陳康奇，唐慧強(qiáng)

（南京信息工程大學(xué) 信息與控制學(xué)院，江蘇 南京 210044）

風(fēng)速測(cè)量在氣象預(yù)報(bào)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、風(fēng)力發(fā)電、航空航天等領(lǐng)域中有著重要意義，依靠人工觀測(cè)采集和記錄氣象數(shù)據(jù)在時(shí)效性、可靠性等方面都存在不足，更難適應(yīng)惡劣環(huán)境下的觀測(cè)要求。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)相比傳統(tǒng)的有線傳輸模式有更多優(yōu)勢(shì)。ZigBee技術(shù)具有組網(wǎng)能力強(qiáng)、復(fù)雜度低、功耗低、可靠性高等特點(diǎn)[1]，能很好滿足交通氣象站無(wú)線聯(lián)網(wǎng)的要求，它使氣象要素的采集和管理更加便捷和智能化，提高了各個(gè)節(jié)點(diǎn)相互通信的能力，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用性和可靠性，而系統(tǒng)的使用和維護(hù)成本卻很低。

測(cè)量風(fēng)速通常有機(jī)械式、超聲波式、壓力式等多種方法。傳統(tǒng)的機(jī)械式風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)單，但存在機(jī)械磨損，需要定期維護(hù)；超聲波式風(fēng)速儀精度較高，易受降水等因素影響；皮托管具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高的特點(diǎn)，一般作為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速檢測(cè)裝置[2]。交通氣象站風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)以Atmega128單片機(jī)和CC2420無(wú)線傳感模塊為核心，采用風(fēng)壓式原理設(shè)計(jì)，把傳感器采集到的風(fēng)速相關(guān)量（包括風(fēng)壓、氣溫和氣壓）匯總處理，并通過(guò)CC2420定時(shí)向網(wǎng)絡(luò)中的采集通信節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)工作原理概述

測(cè)量系統(tǒng)由皮托管感應(yīng)風(fēng)速，其輸出的風(fēng)壓信號(hào)通過(guò)差壓傳感器檢測(cè)[3]。S型皮托管是由兩根結(jié)構(gòu)相同的金屬管定向焊接而成，它的測(cè)端制成方向相反的兩個(gè)相互平行的開(kāi)口，分別為全壓口和靜壓口，根據(jù)流體力學(xué)伯努利方程，在穩(wěn)定的流場(chǎng)中有以下關(guān)系，

其中，P0為靜壓，ρ為空氣密度，V為風(fēng)速，P為全壓。上式經(jīng)變換得

ΔP是皮托管得到的差壓，由上式可以推出空氣流速和皮托管測(cè)得的差壓間的關(guān)系，即：

式中ξ為皮托管的校準(zhǔn)系數(shù)。由于空氣密度與大氣壓、氣溫有關(guān)，

系統(tǒng)在采集皮托管差壓的同時(shí)還需采集氣壓和氣溫。在交通氣象站中，已具有氣壓及氣溫要素的無(wú)線傳感器測(cè)量節(jié)點(diǎn)，可以直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)取得。為提高系統(tǒng)的適應(yīng)性，這里設(shè)計(jì)了備用的風(fēng)速測(cè)量用氣壓及氣溫檢測(cè)電路。

圖1是整個(gè)交通氣象站結(jié)構(gòu)圖，本系統(tǒng)負(fù)責(zé)測(cè)量風(fēng)速相關(guān)量，數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊CC2420發(fā)送給數(shù)據(jù)收集器，數(shù)據(jù)收集器可以和PC機(jī)通信，把各種氣象數(shù)據(jù)匯總到交通氣象站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，也可以通過(guò)GPRS發(fā)送給手持設(shè)備實(shí)現(xiàn)移動(dòng)觀測(cè)[4]。

圖1 交通氣象站結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of traffic meteorological station

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括傳感器節(jié)點(diǎn)電路和數(shù)據(jù)通信電路的設(shè)計(jì)，圖2為系統(tǒng)的硬件連接圖。

圖2 系統(tǒng)硬件連接圖Fig.2 Diagramofhardware connection

整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)包括傳感器模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、MCU主控模塊、CC2420無(wú)線通信模塊和電源模塊[5]。主控芯片采用ATMEL公司的AVR單片機(jī)Atmega128，它是一款基于RISC結(jié)構(gòu)的8位高性能、低功耗CMOS微處理器，內(nèi)部帶有128 kB可編程Flash程序存儲(chǔ)器、4 kB的EEPROM和4 kB的SRAM。傳感器分為模擬輸出型和數(shù)字輸出型，其中采集風(fēng)速的差壓傳感器輸出為模擬量，需要經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換送至單片機(jī)，溫度、氣壓傳感器都為數(shù)字量輸出。CC2420負(fù)責(zé)把單片機(jī)處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的接收節(jié)點(diǎn)。在這里采用MCU與通信模塊分離的方案可以降低MCU的負(fù)擔(dān)以提高處理風(fēng)壓數(shù)據(jù)的速度。

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)電路

采集風(fēng)速的差壓傳感器選用了ICSensors的33A－001D型微差壓傳感器，它是一款自帶溫度補(bǔ)償功能的硅壓阻式傳感器，支持在－40～＋125℃的大范圍環(huán)境溫度下工作，具有較高的靈敏度和測(cè)量精度。雖然Atmega128自帶10位A/D轉(zhuǎn)換，為了提高系統(tǒng)測(cè)量精度，用了精度更高的ADS1254，它是TI公司生產(chǎn)的24位Δ－∑型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，支持8通道輸入，動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍大，功耗低，有效精度為19位，最高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)20 kHz。

差壓傳感器和ADS1254連接如圖3，虛線框中為差壓傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，輸出電壓信號(hào)先通過(guò)運(yùn)放放大，再接至ADS1254的差分輸入端，這樣能更精確地采集到風(fēng)速對(duì)應(yīng)的壓力值。差分信號(hào)的放大由OPA2277集成運(yùn)放完成，OPA2277是一款高精度雙運(yùn)算放大器，輸入失調(diào)電壓溫漂系數(shù)為0.1 μV/℃。為了使A/D轉(zhuǎn)換芯片有一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，ADS1254的參考電壓輸入端VREF連接到一片MCP1541，該芯片是Microchip公司的低噪聲、低溫漂、高準(zhǔn)確度基準(zhǔn)電壓芯片，可以提供4.096 V穩(wěn)定電壓。ADS1254由5 V供電，差壓傳感器輸出接至差分輸入通道1，CLK引腳控制芯片工作頻率，DOUT和SCLK引腳完成與Atmega128的通信，CHSEL0和CHSEL1是采樣通道選擇引腳，這里只用到通道1，將這兩個(gè)引腳接地即可。

圖3 差壓傳感器和ADS1254的連接Fig.3 Connection of differential pressure sensor and ADS1254

為提高系統(tǒng)的適應(yīng)性，增加了備用的氣壓和溫度采集電路。采用了瑞士Intersema公司的高精度、低功耗數(shù)字氣壓傳感器MS5561－C，芯片內(nèi)部集成了16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以同時(shí)采集大氣壓和溫度，工作電壓2.2～3.6 V，測(cè)量范圍為10～1 100 mbar，靈敏度 0.1 mbar，工作溫度為－40～＋85 ℃，采用類似SPI的三線接口和處理器相連。芯片還自帶六系數(shù)的軟件補(bǔ)償算法，可以有效提高低溫和高溫環(huán)境的抗干擾能力。

2.2 數(shù)據(jù)通信電路

CC2420是Chipcon公司開(kāi)發(fā)的一款適用于ZigBee產(chǎn)品的射頻收發(fā)器，符合2.4 GHz IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過(guò)了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開(kāi)發(fā)的無(wú)線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250 kb/s，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。CC2420與處理器的連接十分方便，如圖4所示，通過(guò)SPI接口交換數(shù)據(jù)，接收來(lái)自處理器的命令，使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA4個(gè)引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在AVR單片機(jī)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Win AVR下使用C語(yǔ)言編程和調(diào)試，采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法，增加了軟件的可讀性，便于修改和維護(hù)，并可通過(guò)JTAG接口下載和調(diào)試。整個(gè)程序包括：主處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、無(wú)線傳輸模塊、上位機(jī)通信接口模塊等，數(shù)據(jù)采集模塊用于采集風(fēng)壓、溫度和大氣壓，并把模擬量風(fēng)壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量；主處理器模塊負(fù)責(zé)接收采集到的數(shù)據(jù)、暫存并計(jì)算出一定時(shí)刻的風(fēng)速值；無(wú)線傳輸模塊完成節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)、信息傳輸和信息安全等任務(wù)，其中信號(hào)采集部分通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的子程序完成，測(cè)量節(jié)點(diǎn)流程圖如圖5所示，系統(tǒng)設(shè)定了200 ms的采樣時(shí)間，每隔200 ms完成一次采樣，達(dá)到一定次數(shù)后進(jìn)入空閑模式，在保證數(shù)據(jù)時(shí)效性的前提下把系統(tǒng)功耗降到最低。

圖4 CC2420和Atmega128的連接Fig.4 Connection of CC2420 and Atmega128

圖5 測(cè)量節(jié)點(diǎn)流程圖Fig.5 Flow chart of sensor node

4 結(jié)束語(yǔ)

整個(gè)系統(tǒng)采用壓力式測(cè)量原理，以高性能AVR單片機(jī)Atmega128和基于ZigBee的無(wú)線傳感模塊CC2420為核心，以皮托管和差壓傳感器作為主要檢測(cè)元件，通過(guò)采集風(fēng)速相關(guān)數(shù)據(jù)并自動(dòng)發(fā)送到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[8]中的數(shù)據(jù)收集器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了交通氣象站的智能化、高精度風(fēng)速測(cè)量。選用的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1254、Atmega128和CC2420，都具有高性能、低功耗的特點(diǎn)。系統(tǒng)在0～40 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果顯示系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)量誤差較小，可以滿足交通氣象觀測(cè)使用要求。

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