CN103095822B - 一种风场无线传感器网络测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风场无线传感器网络测量系统，包括若干风速传感器无线测量节点、风场形成物的状态测量模块以及智能总控汇聚模块；其中，所述风速传感器无线测量节点用于提供风场内特定位置点的多个方向的风速值，并通过无线网络的方式与智能总控汇聚模块进行数据交换；所述状态测量模块用于测量风场形成物的运动姿态参数和工况参数，并通过无线网络的方式与智能总控汇聚模块进行数据交换；所述智能总控汇聚模块用于向风速传感器无线测量节点和状态测量模块发送参数配置及控制指令并接收和存储来自风速传感器无线测量节点和状态测量模块的数据信息。本发明的风场无线传感器网络测量系统能在野外进行多点、多风向、可移动、实时采集数据。

Description

一种风场无线传感器网络测量系统

技术领域

本发明涉及无线传感器网络测量技术，具体涉及一种风场无线传感器网络测量系统。

背景技术

随着我国社会经济的快速发展，农村劳力大量向城镇转移，农业生产劳动力日益紧张。据袁隆平农业高科技股份有限公司杂交水稻制种一线生产管理人员介绍，目前国内制种用工日益紧张，现有参与杂交水稻制种的劳力普遍年龄在50-70岁之间，几乎无青壮劳力从事制种工作，制种生产劳动力老龄化严重；制种用工成本快速增加(制种用工100-120元/天，每月2700-3000元/月)；此外，田间种植管理日益粗放，制种产量和质量没有保障。劳动密集型制种技术已逐步不能适应中国社会和现代农业的发展，亟需实现杂交水稻制种全程机械化。

由于杂交水稻每天的开花期较短，一般在10:00～12:00，只有1.5～2h的开花时间；每天需授粉3-4次，且每次授粉作业要在30min内完成，共需连续辅助授粉10～12天，这对授粉的效率提出了很高的要求。因此，制种辅助授粉是杂交水稻制种中最关键、作业效率要求最高、劳动强度消耗最大的环节之一。

将直升飞机等航空飞行器用于杂交水稻制种辅助授粉，是解决杂交水稻制种中辅助授粉的机械化问题的重要途径之一。杂交稻制种辅助授粉的效果(母本结实率)、作业效率及经济效益与直升机等飞行器飞行时产生的风速、风向和风场宽度等参数密切相关，迄今，申请人检索国内外相关文献几乎未发现这方面的研究报道。

要了解直升机等飞行器所形成风场对杂交水稻辅助授粉的实际效果，必须在稻田中实地测量风场在水稻冠层的分布情况，具有如下特殊要求：

(1)需要同时测量多个位置点的风场数据(风速、风向和风场宽度等参数)，风速传感器尽可能覆盖直升机等飞行器过顶时形成的整个风场范围。

(2)需要同时测量单个位置点多个风向的数据，包括：平行飞行方向的风速(Vx)，垂直飞行方向的风速(Vy)，垂直于地面的风速(Vh)。Vx和Vy可了解直升机等飞行器所形成风场对花粉扬起和在空中输送的影响情况，Vh可了解直升机等飞行器所形成风场对水稻植株的损伤情况(通常悬停时风速可达15m/s以上，易造成水稻倒伏)。

(3)需要风场测量系统中的各个传感器节点能够方便地移动，以适应不同田块、不同直升机机型的大量测量试验的需求。

(4)需要实时地把各个风速传感器节点的数据以及直升机过顶时的飞行高度、速度等姿态数据采集后存储起来。

(5)需要在稻田中进行实地测量才能真实反映出直升机等飞行器所形成的风场在水稻冠层的分布情况(不同地形对飞行器飞行的地效有较大影响，例如在水泥地仿真测量时，水泥地的反弹气流与在水稻冠层实地测量的反弹气流有较大的差异)。

现有技术中的风速测量设备和方法均无法达到上述的要求。例如：公开号为CN201845205U的实用新型专利公开了一种基于单片机的大规模风场风能监测装置，但该装置只适用于大规模风场风能的监控；公开号为CN101539763的发明专利公开了一种风场监控系统，用于风力发电场中对处于风场中的风力发电机组进行监控，不能用于实现本发明所述的风场测量目的；公开号为CN101718615A的发明专利公开了一种移动式无人机农用喷洒作业风场测试设备及测试方法，但该设备在测试时飞行器固定在特定的台架上，无法用于田间实际作业工况下进行风场的测量；《测试技术学报》期刊文章“一种基于小型无人机的风场测量方法”公布了一种小区域气象参数中风速风向的测量方法，主要用于气象探测，不能用于实现上述的风场测量目的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能在野外进行多点、多风向、可移动、实时采集数据的风场无线传感器网络测量系统。

本发明实现上述目的的技术方案为：

一种风场无线传感器网络测量系统，包括若干风速传感器无线测量节点、风场形成物的状态测量模块以及智能总控汇聚模块；其中，

所述风速传感器无线测量节点用于提供风场内特定位置点的多个方向的风速值，并通过无线网络的方式与智能总控汇聚模块进行数据交换；

所述状态测量模块用于测量风场形成物的运动姿态参数和工况参数，并通过无线网络的方式与智能总控汇聚模块进行数据交换；

所述智能总控汇聚模块用于向风速传感器无线测量节点和状态测量模块发送参数配置及控制指令并接收和存储来自风速传感器无线测量节点和状态测量模块的数据信息。

所述风速传感器无线测量节点包括无线数传模块、微控制器模块、供电模块、风速传感器以及安装支架；其中，所述无线数传模块用于与智能总控汇聚模块进行数据交换；所述微控制器模块用于采集风速传感器信号，并进行模数转换，经无线数传模块将风速数据传输到智能总控汇聚模块；该微控制器模块具有外扩Flash存储器，可在无线数传模块丢失信号时及时保存数据；所述安装支架用于集成安装上述各个模块。

所述风速传感器是叶轮式或热线膜式或机械式或毕托管式或超声波式风速传感器。

所述供电模块是太阳能电池或可充电电池。

所述风场形成物的状态测量模块包括机上无线数传模块、微控制器模块、运动姿态传感器及工况传感器；其中，所述机上无线数传模块用于与智能总控汇聚模块进行数据交换；所述微控制器模块用于采集运动姿态传感器及工况传感器信号，并进行模数转换，经机上无线数传模块将风场形成物的运动姿态参数和工况参数传输到智能总控汇聚模块，该微控制器模块具有外扩Flash存储器，可在无线数传模块丢失信号时及时保存数据；上述各模块的电源取自风场形成物自带的电源系统或另配蓄电池。

所述运动姿态传感器是全球定位系统(GPS)定位传感器或陀螺仪或航姿参考系统(AHRS)或惯性测量单元(IMU)，用于测量风场形成物的运动姿态参数，该运动姿态参数包括位置、速度、高度、倾角等姿态信息；所述工况传感器是工作压力传感器或是转速传感器。

所述智能总控汇聚模块包括总控无线数传模块和安装有总控软件系统的计算机，所述计算机与总控无线数传模块之间通过数据接口进行连接。

所述总控软件系统由网络通讯协议栈、系统自检模块、数据同步采集模块、数据转换存储模块、数据处理分析模块、风场参数成图输出模块及系统维护模块组成。

所述的无线数传模块或机上无线数传模块或总控无线数传模块是载频为433MHz或490MHz或2.4GHz的无线数据收发装置，数据传输的速率及功率可根据实际应用需求进行调整。

所述的风场形成物是无人驾驶或有人驾驶的飞行器，或是在作业过程中能形成风场的风送式喷雾机、烟雾机、喷杆喷雾机。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种风场无线传感器网络测量系统，克服了目前已有技术不能在野外中进行多点、多风向、可移动、实时采集风场数据的不足，能同时测量多个位置点的风场数据(风速、风向和风场宽度等参数)，使风速传感器尽可能覆盖风场形成物过顶时形成的整个风场范围；能同时测量单个位置点多个风向的数据，可精确了解风场对花粉扬起和在空中输送的影响情况；能方便地在野外移动各个传感器节点，以适应不同田块、不同被测风场形成物的大量测量试验的需求；能实时地把各个风速传感器节点的数据以及被测风场形成物过顶时的飞行高度、速度等姿态数据及工况数据采集后存储起来；能真实反映被测风场形成物在实际工作场地中风场的分布情况。

上述有益效果有助于探明被测风场形成物的风场相关参数，为下一步改进作业方式及作业参数提供理论依据。例如，准确掌握直升机等飞行器在辅助授粉作业时的风速、风向和风场宽度等参数，有助于决策出较佳的飞行作业参数，包括飞行高度、作业载荷及作业航向等，为直升机等飞行器辅助授粉技术的发展提供理论依据。

附图说明

图1为本发明的风场无线传感器网络测量系统的总体框架示意图。

图2为本发明的风速传感器无线测量节点的结构示意图。

图3为本发明的安装支架的结构示意图。

图4为本发明的风场形成物的状态测量模块的结构示意图。

图5为本发明的智能总控汇聚模块的结构示意图。

图6为本发明的智能总控汇聚模块中总控软件系统的功能框架示意图。

图7为本发明的风速传感器无线测量节点在杂交水稻制种辅助授粉田块中的布置方案示意图。

图8为本发明的风场无线传感器网络测量系统测得的杂交水稻冠层风场分布图。

图9为本发明的风场无线传感器网络测量系统测得的直升机飞行航迹及高程图。

图中：

1-风速传感器无线测量节点；2-状态测量模块；3-智能总控汇聚模块；4-风场形成物；11-无线数传模块；12-微控制器模块；13-供电模块；14-风速传感器；15-安装支架；16-三角支架；17-连接杆；18-连接座；21-机上无线数传模块；22-微控制器模块；23-运动姿态传感器；24-工况传感器；31-总控无线数传模块；32-计算机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的描述。

如图1，为本发明所述风场无线传感器网络测量系统的总体框架示意图，由若干风速传感器无线测量节点1、风场形成物4的状态测量模块2以及智能总控汇聚模块3组成，被测风场形成物4的风场通过若干风速传感器无线测量节点1感知。风速传感器无线测量节点1尽可能覆盖被测的整个风场范围，用于提供风场内特定位置点的多个方向的风速值，并通过无线网络的方式与智能总控汇聚模块3进行数据交换；风场形成物4的状态测量模块2用于测量风场形成物4的运动姿态参数和工况参数，并通过无线网络的方式与智能总控汇聚模块3进行数据交换；智能总控汇聚模块3用于向风速传感器无线测量节点1和风场形成物4的状态测量模块2发送参数配置及控制指令并接收和存储来自风速传感器无线测量节点1和状态测量模块2的数据信息。

如图2，为本发明风速传感器无线测量节点1的结构示意图，由无线数传模块11、微控制器模块12、供电模块13、风速传感器14以及安装支架15(见图3)组成。本实施方式中，风速传感器14采用叶轮式风速传感器，叶轮绕轴以正比于风速的转速旋转；微控制器采用低功耗、小封装C8051F330微处理器(Silicon公司)，负责采集X、Y和H三路风速传感器14风速信号并转化成风速存放于存储器中或通过无线数传模块11发送出去，存储器可在无线数传模块11收发数据失败等故障时再次通过无线或有线方式从风速测量节点读出数据；无线数传模块11采用载频490MHz、串口速率9600bps、功率100mW，在开阔地无干扰情况下传送距离可达1.5km以上；供电模块13采用聚合物可充电电池供电，在无线数传模块11以20Hz频率收发时可持续工作时间为10h。无线数传模块11用于与智能总控汇聚模块3进行数据交换；微控制器模块12用于采集风速传感器14信号，并进行模数转换，经无线数传模块11将风速数据传输到智能总控汇聚模块3，此外，微控制器模块12具有外扩Flash存储器，可在无线数传模块11丢失信号时及时保存数据。上述每个风速传感器无线测量节点1中包括三个风速传感器14，分别用于测量以下三个方向的风速参数：平行于飞行方向(X)、垂直于飞行方向(Y)和垂直于地面方向(H)。如图3，所述三个风速传感器14及各模块组成的电气控制盒集成安装于安装支架15上，该安装支架15主要由位于下部的三角支架16和位于上部的连接杆17组成，三个风速传感器14连接于连接杆17上；连接杆17可相对于三角支架16作上下运动，以调整高度；风速传感器14可相对于连接杆17转动，以调节测风方向；连接杆17与三角支架16的连接部位设有连接座18，各模块组成的电气控制盒集成安装于该固定座18上。上述安装支架15便于移动，并且可进行高度调整和测风方向调整，可适应不同田块、不同直升机机型的大量测量试验的需求。

如图4，为风场形成物4的状态测量模块2的结构示意图，由机上无线数传模块21、微控制器模块22、运动姿态传感器23及工况传感器24组成；所述风场形成物4为直升飞机。机上无线数传模块21用来与智能总控汇聚模块3进行数据交换；微控制器模块22用于采集运动姿态传感器23及工况传感器24信号，并进行模数转换，经机上无线数传模块21将风场形成物4的运动轨迹、运动速度、姿态及工况等信息传输到智能总控汇聚模块3，此外，微控制器模块22具有外扩Flash存储器，可在机上无线数传模块21丢失信号时及时保存数据；上述各模块的电源取自风场形成物4自带的电源系统或另配蓄电池。本实施例中，飞机运动姿态传感器23采用高精度RTK GPS接收机，用于测量飞机的飞行航线，包括飞行高度和航迹等运动姿态参数，用于风场数据分析时明确飞机与三方向风速测量节点阵列的位置关系。GPS数据通过小功率机上无线数传模块21传输到智能总控汇聚模块3，其功率500mW，载频433MHz，信道速率38400bps，在开阔地无干扰情况下传送距离可达2km以上。所述工况传感器24包括工作压力传感器和转速传感器，分别用于检测飞机的旋翼转速、喷雾器械输出压力等工况信息。

如图5，为智能总控汇聚模块3的结构示意图，包括总控无线数传模块31和安装有总控软件系统的计算机32。本实施例中，采用笔记本电脑实现总控软件系统的安装；总控无线数传模块31由载频433MHz和490MHz无线数传模块组成，分别用于接收飞机运动姿态参数和工况参数以及向三方向风速测量节点发出参数配置、远程控制指令及接收风速风场数据，笔记本电脑与总控无线数传模块31之间通过串口通讯方式进行连接，实现数据交换。

如图6，为智能总控汇聚模块3中总控软件系统的功能框架示意图，包括网络通讯协议栈、系统自检模块、数据同步采集模块、数据转换存储模块、数据处理分析模块、风场参数成图输出模块及系统维护模块。网络通讯协议栈的功能是将用户输入的节点名称或用户设置的自动循环采集节点名称转化为节点地址(风场形成物4的状态测量模块2也视为节点)，指令与节点地址结合组成通讯消息根据多串口通讯协议发送到计算机32的串行总线上，由无线数传模块31发送至各节点，将接收到的节点消息根据多串口通讯协议和节点通讯协议进行校验并解析出节点数据；系统自检模块可实现开机对各节点逐一查询校验通讯稳定度；数据同步采集模块是保证各风速传感器无线测量节点1和风场形成物4的状态测量模块2数据同步采集与传输，用户可选择风速传感器数据同步风场形成物状态数据或风场形成物状态数据同步风速传感器数据；数据转换存储模块与数据处理分析模块将各节点数据转换为对应的风速值、飞机飞行坐标等并以txt或Excel文件形式存储于计算机上；风场参数成图输出模块主要是将分析后的数据形成2D或3D图；系统维护模块实现用户随时对相关节点进行测试、多串口通讯管理、数据存储管理以及错误人工处理等功能。

下面结合具体的例子对本发明的具体实施方式作进一步描述。

本例中，被测风场形成物4为无人直升机，该无人直升机采用Z-3型无人驾驶油动力单旋翼直升飞机，飞机最大起飞重量100kg，任务载荷能力30kg，主悬翼直径3400mm，尾悬翼直径580mm，发动机功率25kw，最大飞行高度3200m，续航时间2h，控制半径30km。风速传感器无线测量节点1采用叶轮式风速传感器，测量范围在0～45米/秒之间，精确度为±3％，分辨率达0.1m/s；490M无线数传模块传输距离在开阔地无干扰情况下可达1.5km以上；微控制器采用C8051f330作为主控制器，采集风速传感器信号，并进行模数转换，经无线数传模块将风速数据传输到智能总控汇聚模块3；供电模块采用聚合物可充电电池供电，持续工作时间为10h。风场形成物4的状态测量模块2中，飞机运动姿态传感器23采用高精度RTK GPS接收机和433M无线数传模块组成，用于测量飞机的飞行航线，包括飞行高度和航迹等，以便在进行风场数据分析时知道飞机所处的准确位置。本次试验中所采用的GPS为TrimbleRTKGPS 5700，平面精度达10mm+1ppm，高程精度达20mm+2ppm。GPS数据通过433M无线数传模块实时传输到智能总控汇聚模块3存储。风速传感器无线测量节点1以星形拓扑结构布置于被测田块，布置方式有线阵或面阵两种形式，各节点的风场数据通过490M无线数传模块分时传输到智能总控汇聚模块3存储。智能总控汇聚模块3由笔记本电脑、风场无线传感器测量总控软件系统、433M和490M无线数传模块组成，分别用于接收飞机飞行航线数据和向三方向风速测量节点发出参数配置、远程控制指令及接收风速风场数据，实现风场数据及飞机飞行航线数据的远程采集。

如图7，为风速传感器无线测量节点在杂交水稻制种辅助授粉田块中的布置方案示意图；其中，(a)为风速传感器无线测量节点1采用三向线阵布置方法进行风场测量，图中，在水稻田中选10个点，每个点间隔1m，即测定的风场宽9m，每个点上布置3个风速传感器14，风速传感器14的高度与水稻冠层齐平，约0.45m，风速传感器14轴心的安装方向分别为平行于飞行方向(X)、垂直于飞行方向(Y)、垂直于地面方向(H)，即同时测定每个点的3个不同方向的飞机作业产生的风速；当飞机飞行至距离线阵3m时开始测定风速，同时获取GPS数据；飞机沿线阵的中心轴A至B，B至A来回飞行，飞行速度为3m/s，飞行高度分别距离地面9m、8m、7m、6m，每个高度测量两个来回。(b)为风速传感器无线测量节点1采用单向面阵布置方法进行风场测量，图中，在水稻田中选30个点，共计3行，每行间隔1m，每行10个点，每个点间隔1m，即测定的风场为一个2m*9m的矩阵，每一行每个点上布置一个风速传感器14，风速传感器14的测风方向为平行于飞行方向(X)；当飞机飞行至距离面阵中心轴3m时开始测定风速，同时获取GPS数据。飞机沿线阵的中心轴A至B，B至A来回飞行，飞行速度为3m/s，飞行方向为平行于水稻种植行方向，飞行高度分别距离地面9m、8m、7m、6m，每个高度测量两个来回。

如图8和图9，图8为风场无线传感器网络测量系统测得的杂交水稻冠层风场分布图，图9为风场无线传感器网络测量系统测得的直升机飞行航迹及高程图，其中(a)为飞行航迹图，(b)为飞行高程图。利用风场无线传感器网络测量系统同时采集面阵上30个传感器的风速数据，采样频率为20Hz，连续采集5s，每个传感器共采集100个数据，据此分析无人直升机辅助授粉作业时产生的风场的变化规律。图8中，横坐标为风场宽度，纵坐标为直升机进入风场测量区域后的时间序列，从图中可以看出，在1级(0.3-1.5m/s)自然风的影响下，风场整体向中心轴右侧漂移，风速达到3.4m/s以上(3级风的下界值)的风场宽度约为9m；风速达到5.5m/s以上(4级风的下界值)的风场宽度约为6m；风速达到8m/s以上(5级风的下界值)的风场宽度约为4m。无人直升机辅助水稻授粉作业时所形成的风场一目了然，通过多种实验方案的反复对比，可决策出较佳的飞行作业参数，包括飞行高度、作业载荷及作业航向等，为直升机等飞行器辅助授粉技术的发展提供理论依据。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种风场无线传感器网络测量系统，其特征在于，包括若干风速传感器无线测量节点(1)、风场形成物(4)的状态测量模块(2)以及智能总控汇聚模块(3)；其中，

所述风速传感器无线测量节点(1)用于提供风场内特定位置点的多个方向的风速值，并通过无线网络的方式与智能总控汇聚模块(3)进行数据交换；

所述状态测量模块(2)用于测量风场形成物(4)的运动姿态参数和工况参数，并通过无线网络的方式与智能总控汇聚模块(3)进行数据交换；

所述智能总控汇聚模块(3)用于向风速传感器无线测量节点(1)和状态测量模块(2)发送参数配置及控制指令并接收和存储来自风速传感器无线测量节点(1)和状态测量模块(2)的数据信息；

所述风场形成物(4)的状态测量模块(2)包括机上无线数传模块(21)、微控制器模块(22)、运动姿态传感器(23)及工况传感器(24)；其中，所述机上无线数传模块(21)用于与智能总控汇聚模块(3)进行数据交换；所述微控制器模块(22)用于采集运动姿态传感器(23)及工况传感器(24)信号，并进行模数转换，经机上无线数传模块(21)将风场形成物(4)的运动姿态参数和工况参数传输到智能总控汇聚模块(3)，该微控制器模块(22)具有外扩Flash存储器，可在机上无线数传模块(21)丢失信号时及时保存数据；上述各模块的电源取自风场形成物(4)自带的电源系统或另配蓄电池。

2.根据权利要求1所述的风场无线传感器网络测量系统，其特征在于，所述风速传感器无线测量节点(1)包括无线数传模块(11)、微控制器模块(12)、供电模块(13)、风速传感器(14)以及安装支架(15)；其中，所述无线数传模块(11)用于与智能总控汇聚模块(3)进行数据交换；所述微控制器模块(12)用于采集风速传感器(14)信号，并进行模数转换，经无线数传模块(11)将风速数据传输到智能总控汇聚模块(3)；该微控制器模块(12)具有外扩Flash存储器，可在无线数传模块(11)丢失信号时及时保存数据；所述安装支架(15)用于集成安装上述各个模块。

3.根据权利要求2所述的风场无线传感器网络测量系统，其特征在于，所述风速传感器(14)是叶轮式或热线膜式或机械式或毕托管式或超声波式风速传感器。

4.根据权利要求2所述的风场无线传感器网络测量系统，其特征在于，所述供电模块(13)是太阳能电池或可充电电池。

5.根据权利要求1所述的风场无线传感器网络测量系统，其特征在于，所述运动姿态传感器(23)是全球定位系统定位传感器或陀螺仪或航姿参考系统或惯性测量单元，用于测量风场形成物(4)的运动姿态参数，该运动姿态参数包括位置、速度、高度和倾角；所述工况传感器(24)是工作压力传感器或是转速传感器。

6.根据权利要求1所述的风场无线传感器网络测量系统，其特征在于，所述智能总控汇聚模块(3)包括总控无线数传模块(31)和安装有总控软件系统的计算机(32)，所述计算机(32)与总控无线数传模块(31)之间通过数据接口进行连接。

7.根据权利要求6所述的风场无线传感器网络测量系统，其特征在于，所述总控软件系统由网络通讯协议栈、系统自检模块、数据同步采集模块、数据转换存储模块、数据处理分析模块、风场参数成图输出模块及系统维护模块组成。

8.根据权利要求6所述的风场无线传感器网络测量系统，其特征在于，所述的无线数传模块(11)或机上无线数传模块(21)或总控无线数传模块(31)是载频为433MHz或490MHz或2.4GHz的无线数据收发装置。

9.根据权利要求1～7任一项所述的风场无线传感器网络测量系统，其特征在于，所述的风场形成物(4)是无人驾驶或有人驾驶的飞行器，或是在作业过程中能形成风场的风送式喷雾机、烟雾机、喷杆喷雾机。