基于無線傳感網(wǎng)的移動氣象平臺的設(shè)計(jì)

劉娜 周杰

摘 要： 根據(jù)全方位巡邏式氣象監(jiān)測技術(shù)的需求，提出一種基于無線傳感網(wǎng)的移動式氣象監(jiān)測平臺的設(shè)計(jì)方法。此設(shè)計(jì)分別由分布在平臺不同位置的多個傳感器獲得環(huán)境參數(shù)，再通過ZigBee組建的無線通信技術(shù)傳輸?shù)奖O(jiān)控終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲與顯示。不僅可以對某一場所進(jìn)行巡邏式的全方位檢測，還可通過監(jiān)控終端對指定地點(diǎn)進(jìn)行針對性的檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氣象平臺具有智能化、高精度、低功耗、可移動等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于對某一特定場所進(jìn)行巡邏式實(shí)時檢測。

關(guān)鍵詞： MSP430單片機(jī)； 壓力傳感器； ZigBee； 無線傳感網(wǎng)； 氣象監(jiān)測； 移動氣象平臺

中圖分類號： TN926?34； TH765 文獻(xiàn)標(biāo)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(fēng)向、風(fēng)速以及溫濕度等氣象信息的有效監(jiān)測在日常生活的各個領(lǐng)域都格外重要，然而傳統(tǒng)的風(fēng)向風(fēng)速采集設(shè)備存在體積龐大、不易于安裝及轉(zhuǎn)移等缺點(diǎn)，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(diǎn)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并且可移動的氣象監(jiān)測裝置就顯得十分必要。此外，可將ZigBee無線通信技術(shù)應(yīng)用在該平臺，實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。另外，該平臺具有高精度的智能壓力傳感器系統(tǒng)和電子羅盤裝置，可以精確測量風(fēng)速風(fēng)向。

1 總體設(shè)計(jì)

該移動氣象監(jiān)測平臺硬件結(jié)構(gòu)包括MSP430控制系統(tǒng)、各個數(shù)據(jù)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(jiān)控終端，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

該氣象監(jiān)測設(shè)備的移動平臺配有L298N電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動直流電機(jī)，并配合超聲波避障以及紅外巡線等模塊，實(shí)現(xiàn)平臺的移動；步進(jìn)電機(jī)以及光敏電阻模塊構(gòu)成自動追光系統(tǒng)；由溫濕度傳感器測得當(dāng)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(tǒng)進(jìn)行分析處理得到風(fēng)速風(fēng)向。

ZigBee無線模塊作為監(jiān)控終端和移動平臺之間雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)难b置，可將控制器處理后的氣象數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控終端顯示并存儲，也可將監(jiān)控終端的控制命令傳送至控制器對裝置進(jìn)行實(shí)時操作控制。

2 溫濕度測量原理

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

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

3 風(fēng)力測量原理

可以通過測量某一點(diǎn)的大氣壓差計(jì)算得到該點(diǎn)的風(fēng)壓，然后把壓差信號轉(zhuǎn)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(yīng)技術(shù)[3?4]的BMP085，具有穩(wěn)定的電磁兼容性、高精度、線性以及穩(wěn)定性，與MSP430通過I2C進(jìn)行數(shù)據(jù)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(gòu)成惠斯通電橋形式[5?7]，將測得的壓力值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號。假設(shè)4個檢測電阻的阻值都相等，當(dāng)有風(fēng)時，周圍大氣壓會發(fā)生變化，4個檢測電阻的阻值將發(fā)生變化產(chǎn)生壓差，將壓差轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的應(yīng)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(chǎn)生誤差，而惠斯通電橋形式將溫度產(chǎn)生的誤差進(jìn)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(fēng)向裝置將自動調(diào)整壓力傳感器的壓孔對準(zhǔn)風(fēng)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(fēng)的總壓力[PZ]以及靜壓力[PJ]可用流體空氣動力學(xué)的伯努利方程計(jì)算表示[8?9]：

其中，風(fēng)速與空氣流動的動壓力的關(guān)系為：

式中：[ρ]為空氣密度（單位：kg/m3）；[V]為風(fēng)速（單位：m/s）。從而可以導(dǎo)出計(jì)算風(fēng)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(fēng)速值。

其中，空氣密度的表達(dá)式為：

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

在設(shè)計(jì)中，由于采集到的電信號與風(fēng)壓之間并非線性關(guān)系，為了滿足高精度的要求，因此采用歸十法對A/D轉(zhuǎn)換得到的電壓信號進(jìn)行補(bǔ)償處理。氣壓與電壓關(guān)系表如表1所示。

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，用歸十法[10]對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償后，電壓值隨著壓強(qiáng)的增大而增大，兩者之間存在一定的線性關(guān)系。

4 風(fēng)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(shù)字信號。通過對地磁的測量，得到裝置的各方位姿態(tài)角[11]，并且在軸向具有靈敏度高和線性的特點(diǎn)，把它用在測量風(fēng)向上，精確度可達(dá)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(shù)據(jù)，通過I2C協(xié)議傳輸?shù)組SP430控制器內(nèi)部進(jìn)行分析處理。

磁場在赤道附近是與當(dāng)?shù)氐乃矫嫫叫校诒卑肭虼艌龇较蚺c地面呈現(xiàn)一定的夾角。對于地球上任何一個定點(diǎn)來說，這個磁矢量可以分解為兩個分量：一個平行于當(dāng)?shù)厮矫娴乃椒至?；另一個垂直于當(dāng)?shù)厮矫娴拇怪狈至?。若電子羅盤持續(xù)平行于當(dāng)?shù)氐乃矫?，則羅盤中三個軸方向的磁力計(jì)分別和三個分量一一對應(yīng)，分解示意圖如圖6所示。

現(xiàn)實(shí)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(dāng)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(jì)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(jì)算公式為：

該設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中，特別是經(jīng)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(jìn)行計(jì)算航向角。若要得到最后精確的測量結(jié)果，需要對測量的航向角進(jìn)行傾斜補(bǔ)償[12]。

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

結(jié)合磁力的水平分量X，Y，Z對計(jì)算的航向角做傾斜補(bǔ)償。

得航向角：

因?yàn)榈乩肀睒O與地磁北極之間存在磁偏夾角，兩者并不完全重合，所以計(jì)算得到的航向角并不是指向正北的航向角?？紤]到每個地區(qū)的磁偏角并不相等，所以通過查表得到當(dāng)?shù)氐拇牌?，加上整個空間象限，所以計(jì)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(huán)境中，不可避免地會引入許多磁場干擾，對測量值造成動態(tài)或靜態(tài)的影響。對于靜態(tài)引起的固定值的誤差采用定值補(bǔ)償[13]；對于動態(tài)變化的誤差，采用基于最小二乘的24位置補(bǔ)償方法[14]，更加精確地測得風(fēng)向角。具體的實(shí)施方法是把水平方向的360°周角平均分成24個測量區(qū)，每個區(qū)域15°，共得到24組航向角的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，求出補(bǔ)償系數(shù)代入補(bǔ)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(shù)據(jù)全部代入補(bǔ)償公式，根據(jù)矩陣函數(shù)的性質(zhì)運(yùn)算，即可求得羅盤誤差的補(bǔ)償系數(shù)：

將補(bǔ)償系數(shù)和測量數(shù)據(jù)代入補(bǔ)償公式得到精確的航向角測量結(jié)果，即得到精確的風(fēng)向。

5 太陽能雙軸追光云臺

太陽能雙軸追光云臺的結(jié)構(gòu)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(xiàn)，對比光敏傳感器E，F(xiàn)測量值檢測是否背光。這種設(shè)計(jì)可以使太陽能電池板實(shí)現(xiàn)水平360°、垂直180°自由旋轉(zhuǎn)追光，旋轉(zhuǎn)度數(shù)精確，將光電轉(zhuǎn)化效率上升到最大化。

由6個感光光敏電阻測得的光照強(qiáng)度通過A/D轉(zhuǎn)換傳送到控制器，再通過光強(qiáng)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(jìn)電機(jī)組以調(diào)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(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)充電保護(hù)電路。當(dāng)太陽能電池板的兩端電壓低于電池兩端電壓時，便會出現(xiàn)反向充電的現(xiàn)象，即電池給太陽能電池板充電，為避免此現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)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(zhí)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(shí)現(xiàn)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(dá)指定地點(diǎn)進(jìn)行氣象探測?；谝陨瞎δ?，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(yōu)的前方圖像識別，但無疑增加了成本負(fù)擔(dān)和開發(fā)周期，所以本設(shè)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(diào)制進(jìn)行實(shí)時控制驅(qū)動直流電機(jī)，配合軟件編程實(shí)現(xiàn)目標(biāo)移動。尋線部分采用6只紅外傳感器，由發(fā)射管發(fā)射紅外線，經(jīng)過路面軌跡的反射傳送到紅外傳感器的接收管，經(jīng)數(shù)據(jù)匯總后得到移動平臺與軌跡的相對位置。根據(jù)6只紅外數(shù)據(jù)由控制器根據(jù)軟件調(diào)節(jié)小車的轉(zhuǎn)速和方向，使小車重新回到規(guī)定的軌跡。避障部分，首先利用控制器輸出一個40 kHz的觸發(fā)信號，把觸發(fā)信號通過TRIG管腳輸入到超聲波測距模塊；再由超聲波內(nèi)部的發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時控制器通過，軟件開始計(jì)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(chǎn)生一個回應(yīng)信號并通過ECHO腳反饋給控制器，此時控制器就立即停止計(jì)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(jù)回響電平與檢測距離成比例，由計(jì)時器記錄時間，可以算出發(fā)射點(diǎn)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(yīng)的繞行運(yùn)動軌跡。移動平臺的控制流程如圖11所示。

7 監(jiān)控終端

本系統(tǒng)采用控件SerialPort進(jìn)行串口連接，將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行正則表示存入內(nèi)存數(shù)組，采用第三方控件ZedGraph繪制折線圖。為了保證數(shù)據(jù)不會丟失，將數(shù)據(jù)存入本地數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫采用同樣是微軟公司的Aeecss數(shù)據(jù)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(fā)送控制命令。采用SerialPort控件Write方法進(jìn)行比特流傳送，先提前將商定好要傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行比特轉(zhuǎn)換后再傳輸?？刂品譃樽詣涌刂婆c手動控制兩種，選擇會向移動平臺發(fā)送相應(yīng)命令，讓移動平臺在自動巡線與手動控制進(jìn)行選擇。

2） 數(shù)據(jù)的接收。采用SerialPort控件與移動平臺連接，監(jiān)控終端界面通過SerialPort1 _DataReceived函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，用正則表示存入內(nèi)存數(shù)組，分別賦值到監(jiān)控終端頁面標(biāo)簽控件，從而顯示即時數(shù)據(jù)；同時將數(shù)組數(shù)據(jù)通過調(diào)用GraphPane函數(shù)再在第三方控件ZedGraph所畫的折線圖上做點(diǎn)。從而完成所有數(shù)據(jù)接收功能。

3） 數(shù)據(jù)的保存。開啟數(shù)據(jù)存儲，將數(shù)據(jù)儲存到Aeecss數(shù)據(jù)庫中，并且通過Sel頁面選取數(shù)據(jù)存儲日期查看從前存入的數(shù)據(jù)。

8 結(jié) 語

本文提出一種基于無線傳感網(wǎng)的移動式氣象監(jiān)測平臺的設(shè)計(jì)方法。此設(shè)計(jì)分別由分布在平臺不同位置的多個傳感器獲得環(huán)境參數(shù)，再通過ZigBee組建的無線通信技術(shù)傳輸?shù)奖O(jiān)控終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲與顯示。不僅可以對某一場所進(jìn)行巡邏式的全方位檢測，還可通過監(jiān)控終端對指定地點(diǎn)進(jìn)行針對性的檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氣象平臺具有智能化、高精度、低功耗、可移動等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于對某一特定場所進(jìn)行巡邏式實(shí)時檢測。

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