格式為：測點地址 17 F9測點地址FA。

3.2 數據采集器程序設計

數據采集器(采集節點)主要完成指令的接收、數據的采集、處理、存儲和數據包的無線發送等功能。采集器程序流程圖如圖8所示[10,12,15]。

圖8 采集器程序流程圖Fig.8 Flow chart of data acquisition unit

上電后，采集節點僅需完成無線模塊的功能初始化即可進入正常工作模式，等待中心節點的控制指令；在接收到數據同步采集指令后完成溫度、濕度、大氣壓力及8通道風速數據的采集、處理、轉換和打包等任務；在接收到數據請求指令后，將數據包通過串口發送給無線收發模塊，再發送至中心節點，完成數據自動采集功能。

為降低電源波動及外部噪聲對風速傳感器輸出信號的影響，采用均值法對數據進行處理。首先對傳感器的輸出電壓連續采集20次，然后將20個數據進行從大到小排列，取中間18個數的平均值作為傳感器的輸出值，最后將其轉換成相應的風速值。然而，采集器完成一次上述數據處理過程約280ms，完成8通道風速數據的采集與處理約為2.3s。因此，為了實現數據同步采集，程序首先完成8路風速數據的循環采集，然后再采用均值法對8路數據進行分別處理。由于數據選擇器的通道開關及信號傳播延時時間的最大值為1 μs,AD轉換器的采樣頻率為250 kHz,則實現單通道單次數據采集所需時間約為5 μs，實現8通道20次循環數據采集所需時間約為800 μs，相對于風速變化可忽略不計，滿足風速數據同步采集的要求。

無線數據傳輸的數據包長34字節，各部分的存儲內容及所占用的字節數如表1所示[9]。

3.3 上位機軟件程序設計

該系統可在10 s內完成6個風速測點的實時測監與數據傳輸、處理。軟件界面如圖9所示[9，12]。

表1 無線傳輸的數據包格式Tab.1 Format of wireless transmission data packet

注：xx代表1～248中的任意值。

圖9 數據處理軟件界面Fig.9 Interfaces of data processing software

軟件啟動后，首先需要對通信端口、測點個數、測點地址和傳感器組的高度分布等參數進行配置，軟件自動將設置的節點地址送入地址隊列，并為相應測點分配數據顯示通道號(0～5，分別對應6個顯示區)。然后，軟件按照設定好的無線數據通信策略控制各采集節點完成風蝕數據的采集、處理打包與無線模數據傳輸等過程。最后，上位機軟件對各采集節點返回的數據包進行解析，并根據數據類型信息對數據進行處理；采用最小二乘法對風速數據進行處理，繪制出各測點處的近地表風速廓線，將數據及圖形顯示到相應的區域。

4 試驗與分析

4.1 熱敏風速傳感器組標定

采用美國TSI公司生產的testo-425精密型熱線風速儀對所設計的風速傳感器進行標定，該風速儀的分辨率達0.01 m/s，精度為0.03 m/s，是專門用于監測通風管內風速的體積流量型風速計。

標定時，將風速傳感器固定于低速微型風洞實驗段中心位置且距離出口10 cm處，通過調節變頻器來改變風洞試驗段中心風速，在凈風作用下對風速傳感器進行標定，如圖10所示[8]。

圖10 風速傳感器標定試驗裝置Fig.10 Testing devices for calibrating wind velocity sensors

由熱敏式風速傳感器的輸出特性可知，該傳感器對低風速較為敏感，且測量精度隨風速的增大而減小。因此，在0～10 m/s和10～16 m/s的風速下，標定間隔分別選擇為0.5 m/s和1.0 m/s，共選取26種不同的風洞中心風速。

調節風洞中心風速至某一穩定值，首先采用testo-425熱線風速儀對距傳感器探頭前方2 cm處的風速進行測量，連續采集20組數據，并將其平均值作為風洞中心風速；然后采用NI USB-6002多功能高速數據采集卡對風速傳感器的輸出電壓進行采集，連續讀取20組數據，并將其平均值作為標定值；最后，以風速傳感器的平均輸出電壓值為橫坐標，以testo-425風速儀的平均風速為縱坐標，采用最小二乘法對數據進行三次多項式擬合，以獲得風速傳感器的標定曲線及其標定方程[2,8]。

1號風速傳感器的標定數據如表2所示，風速傳感器組的標定曲線和擬合方程分別如圖11和表3所示。

表2 1號風速傳感器標定數據Tab.2 Calibrated data of wind velocity sensor 1

圖11 風速傳感器組標定曲線Fig.11 Calibration curves of wind velocity sensors

從圖11和表3中可以得出：該風速傳感器組的輸出特性曲線與熱敏風速傳感器的輸出特性曲線基本一致；采用三次多項式擬合所得到的擬合曲線能夠準確反映出風速與傳感器輸出電壓間變化規律，且擬合度均在0.995以上；風速傳感器組的輸出特性均呈單調遞增趨勢，且0～6 m/s范圍內變化較快，呈非線性關系；在6～16 m/s范圍內變化較慢，基本呈線性關系。

表3 風速傳感器組擬合方程Tab.3 Fitting equations of eight wind velocity sensors

4.2 風洞試驗測試

室內環境溫度16.5℃，測試時長4 h。試驗時，將風速廓線儀置于0FDY-1.2型可移動風蝕風洞的試驗段中心位置處，風速傳感器探頭正對風洞來風方向，最下方探頭距風洞底面2 cm；同時，將testo-425熱線風速儀的探頭置于風洞試驗段距風速廓線儀前方20 cm位置處，以測量風洞中心風速，如圖12所示[2,8]。

圖12 風速廓線儀風洞測試Fig.12 Experiments of wind speed profiler in wind tunnel

由于風洞橫截面寬1 m，高1.2 m，風速廓線儀最大迎風面積為0.056 m2,占風洞試驗段截面積的4.7%(小于5%)，符合風洞測試要求，機體對風洞試驗段流場的影響較小。測試過程中，首先調節變頻器改變風洞中心風速，連續讀取20組testo-425熱線風速儀采集的數據，并將其平均值作為風洞中心風速；然后，分別在風洞中心風速為3、6、9、12 m/s的條件下，對儀器在4種不同中心風速下測得的8路風速數據進行采集處理；最后，上位機數據處理軟件采用最小二乘法對測得的風速數據進行指數擬合，以獲得近地表風速廓線及其擬合方程。風速廓線儀測得的風速廓線及其指數擬合方程如圖13和表4所示。

圖13 不同風速下測得的風速廓線Fig.13 Wind profiles measured at different wind velocities

中心風速/(m·s-1)指數擬合方程擬合度R23y=0.089e1.856x0.9216y=0.020e1.436x0.9059y=0.035e0.952x0.91212y=0.046e0.652x0.947

從圖13和表4中可以看出：8路風速傳感器基本能夠準確采集到不同位置上的風速數據；采用指數擬合得到的擬合方程與該風洞試驗段的風速分布規律相一致，且擬合度均在0.9以上；4種不同風速下，該風速廓線儀測得的風廓線能夠準確地反映近地表風速在垂直高度上的分布規律[17-19]。

4.3 野外試驗驗證

將整個測試系統分別置于草地和無保護深耕農田兩種地表中，在自然風的作用下，連續采集不同地表的風速廓線；采用testo-425熱線風速儀測量距離地面2 m高處的瞬時風速，將其作為風速廓線的參考風速[2,20]。野外試驗測試如圖14所示。

圖14 風速廓線儀野外試驗Fig.14 Field experiments of wind speed profiler

野外環境平均溫度24℃，平均濕度21%，平均大氣壓力880 hPa。測試時，將風速廓線儀固定于被測地表，改變接收端與儀器間的距離，并觀察PC端數據處理軟件的工作狀態及風速廓線的變化規律；保持系統連續工作至接收端無法正常接收數據。在草原地表和農田地表條件下，風速廓線儀在不同參考風速下采集到的風速數據及其風速廓線分別如表5、6和圖15、16所示。

表5 草原地表不同風速下8個高度上的風速Tab.5 Wind speed at eight heights at different windvelocities on grassland m/s

表6 農田地表不同風速下8個高度上的風速Tab.6 Wind speed at eight heights at differentwind velocities on farmland m/s

試驗結果表明：該風速廓線儀在兩種不同地表下所測得近地表風速廓線能夠準確反映出草原地表和翻耕農田近地表的風速分布規律[5，19-20]；在空曠無遮擋且空中傳輸速率為2.4 kb/s的條件下，無線數據傳輸距離不低于500 m(無丟包)；在無外部供電的條件下，該風速廓線儀最大正常工作時長不低于7 h；該風速廓線儀及其無線數據采集處理系統能夠準確、穩定地對被測環境的近地表風速廓線進行實時測量。

圖15 草原地表不同風速下的風速廓線Fig.15 Wind profiles at different wind velocities on grassland

圖16 農田地表不同風速下的風速廓線Fig.16 Wind profiles at different wind velocities on farmland

5 結論

(1) 設計的風速傳感器具有體積小、功耗低、重復性好、響應速度快與測量精度高等優點；風測量范圍為0～16 m/s，最大響應時間不超過3 s，測量精度不低于0.3 m/s。

(2) 設計的風速廓線儀具有自動風向校準、攜帶方便、流場影響小與無線數據傳輸等特點，旋轉啟動風速為3.7 m/s，實現了8通道風速數據的準確采集與處理，測得的風速廓線符合指數分布規律，且具有較高的擬合度，能夠滿足對近地表風速廓線實時測量的需求。

(3) 該無線數據采集處理系統具有實時數據處理與顯示、風速廓線實時動態繪制及數據自動存儲與回放等功能，能夠在野外環境下長期、穩定工作，在最大射頻功率下，數據包的有效傳輸距離不低于500 m，6個節點完成一次數據傳輸所需時間不超過10 s，基本滿足野外土壤風蝕研究的需求。

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