CN105528883A - 一种风速风向无线采集系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风速风向无线采集系统及方法，该系统包括无线测量节点、基站和监控中心；所述无线测量节点布置在监测区域实时测量节点所在位置的风速风向信息，并将测量数据发送至基站以及接收监控中心控制指令，每个节点有唯一的ID号地址；所述基站负责传感器节点和监控中心之间的双向信息交互；所述监控中心采集无线传感器网络的风速风向测量数据，对数据进行分析、存储、显示、管理。本发明系统具有体积小、安装维护简单、扩展容易、通信灵活、测量简单、携带方便的特点，能够为天气预报、气象灾害预防、科学研究等服务提供便捷、快速、准确的测量数据。
Description
技术领域
本发明涉及风速风向无线采集的技术领域，尤其是指一种风速风向无线采集系统及方法。
背景技术
风是空气的水平运动分量，包括大小和方向，即风速和风向。风速、风向的测量在气象预报、环境监测、风力发电、建筑工程等领域中有着重要的意义。目前，气象站测量所在处的风速、风向等数据并汇聚至监控中心，但是数据的传输都是采用有线的通信网络，占地面积大，安装、布线、调试都很复杂，尤其在一些地广人稀的偏僻山区和气候环境恶劣的地区铺设通信线路需要花费巨大的人力和物力，投资费用和维护成本很高，且容易损坏。此外，气象站分布稀疏，监测范围有限。
无线传感器网络集成了嵌入式技术、传感器技术、无线通信技术和数据融合技术，可以实现数据的采集、处理和传输功能，在军事、环境、医疗、农业等领域有着广泛的应用前景。无线传感器网络利用分布在监测区域的无线传感器节点测量监测目标的状态数据，采用ZigBee、蓝牙、WiFi、GSM、GPRS等无线通信技术组件通信网络，测量数据通过无线网络传输至基站并最终汇聚至监控中心。
基于无线传感器网络的风速风向无线测量系统采用无线通信技术进行数据传输，无需布线，且节点的硬件成本低、功耗低，可以大面积布置扩大监测范围，能够很好的解决传统气象站存在的问题，为天气预报、气象灾害预防、科学研究等服务提供便捷、快速、准确的测量数据。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种风速风向无线采集系统及方法。该系统采用传感器节点测量监测区域的风速风向数据，利用Z-Stack协议栈组建ZigBee无线通信网络实现测量数据的无线传输，搭建监控中心对监测区域进行远程实时监测，具有成本低、体积小、安装维护简单、通信灵活、监测简单、携带方便的特点。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案其风速风向无线采集系统，包括无线测量节点、基站和监控中心；所述无线测量节点布置在监测区域实时测量节点所在位置的风速风向信息，并将测量数据发送至基站以及接收监控中心控制指令，每个节点有唯一的ID号地址；所述基站负责传感器节点和监控中心之间的双向信息交互；所述监控中心采集无线传感器网络的风速风向测量数据，对数据进行分析、存储、显示、管理。
无线测量节点之间、无线测量节点与基站之间的通信采用ZigBee短距离无线通信技术，基站和监控中心之间采用以太网通信。
所述无线测量节点包括电源模块、处理器模块、传感器模块和无线通信模块；
所述电源模块采用7.2V/2000mAh锂镍电池作为节点的外部供电电源；所述电源模块采用LM2940电源稳压芯片提供5V稳定的直流电压，为传感器模块供电；所述电源模块采用AMS1117电源稳压芯片提供3.3V稳定的直流电压，为处理器模块和无线通信模块供电；所述电源模块采用LM336电源稳压芯片为处理器的内部AD提供2.5V的参考电压；
所述处理器模块采用型号为STM32F439IGT6的32位ARM处理器，通过内置12位AD采集风速传感器和风向传感器的输出电压信号，通过UART接口实现和无线通信模块的信息交互；
所述传感器模块包括风速传感器、风向传感器和信号调理电路；风速测量采用YGC-FS-5V-V型风速传感器，风向测量采用YGC-FX-5V-V型风向传感器；信号调理电路将风速传感器和风向传感器的0～5V输出电压转换为0～2.5V范围电压信号，并限制在处理器端口输入电压范围之内；
所述无线通信模块采用基于ZigBee双向无线通信技术的RF2530A模块，其硬件部分包括CC2530无线通信处理器、功率放大器和天线，输出功率21.5dBm，通信距离达1.6km；该模块采用3.3V电压供电，通过UART接口和处理器实现数据传输。
所述基站包括两个节点，一个接收节点负责汇聚测量数据信息至监控中心，一个发送节点负责将监控中心指令信息发送至无线测量节点；每个基站节点的硬件组成和无线测量节点硬件相同。
所述处理器模块的STM32F439IG芯片程序在Keil4开发环境下编写，芯片嵌入uCOS-II实时操作程序实现监控中心控制指令接收、风速风向数据测量、采集数据的发送这些功能；搭建的uCOS-II包括3个任务，优先级最高的是初始化任务，其次是串口数据接收任务，优先级最低的串口数据发送任务；AD转换采用的DMA方式，是存储器到存储器的直接传输，无需处理器的干预，故无需单独建立一个AD采样任务。
所述RF2530A模块的主控芯片CC2530程序在IAR开发环境下编写；芯片采用TI公司的Z-Stack协议栈，实现无线网络的组网、测量数据的无线传输、串口数据的读写这些功能；首先通过初始化任务定义协调器、传感器节点以及数据无线发送的方式，然后定义任务事件，如果发生相应任务事件，则调用绑定的事件处理，最后通过定义数据无线收发任务和串口收发任务实现数据的无线发送和接收，以及串口数据的读写。
所述RF2530A模块组建ZigBee无线通信网络过程如下：
与监控中心相连的节点作为协调器首先进行网络初始化，建立网络，无线测量节点作为终端搜索到网络后，向协调器发送入网请求，并等待其请求响应；协调器收到一个入网请求信息后，将根据监控中心的命令作出是否允许加入网络的判断，若允许加入，协调器将发送请求响应给终端；终端收到请求响应后，将获得协调器分配给它的一个ID号地址作为网络内的唯一身份标识，则该节点成功加入网络；当节点需要退出网络时，协调器根据监控中心的命令使该节点退出网络。
所述监控中心采用搭建Windows7操作系统的计算机，基于VS2013和SQL2013开发环境编写的上位机软件运行在该计算机上；上位机具有采集、存储传感器网络感知区域的风速风向实时数据，并对能够进行实时数据和历史数据的显示、查询的功能。
本发明所述的风速风向无线采集方法，包括以下步骤：
1)利用电源模块、处理器模块、传感器模块和无线通信模块组建传感器节点和基站节点，利用PC机搭建监控中心；
2)在需要采集风速风向信息的位置安装无线传感器节点，给每个节点设置不同的ID号地址并下载相应程序，开启节点电源进行初始化，然后等待；
3)在监测中心附近安装基站，设置唯一的ID号地址并下载相应程序，开启电源进行初始化，然后等待；
4)开启监测中心的上位机软件，通过操作上位机软件启动系统，每个传感器节点测量所在位置的风速、风向数据，并周期性地将测量数据发送至基站节点，基站通过局域网将数据传送至监控中心；
5)监控中心采集、存储、显示监测区域的风速风向数据，同时可对历史数据进行显示、查询。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明采用一个传感器节点测量监测位置的风速风向数据，测量简单方便，成本低，功耗低，易于安装维护，携带方便。
2、本发明采用ZigBee短距离无线通信技术进行数据传输，使系统既可以节省成本和功耗，又能够实现安全、可靠的远程无线通信。
3、本发明采用Z-Stack协议栈组建分布式无线通信网络，提高了系统的灵活性、自组织性、容错性和可靠性。
附图说明
图1为风速风向无线采集系统整体结构图。
图2为节点电源接口电路图。
图3为节点5V电源稳压电路图。
图4为节点3.3V电源稳压电路图。
图5为节点2.5V电源基准电压电路图。
图6为ZigBee无线收发模块图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本实施例所述的风速风向无线采集系统，包括无线测量节点、基站和监控中心。所述无线测量节点布置在监测区域实时测量节点所在位置的风速风向信息，并将测量数据发送至基站以及接收监控中心控制指令，每个节点有唯一的ID号地址；所述基站负责传感器节点和监控中心之间的双向信息交互；所述监控中心采集无线传感器网络的风速风向测量数据，对数据进行分析、存储、显示、管理。无线测量节点之间、无线测量节点与基站之间的通信采用ZigBee短距离无线通信技术，基站和监控中心之间采用以太网通信。
所述无线测量节点包括电源模块、处理器模块、传感器模块和无线通信模块。
所述电源模块采用7.2V/2000mAh锂镍电池作为节点的外部供电电源；所述电源模块采用LM2940电源稳压芯片提供5V稳定的直流电压，为传感器模块供电；所述电源模块采用AMS1117电源稳压芯片提供3.3V稳定的直流电压，为处理器模块和无线通信模块供电；所述电源模块采用LM336电源稳压芯片为处理器的内部AD提供2.5V精准的参考电压。
所述处理器模块采用STM32F439IGT6高性能32位ARM处理器，通过内置12位高精度高速率AD采集风速传感器和风向传感器的输出电压信号，通过UART接口实现和无线通信模块的信息交互。
所述传感器模块包括风速传感器、风向传感器和信号调理电路；风速测量采用YGC-FS-5V-V型风速传感器，风向测量采用YGC-FX-5V-V型风向传感器；信号调理电路将风速传感器和风向传感器的0～5V输出电压转换为0～2.5V范围电压信号，并限制在处理器端口输入电压范围之内。
所述无线通信模块采用RF2530A模块，该模块基于近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的ZigBee双向无线通信技术，硬件部分包括CC2530无线通信处理器、功率放大器和天线，输出功率21.5dBm，通信距离达1.6km。模块采用3.3V电压供电，通过UART接口和处理器实现数据传输。
所述基站包括两个节点，一个接收节点负责汇聚测量数据信息至监控中心，一个发送节点负责将监控中心指令信息发送至无线测量节点；每个基站节点的硬件组成和无线测量节点硬件相同。
所述处理器模块的STM32F439IG芯片程序在Keil4开发环境下编写，芯片嵌入uCOS-II实时操作程序实现监控中心控制指令接收、风速风向数据测量、采集数据的发送等功能。搭建的uCOS-II包括3个任务，优先级最高的是初始化任务，其次是串口数据接收任务，优先级最低的串口数据发送任务。AD转换采用的DMA方式，是存储器到存储器的直接传输，无需处理器的干预，故无需单独建立一个AD采样任务。
所述RF2530A模块的主控芯片CC2530程序在IAR开发环境下编写，芯片采用TI公司的Z-Stack协议栈，实现无线网络的组网、测量数据的无线传输、串口数据的读写等功能。首先通过初始化任务定义协调器、传感器节点以及数据无线发送的方式。然后定义任务事件，如果发生相应任务事件，则调用绑定的事件处理。最后通过定义数据无线收发任务和串口收发任务实现数据的无线发送和接收，以及串口数据的读写。
所述RF2530A模块组建ZigBee无线通信网络过程如下：
与监控中心相连的节点作为协调器首先进行网络初始化，建立网络，无线测量节点作为终端搜索到网络后，向协调器发送入网请求，并等待其请求响应。协调器收到一个入网请求信息后，将根据监控中心的命令作出是否允许加入网络的判断，若允许加入，协调器将发送请求响应给终端。终端收到请求响应后，将获得协调器分配给它的一个ID号地址作为网络内的唯一身份标识，则该节点成功加入网络。当节点需要退出网络时，协调器根据监控中心的命令使该节点退出网络。
所述监控中心采用搭建Windows7操作系统的高性能计算机，基于VS2013和SQL2013开发环境编写的上位机软件运行在该计算机上。上位机具有以下功能：采集、存储传感器网络感知区域的风速风向实时数据，并对能够进行实时数据和历史数据的显示、查询。
下面为本实施例上述风速风向无线采集系统的正常工作步骤，具体如下：
1)利用电源模块、处理器模块、传感器模块和无线通信模块组建传感器节点和基站节点，硬件电路图如图2-6所示，利用高性能PC机搭建监控中心，系统的整体结构如图1所示。
2)在需要采集风速风向信息的位置安装无线传感器节点，给每个节点设置不同的ID号地址并下载相应程序，开启节点电源进行初始化，然后等待。
3)在监测中心附近安装基站，设置唯一的ID号地址并下载相应程序，开启电源进行初始化，然后等待。
4)开启监测中心的上位机软件，通过操作上位机软件启动系统，每个传感器节点测量所在位置的风速、风向数据，并周期性地将测量数据发送至基站节点，基站通过局域网将数据传送至监控中心。
5)监控中心采集、存储、显示监测区域的风速风向数据，同时可对历史数据进行显示、查询。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种风速风向无线采集系统，其特征在于：所述系统包括无线测量节点、基站和监控中心；所述无线测量节点布置在监测区域实时测量节点所在位置的风速风向信息，并将测量数据发送至基站以及接收监控中心控制指令，每个节点有唯一的ID号地址；所述基站负责传感器节点和监控中心之间的双向信息交互；所述监控中心采集无线传感器网络的风速风向测量数据，对数据进行分析、存储、显示、管理。
2.根据权利要求1所述的一种风速风向无线采集系统，其特征在于：无线测量节点之间、无线测量节点与基站之间的通信采用ZigBee短距离无线通信技术，基站和监控中心之间采用以太网通信。
3.根据权利要求1所述的一种风速风向无线采集系统，其特征在于：所述无线测量节点包括电源模块、处理器模块、传感器模块和无线通信模块；
所述电源模块采用7.2V/2000mAh锂镍电池作为节点的外部供电电源；所述电源模块采用LM2940电源稳压芯片提供5V稳定的直流电压，为传感器模块供电；所述电源模块采用AMS1117电源稳压芯片提供3.3V稳定的直流电压，为处理器模块和无线通信模块供电；所述电源模块采用LM336电源稳压芯片为处理器的内部AD提供2.5V的参考电压；
所述处理器模块采用型号为STM32F439IGT6的32位ARM处理器，通过内置12位AD采集风速传感器和风向传感器的输出电压信号，通过UART接口实现和无线通信模块的信息交互；
所述传感器模块包括风速传感器、风向传感器和信号调理电路；风速测量采用YGC-FS-5V-V型风速传感器，风向测量采用YGC-FX-5V-V型风向传感器；信号调理电路将风速传感器和风向传感器的0～5V输出电压转换为0～2.5V范围电压信号，并限制在处理器端口输入电压范围之内；
所述无线通信模块采用基于ZigBee双向无线通信技术的RF2530A模块，其硬件部分包括CC2530无线通信处理器、功率放大器和天线，输出功率21.5dBm，通信距离达1.6km；该模块采用3.3V电压供电，通过UART接口和处理器实现数据传输。
4.根据权利要求1所述的一种风速风向无线采集系统，其特征在于：所述基站包括两个节点，一个接收节点负责汇聚测量数据信息至监控中心，一个发送节点负责将监控中心指令信息发送至无线测量节点；每个基站节点的硬件组成和无线测量节点硬件相同。
5.根据权利要求3所述的一种风速风向无线采集系统，其特征在于：所述处理器模块的STM32F439IG芯片程序在Keil4开发环境下编写，芯片嵌入uCOS-II实时操作程序实现监控中心控制指令接收、风速风向数据测量、采集数据的发送这些功能；搭建的uCOS-II包括3个任务，优先级最高的是初始化任务，其次是串口数据接收任务，优先级最低的串口数据发送任务；AD转换采用的DMA方式，是存储器到存储器的直接传输，无需处理器的干预，故无需单独建立一个AD采样任务。
6.根据权利要求3所述的一种风速风向无线采集系统，其特征在于：所述RF2530A模块的主控芯片CC2530程序在IAR开发环境下编写；芯片采用TI公司的Z-Stack协议栈，实现无线网络的组网、测量数据的无线传输、串口数据的读写这些功能；首先通过初始化任务定义协调器、传感器节点以及数据无线发送的方式，然后定义任务事件，如果发生相应任务事件，则调用绑定的事件处理，最后通过定义数据无线收发任务和串口收发任务实现数据的无线发送和接收，以及串口数据的读写。
7.根据权利要求3所述的一种风速风向无线采集系统，其特征在于，所述RF2530A模块组建ZigBee无线通信网络过程如下：
与监控中心相连的节点作为协调器首先进行网络初始化，建立网络，无线测量节点作为终端搜索到网络后，向协调器发送入网请求，并等待其请求响应；协调器收到一个入网请求信息后，将根据监控中心的命令作出是否允许加入网络的判断，若允许加入，协调器将发送请求响应给终端；终端收到请求响应后，将获得协调器分配给它的一个ID号地址作为网络内的唯一身份标识，则该节点成功加入网络；当节点需要退出网络时，协调器根据监控中心的命令使该节点退出网络。
8.根据权利要求1所述的一种风速风向无线采集系统，其特征在于：所述监控中心采用搭建Windows7操作系统的计算机，基于VS2013和SQL2013开发环境编写的上位机软件运行在该计算机上；上位机具有采集、存储传感器网络感知区域的风速风向实时数据，并对能够进行实时数据和历史数据的显示、查询的功能。
9.一种风速风向无线采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)利用电源模块、处理器模块、传感器模块和无线通信模块组建传感器节点和基站节点，利用PC机搭建监控中心；
2)在需要采集风速风向信息的位置安装无线传感器节点，给每个节点设置不同的ID号地址并下载相应程序，开启节点电源进行初始化，然后等待；
3)在监测中心附近安装基站，设置唯一的ID号地址并下载相应程序，开启电源进行初始化，然后等待；
4)开启监测中心的上位机软件，通过操作上位机软件启动系统，每个传感器节点测量所在位置的风速、风向数据，并周期性地将测量数据发送至基站节点，基站通过局域网将数据传送至监控中心；
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