基于無線傳感網的移動氣象平臺的設計

劉娜 周杰

摘 要： 根據全方位巡邏式氣象監測技術的需求，提出一種基于無線傳感網的移動式氣象監測平臺的設計方法。此設計分別由分布在平臺不同位置的多個傳感器獲得環境參數，再通過ZigBee組建的無線通信技術傳輸到監控終端實現數據的存儲與顯示。不僅可以對某一場所進行巡邏式的全方位檢測，還可通過監控終端對指定地點進行針對性的檢測。實驗結果表明，氣象平臺具有智能化、高精度、低功耗、可移動等優點，特別適用于對某一特定場所進行巡邏式實時檢測。

關鍵詞： MSP430單片機； 壓力傳感器； ZigBee； 無線傳感網； 氣象監測； 移動氣象平臺

中圖分類號： TN926?34； TH765 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）18?0006?06

Design of mobile meteorological platform based on wireless sensor network

LIU Na1， ZHOU Jie1，2

（1. Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China；

2. Department of Electronic and Electrical Engineering， Niigata University， Niigata 950?2181， Japan）

Abstract： A design method of the mobile meteorological monitoring platform based on wireless sensor network is proposed according to the demand of the all?round patrol meteorological monitoring technology. In the design， the environmental parameters are obtained from multiple sensors distributed at different locations of the platform， and then transmitted to the monitoring terminal by means of the ZigBee wireless communication technology， so as to realize data storage and display. The platform can not only conduct all?round patrol detection of a certain place， but also conduct targeted detection of a designated place by using the monitoring terminal. The experimental results show that the meteorological platform has the advantages of intelligence， high precision， low power consumption， and mobility， which is especially applicable for real?time patrol detection of a specific place.

Keywords： MSP430 SCM； pressure sensor； ZigBee； wireless sensor network； meteorological monitoring； mobile meteorological platform

0 引 言

風向、風速以及溫濕度等氣象信息的有效監測在日常生活的各個領域都格外重要，然而傳統的風向風速采集設備存在體積龐大、不易于安裝及轉移等缺點，而且使用時會受到空間的限制。因此，研究一種能對非固定地點進行實時監測，并且可移動的氣象監測裝置就顯得十分必要。此外，可將ZigBee無線通信技術應用在該平臺，實現無線遠程監測與控制。另外，該平臺具有高精度的智能壓力傳感器系統和電子羅盤裝置，可以精確測量風速風向。

1 總體設計

該移動氣象監測平臺硬件結構包括MSP430控制系統、各個數據測量模塊、太陽能雙軸追光云臺、移動平臺、無線通信裝置、供電電源、監控終端，系統框圖如圖1所示。

該氣象監測設備的移動平臺配有L298N電機驅動模塊驅動直流電機，并配合超聲波避障以及紅外巡線等模塊，實現平臺的移動；步進電機以及光敏電阻模塊構成自動追光系統；由溫濕度傳感器測得當前位置的溫度以及濕度；由壓力傳感器采集的壓力值以及電子羅盤采集的方位角，通過MSP430控制系統進行分析處理得到風速風向。

ZigBee無線模塊作為監控終端和移動平臺之間雙向數據傳輸的裝置，可將控制器處理后的氣象數據傳送到監控終端顯示并存儲，也可將監控終端的控制命令傳送至控制器對裝置進行實時操作控制。

2 溫濕度測量原理

DHT11數字溫濕度傳感器內包含已校準的數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，傳感器內包含一個電阻式感濕元件和一個負溫度系數的測溫元件，且與一個高性能的處理器相連接。因此該數字溫濕度傳感器具有反應速度快、精確度高等特點。

將串行時鐘輸入信號SCK用于控制器與DHT11之間，實現同步信息通信[1?2]。DHT11與MSP430通信接線如圖2所示。

3 風力測量原理

可以通過測量某一點的大氣壓差計算得到該點的風壓，然后把壓差信號轉換成電壓信號，因此需要用到壓力傳感器。本裝置采用的壓力傳感器是基于壓阻效應技術[3?4]的BMP085，具有穩定的電磁兼容性、高精度、線性以及穩定性，與MSP430通過I2C進行數據通信，接線電路如圖3所示。

壓阻式壓力傳感器的4個檢測電阻構成惠斯通電橋形式[5?7]，將測得的壓力值轉換成相應的電壓信號。假設4個檢測電阻的阻值都相等，當有風時，周圍大氣壓會發生變化，4個檢測電阻的阻值將發生變化產生壓差，將壓差轉化為相應的應力值，得出大氣壓值。但由于溫度影響，將會使每個電阻值都會產生誤差，而惠斯通電橋形式將溫度產生的誤差進行抵消，提高測量精度。

測量時，壓力傳感器位置如圖4所示。

風向裝置將自動調整壓力傳感器的壓孔對準風向，可測得周圍大氣壓的總壓力值。將周圍空氣的動壓力[PD]、風的總壓力[PZ]以及靜壓力[PJ]可用流體空氣動力學的伯努利方程計算表示[8?9]：

其中，風速與空氣流動的動壓力的關系為：

式中：[ρ]為空氣密度（單位：kg/m3）；[V]為風速（單位：m/s）。從而可以導出計算風速公式：

即：得到周圍大氣流動的動壓力和空氣密度，就可以得到風速值。

其中，空氣密度的表達式為：

式中：[P]為大氣壓力（單位：Pa）；[RB]為干空氣的比氣體常數，取287.05 J·kg-1·K-1；[T]為空氣的熱力學溫度（單位：K）；[e]為空氣中的水汽壓（單位：Pa）。

在設計中，由于采集到的電信號與風壓之間并非線性關系，為了滿足高精度的要求，因此采用歸十法對A/D轉換得到的電壓信號進行補償處理。氣壓與電壓關系表如表1所示。

從表1中的數據可以看出，用歸十法[10]對采集到的數據進行補償后，電壓值隨著壓強的增大而增大，兩者之間存在一定的線性關系。

4 風向測量原理

電子羅盤HMC5883L是一種用于檢測弱磁的傳感器芯片，其輸出為數字信號。通過對地磁的測量，得到裝置的各方位姿態角[11]，并且在軸向具有靈敏度高和線性的特點，把它用在測量風向上，精確度可達0.1°。通過I2C總線直接與MSP430相連，如圖5所示，把傳感器周期性采集到的數據，通過I2C協議傳輸到MSP430控制器內部進行分析處理。

磁場在赤道附近是與當地的水平面平行，而在北半球磁場方向與地面呈現一定的夾角。對于地球上任何一個定點來說，這個磁矢量可以分解為兩個分量：一個平行于當地水平面的水平分量；另一個垂直于當地水平面的垂直分量。若電子羅盤持續平行于當地的水平面，則羅盤中三個軸方向的磁力計分別和三個分量一一對應，分解示意圖如圖6所示。

現實中，對水平X，Y方向的兩個分量來說，疊加的矢量和總是指向磁北方向。電子羅盤中的航向角（Azimuth）定義即當前方向和磁北的夾角。在水平路面行駛時，羅盤保持水平，只需要用磁力計測得水平方向兩軸（通常為X軸和Y軸）地磁矢量的分量，航向角計算公式為：

該設備在實際運行中，特別是經過傾斜路面時，并不能保證電子羅盤始終與水平面保持平行，所以不能使用式（5）直接進行計算航向角。若要得到最后精確的測量結果，需要對測量的航向角進行傾斜補償[12]。

使用三軸重力加速度計分別測出X，Y，Z三個軸的重力加速度分量為[Ax]，[Ay]，[Az]，結合幾何空間計算出橫滾角[θ]和俯仰角[ψ]：

結合磁力的水平分量X，Y，Z對計算的航向角做傾斜補償。

得航向角：

因為地理北極與地磁北極之間存在磁偏夾角，兩者并不完全重合，所以計算得到的航向角并不是指向正北的航向角。考慮到每個地區的磁偏角并不相等，所以通過查表得到當地的磁偏角，加上整個空間象限，所以計算航向角的公式改為：[ α=180°-arctan（YHXH）， XH≤0arctan（YHXH）， XH>0，YH≤0360°-arctan（YHXH）， XH≥0，YH>0]

但是在周圍的測量環境中，不可避免地會引入許多磁場干擾，對測量值造成動態或靜態的影響。對于靜態引起的固定值的誤差采用定值補償[13]；對于動態變化的誤差，采用基于最小二乘的24位置補償方法[14]，更加精確地測得風向角。具體的實施方法是把水平方向的360°周角平均分成24個測量區，每個區域15°，共得到24組航向角的基礎數據，求出補償系數代入補償公式即可得到更加精確的航向角。

記誤差方程：

式中：

將這24組數據全部代入補償公式，根據矩陣函數的性質運算，即可求得羅盤誤差的補償系數：

將補償系數和測量數據代入補償公式得到精確的航向角測量結果，即得到精確的風向。

5 太陽能雙軸追光云臺

太陽能雙軸追光云臺的結構如圖7所示。

在太陽能電池板正面的上下左右各放置光敏傳感器A，B，C，D，通過對比光敏傳感器C，D的測量值得到太陽的水平方位，對比光敏傳感器A，B測量值得到垂直方位。為加快電池板的工作效率，再在電池板的正反面中間各放置一個光敏傳感器E，F，對比光敏傳感器E，F測量值檢測是否背光。這種設計可以使太陽能電池板實現水平360°、垂直180°自由旋轉追光，旋轉度數精確，將光電轉化效率上升到最大化。

由6個感光光敏電阻測得的光照強度通過A/D轉換傳送到控制器，再通過光強比較法得出太陽的具體方位角。最后通過MSP430控制器控制追光平臺上的步進電機組以調整太陽能電池板的方位角和仰角。軟件控制流程圖如圖8所示，使電池板與陽光始終垂直，極大地提高了太陽能的利用效率[15]。

在太陽能給蓄電池充電過程中，為防止對蓄電池過充從而降低其壽命，應當設計充電保護電路。當太陽能電池板的兩端電壓低于電池兩端電壓時，便會出現反向充電的現象，即電池給太陽能電池板充電，為避免此現象，應當在太陽能電池板和電池之間連接防倒充裝置電路如圖9所示。

6 移動平臺

該裝置大致可分為三大組成部分：檢測部分、執行部分、CPU控制部分。平臺采用履帶式，能克服各種坎坷路面。該移動平臺能實現自動尋線避障功能，還可以自動繞過障礙物重新回到軌跡。到達指定地點進行氣象探測。基于以上功能，該移動平臺要識別障礙物需要傳感器作為探測器以識別前方路況，高性能的圖像處理能帶來最優的前方圖像識別，但無疑增加了成本負擔和開發周期，所以本設備采用紅外傳感器作為路況探測器，而控制方面采用由軟件模擬PWM輸出調制進行實時控制驅動直流電機，配合軟件編程實現目標移動。尋線部分采用6只紅外傳感器，由發射管發射紅外線，經過路面軌跡的反射傳送到紅外傳感器的接收管，經數據匯總后得到移動平臺與軌跡的相對位置。根據6只紅外數據由控制器根據軟件調節小車的轉速和方向，使小車重新回到規定的軌跡。避障部分，首先利用控制器輸出一個40 kHz的觸發信號，把觸發信號通過TRIG管腳輸入到超聲波測距模塊；再由超聲波內部的發射器向某一方向發射超聲波，在發射的同時控制器通過，軟件開始計時；超聲波在傳播過程中，如若遇到障礙物則返回，超聲波測距模塊的接收器收到反射波后通過產生一個回應信號并通過ECHO腳反饋給控制器，此時控制器就立即停止計時。時序圖如圖10所示。

超聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s，根據回響電平與檢測距離成比例，由計時器記錄時間，可以算出發射點距障礙物的距離，即：

通過式（16）控制器來算出距離，并做出相應的繞行運動軌跡。移動平臺的控制流程如圖11所示。

7 監控終端

本系統采用控件SerialPort進行串口連接，將收到的數據進行正則表示存入內存數組，采用第三方控件ZedGraph繪制折線圖。為了保證數據不會丟失，將數據存入本地數據庫，數據庫采用同樣是微軟公司的Aeecss數據庫來保證最大兼容性。檢測終端的界面如圖12所示。

檢測終端主要分為三部分：

1） 向移動平臺發送控制命令。采用SerialPort控件Write方法進行比特流傳送，先提前將商定好要傳送的數據進行比特轉換后再傳輸。控制分為自動控制與手動控制兩種，選擇會向移動平臺發送相應命令，讓移動平臺在自動巡線與手動控制進行選擇。

2） 數據的接收。采用SerialPort控件與移動平臺連接，監控終端界面通過SerialPort1 _DataReceived函數進行數據接收，用正則表示存入內存數組，分別賦值到監控終端頁面標簽控件，從而顯示即時數據；同時將數組數據通過調用GraphPane函數再在第三方控件ZedGraph所畫的折線圖上做點。從而完成所有數據接收功能。

3） 數據的保存。開啟數據存儲，將數據儲存到Aeecss數據庫中，并且通過Sel頁面選取數據存儲日期查看從前存入的數據。

8 結 語

本文提出一種基于無線傳感網的移動式氣象監測平臺的設計方法。此設計分別由分布在平臺不同位置的多個傳感器獲得環境參數，再通過ZigBee組建的無線通信技術傳輸到監控終端實現數據的存儲與顯示。不僅可以對某一場所進行巡邏式的全方位檢測，還可通過監控終端對指定地點進行針對性的檢測。實驗結果表明，氣象平臺具有智能化、高精度、低功耗、可移動等優點，特別適用于對某一特定場所進行巡邏式實時檢測。

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