CN108230965B - 基于风速、风向和风压的户外广告智能控制系统及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于风速、风向和风压的户外广告智能控制系统，包括以下步骤：判断系统传感器数据类型；采集环境数据；风速风向数据转化为风压算法；风压数据滤波算法；判断环境情况是否为安全情况；危险情况识别算法；安全情况识别算法；输出当前环境状态，并重新执行采集环境数据的步骤进入下一循环。本系统利用智能控制系统解决了高风速、风向和风压作用到户外广告上带来的安全性隐患，从而实现在很多要求安全性高的建筑物上实现安装户外广告系统来进行二次开发利用，提升经济价值；同时整套智能控制系统安装便捷，在原理上规避广告幕墙在大风中受损，以及广告幕墙受损后衍生的安全事故。
Description
技术领域
本发明涉及一种自动控制的户外广告展示系统，特别是涉及一种可以采集环境风速风向或风压，并通过单片机智能判别环境情况、从而控制广告幕布减少与风的受力面积，达到提高安装户外广告的建筑物安全性的展示系统。
背景技术
随着市场经济的高速发展，户外广告牌在街头出现得越来越多，形式也越来越丰富。近年来，户外广告牌被大风刮倒毁物、砸伤人的事件也时有发出，特别是在沿海多风地区，广告牌存在的安全问题令人担忧。目前，户外广告的建设遵守相关建筑标准，在结构上具备一定程度的抗风能力性能，但采用此种方式建设的户外广告，抗风能力为静态值，无实时感知环境风速、风向和风压的能力；在风速、风向和风压超限环境中，无有效手段规避风险。一旦环境风速、风向和风压超标，户外广告结构将产生结构性损坏，一方面导致业主的经济损失，另一方面极易造成重大安全社会事故。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种基于风速、风向和风压的户外广告智能控制系统及装置，克服了现有户外广告无法动态感知环境风速、风向和风压而做出应对方案的不足，实时测量风速、风向和风压，在识别到环境进入非安全情况时，控制系统将会控制广告幕墙减少与风的受力面积，从而在原理上规避广告幕墙在大风中受损，以及广告幕墙受损后衍生的安全事故。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下方式来实现：
基于风速、风向和风压的户外广告智能控制系统，具体包括以下步骤：
1)判断系统传感器数据类型：当传感器数据类型是风速风向传感器数据类型时修改传感器类型标志位为风速风向标志位，当传感器数据类型是风压传感器数据类型时修改传感器类型标志位为风压标志位；
2)采集环境数据：判断传感器类型标志位，若传感器类型标志位为风速风向标志位，则采集风速风向环境数据，并执行步骤3)，若传感器类型标志位为风压传感器标志位，则采集风压环境数据，并执行步骤4)；
3)风速风向数据转化为风压算法：根据传感器采集的风速风向、环境空气重度和重力加速度计算出风压；
4)风压数据滤波算法：对风压数据采用算术平均值得到有效稳定的滤波风压数据；
5)判断环境情况是否为安全情况：若环境情况是安全情况，则执行步骤6)，若环境情况不是安全情况，则执行步骤7)；
6)危险情况识别算法；
7)安全情况识别算法；
8)输出当前环境状态，并重新执行步骤2)进入下一循环。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明通过引入智能控制设备和传感设备，利用智能控制系统解决了高风速、风向和风压作用到户外广告上带来的安全性隐患，从而实现在很多要求安全性高的建筑物上实现安装户外广告系统来进行二次开发利用，提升经济价值；同时整套智能控制系统安装便捷，在原理上规避广告幕墙在大风中受损，以及广告幕墙受损后衍生的安全事故，可以适配任意需要加装户外广告的建筑物体。
附图说明
图1为本发明的环境判别流程示意图；
图2为本发明的风速风压转化风压算法流程图；
图3为本发明的风压数据滤波算法流程图；
图4为本发明的危险情况识别算法流程图；
图5为本发明的危险情况识别定时器流程图；
图6为本发明的安全情况识别算法流程图；
图7为本发明的安全情况识别定时器流程图；
图8为本发明的防乒乓切换定时器流程图；
图9为本发明的一种实施例结构示意图；
图10为图9中上卷轴拆分结构示意图；
图11为双步进电机驱动电路图；
图12为位置传感器与原点传感器电路图；
图13为风速风向与风压传感器电路图。
图中各个标记分别为：1、电机，2、铜柱，3、联轴器，4、固定板，41、矩形通孔，42、凹槽，51、紧固件，52、装置固定支架，61、支撑幕布卧式带座轴承，62、收卷幕布卧式带座轴承，71、支撑幕布圆柱形光轴，72、收卷幕布圆柱形光轴。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图1所示，基于风速、风向和风压的户外广告智能控制系统，具体包括以下步骤：
1)判断系统传感器数据类型：当传感器数据类型是风速风向传感器数据类型时修改传感器类型标志位为风速风向标志位，当传感器数据类型是风压传感器数据类型时修改传感器类型标志位为风压标志位；
2)采集环境数据：判断传感器类型标志位，若传感器类型标志位为风速风向标志位，则采集风速风向环境数据，并执行步骤3)，若传感器类型标志位为风压传感器标志位，则采集风压环境数据，并执行步骤4)；
3)风速风向数据转化为风压算法：根据传感器采集的风速风向、环境空气重度和重力加速度计算出风压；
4)风压数据滤波算法：对风压数据采用算术平均值得到有效稳定的滤波风压数据；
5)判断环境情况是否为安全情况：若环境情况是安全情况，则执行步骤6)，若环境情况不是安全情况，则执行步骤7)；
6)危险情况识别算法；
7)安全情况识别算法；
8)输出当前环境状态，并重新执行步骤2)进入下一循环。
如图2所示，步骤3)中具体的风速风向数据转化为风压算法如下：
输入风速风向传感器采集值，计算风向和广告面垂直方向最小夹角及广告面垂直方向风速分量，根据伯努利方程计算风压并输出，
V＝W.cosα (1)
其中，V为垂直广告面的分量风速，m/s；W为采集的环境风速，m/s；α为气流方向和垂直广告平面方向的最小夹角；P为风压，kN/m2；γ为空气重度常量，kN/m3；g为重力加速度，m/s2。
如图3所示，步骤4)中具体的风压数据滤波算法如下：
对输入的风压判断是否采集达到设定次数，若未达到，则缓存采集的风压数据，延时一段时间再采集；若达到设定次数，则将多组缓存数据进行算数平均值滤波计算滤波后风压并输出滤波后风压，
其中，
为算术平均值后的风压，Pi为第i次采集的风压值。
如图4所示，步骤6)的危险情况识别算法具体如下；
输入滤波后的风压值并判断其是否大于警备风压门限值，若小于警备风压门限值则结束危险情况识别算法，并执行步骤8)；若大于警备风压门限值则判断滤波后的风压值是否大于紧急风压门限值，若大于紧急风压门限值，直接识别当前环境情况并标志系统为防乒乓切换状态模式，启动了T1定时器(危险情况识别定时器)的需要关闭T1定时器并清空危险情况计数器。若小于紧急风压门限值，继续判断是否启动了T1定时器，未启动T1定时器的启动T1定时器，将危险情况计数器+1，再执行步骤8)；
如图5所示，T1定时器是独立执行的循环，在T1定时器未超时，检测到危险情况计数器大于危险情况识别次数后，改变环境情况为危险情况并标志系统为防乒乓切换状态模式，清空计数器并关闭T1定时器；如果在T1定时器超时情况下，危险情况计数器依然没有大于危险情况识别次数，清空危险情况计数器，不改变当前环境情况并关闭T1定时器。
如图6所示，步骤7)的安全情况识别算法具体如下：
输入滤波后的风压值并判断系统是否处于防乒乓切换状态，分为两种情况处理：
若处于防乒乓切换状态，判断是否启动T3定时器(防乒乓切换定时器)，如果未启动则启动T3定时器后执行步骤8)，如果启动则直接执行步骤8)；
若不处于防乒乓切换状态，判断滤波风压值是否小于警紧急风压门限值，当大于紧急风压门限值时，关闭T2定时器(安全情况识别定时器)并清空安全情况识别计数器，同时将系统标志为放乒乓切换状态，然后执行步骤8)；当小于紧急风压门限值时，启动T2定时器，并继续判断滤波风压是否小于警备风压门限值，若滤波风压大于警备风压门限值，直接执行步骤8)；若滤波风压小于警备风压门限值，将安全情况识别计数器+1，再执行步骤8)。
如图7～8所示，安全情况识别定时器及防乒乓切换定时器为独立的循环，在T2定时器未超时，检测到情况安全情况识别计数器大于安全情况识别次数，改变环境情况为安全情况，并清空安全情况识别计数器并关闭T2定时器；如果T2定时器超时情况下安全情况计数器未大于安全情况识别次数，清空安全情况识别计数器，关闭T2定时器，并进入防乒乓切换状态；在T3定时器未超时不做处理，若T3定时器超时就退出防乒乓切换状态。
如图9～10所示，一种利用基于风速、风向和风压的户外广告智能控制系统的装置，包括建筑物体及固定安装在建筑物体上的上卷轴和下卷轴，且上卷轴和下卷轴结构相同，所述上卷轴包括固定板4、装置固定支架52、支撑幕布卧式带座轴承61、收卷幕布卧式带座轴承62、支撑幕布圆柱形光轴71和收卷幕布圆柱形光轴72，固定板上设置有矩形通孔41和凹槽42，装置固定支架卡在固定板的凹槽内，且固定板和装置固定支架间在矩形通孔处通过螺钉进行固定，所述固定板和装置固定支架均为两个，分别设置在上卷轴的左右两侧，所述支撑幕布卧式带座轴承和收卷幕布卧式带座轴承分别安装设置于固定板上，支撑幕布圆柱形光轴和收卷幕布圆柱形光轴分别位于支撑幕布卧式带座轴承和收卷幕布卧式带座轴承内，且支撑幕布圆柱形光轴与支撑幕布卧式带座轴承的中心孔对齐，收卷幕布圆柱形光轴分别与收卷幕布卧式带座轴承的中心孔对齐在右侧固定板上还设置有供铜柱贯穿的四个固定孔，铜柱2一端连接在电机上，另一端连接在固定板上，电机1通过铜柱固定在右侧固定板上。
为了方便用于将户外广告智能控制系统固定到需要安装的建筑物上面，本专利还设置有紧固件51，所述紧固件上开设有螺孔，并通过螺钉与装置固定支架相连；同时为了保证不同机构间的轴共同旋转而传递扭矩，还设有位于电机输出轴和收卷幕布圆柱形光轴间的联轴器3，用于达到电机带动收卷幕布圆柱形光轴的移动。
智能控制系统还包括控制电路和传感器部分，卷轴上的双步进电机会通过控制信号线连接到电机驱动器，控制设备通过发送信号控制电机的脱机、锁死、顺时针转动和逆时针转动。控制设备上设计有RS485隔离接口，用于采集风速风向传感器或者风压传感器测量的数据，同时控制设备具有3个开关触电信号检测接口用于连接双位置幕布定位和幕布原点定位传感器。
如图11所示，双步进电机隔离驱动电路，步进电机的“方向”、“脱机”控制引脚采用了低速光耦PC817A进行信号隔离，步进电机的旋转控制信号采用高速光耦HCPL-2630进行隔离，单片机就可以通过输出PWM方波信号和2路开关信号对步进电机进行旋转、正方方向，和上电脱机的控制。
如图12所示，位置传感器与原点传感器电路，在实现位置定位时，我们采用了高电平信号输出开关信号的传感器，为了配置电路进行检测开关信号，控制板会通过VCC和GND对传感器供电，当传感器检测到位置信号时会输出高电平信号，平时没有检测到位置信号就会输出低电平，单片机通过GPIO引脚检测到高电平信号，就可以进行相应的算法和动作。
如图13所示，风速风向和风压传感器电路，我们在控制板上设计了RS485接口，并同时使用了RS485转UART转换芯片MAX485，因为单片机上一般只有UART接口所以需要用外部的转换芯片。同时UART信号RX和TX引脚采用高速光耦6N173S进行电信号隔离，RS485因为是半双工信号，所以还有一个方向控制引脚DE也通过低速光耦PC817A进行隔离，最终单片机就可以通过RX、TX和DE对风速风向和风压传感器进行数据采集。
以上所述仅是本发明的实施方式，再次声明，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进，这些改进也列入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.基于风速、风向和风压的户外广告智能控制系统，其特征在于：具体包括以下步骤：
1)判断系统传感器数据类型：当传感器数据类型是风速风向传感器数据类型时修改传感器类型标志位为风速风向标志位，当传感器数据类型是风压传感器数据类型时修改传感器类型标志位为风压标志位；
2)采集环境数据：判断传感器类型标志位，若传感器类型标志位为风速风向标志位，则采集风速风向环境数据，并执行步骤3)，若传感器类型标志位为风压传感器标志位，则采集风压环境数据，并执行步骤4)；
3)风速风向数据转化为风压算法：根据传感器采集的风速风向、环境空气重度和重力加速度计算出风压；
4)风压数据滤波算法：对风压数据采用算术平均值得到有效稳定的滤波风压数据；
5)判断环境情况是否为安全情况：若环境情况是安全情况，则执行步骤6)，若环境情况不是安全情况，则执行步骤7)；
6)危险情况识别算法；
7)安全情况识别算法；
8)输出当前环境状态，并重新执行步骤2)进入下一循环；
所述步骤6)的危险情况识别算法具体如下；
输入滤波后的风压值并判断其是否大于警备风压门限值，若小于警备风压门限值则结束危险情况识别算法，并执行步骤8)；若大于警备风压门限值则判断滤波后的风压值是否大于紧急风压门限值，若大于紧急风压门限值，直接识别当前环境情况并标志系统为防乒乓切换状态模式，启动了T1定时器的需要关闭T1定时器并清空危险情况计数器；若小于紧急风压门限值，继续判断是否启动了T1定时器，未启动T1定时器的启动T1定时器，将危险情况计数器+1，再执行步骤8)；
所述步骤7)的安全情况识别算法具体如下：
输入滤波后的风压值并判断系统是否处于防乒乓切换状态，分为两种情况处理：
若处于防乒乓切换状态，判断是否启动T3定时器，如果未启动则启动T3定时器后执行步骤8)，如果启动则直接执行步骤8)；
若不处于防乒乓切换状态，判断滤波风压值是否小于警紧急风压门限值，当大于紧急风压门限值时，关闭T2定时器并清空安全情况识别计数器，同时将系统标志为放乒乓切换状态，然后执行步骤8)；当小于紧急风压门限值时，启动T2定时器，并继续判断滤波风压是否小于警备风压门限值，若滤波风压大于警备风压门限值，直接执行步骤8)；若滤波风压小于警备风压门限值，将安全情况识别计数器+1，再执行步骤8)。
2.根据权利要求1所述的基于风速、风向和风压的户外广告智能控制系统，其特征在于：
所述步骤3)中具体的风速风向数据转化为风压算法如下：
输入风速风向传感器采集值，计算风向和广告面垂直方向最小夹角及广告面垂直方向风速分量，根据伯努利方程计算风压并输出，
V＝W·cosα (1)
其中，V为垂直广告面的分量风速，m/s；W为采集的环境风速，m/s；α为气流方向和垂直广告平面方向的最小夹角；P为风压，kN/m2；γ为空气重度常量，kN/m3；g为重力加速度，m/s2。
3.根据权利要求1所述的基于风速、风向和风压的户外广告智能控制系统，其特征在于：
所述步骤4)中具体的风压数据滤波算法如下：
对输入的风压判断是否采集达到设定次数，若未达到，则缓存采集的风压数据，延时一段时间再采集；若达到设定次数，则将多组缓存数据进行算数平均值滤波计算滤波后风压并输出滤波后风压，
其中，
为算术平均值后的风压，Pi为第i次采集的风压值。
4.一种采用权利要求1所述的基于风速、风向和风压的户外广告智能控制系统的装置，其特征在于：包括建筑物体及固定安装在建筑物体上的上卷轴和下卷轴，且上卷轴和下卷轴结构相同，所述上卷轴包括固定板、装置固定支架、支撑幕布卧式带座轴承、收卷幕布卧式带座轴承、支撑幕布圆柱形光轴和收卷幕布圆柱形光轴，固定板上设置有矩形通孔和凹槽，装置固定支架卡在固定板的凹槽内，且固定板和装置固定支架间在矩形通孔处通过螺钉进行固定，所述固定板和装置固定支架均为两个，分别设置在上卷轴的左右两侧，所述支撑幕布卧式带座轴承和收卷幕布卧式带座轴承分别安装设置于固定板上，支撑幕布圆柱形光轴和收卷幕布圆柱形光轴分别位于支撑幕布卧式带座轴承和收卷幕布卧式带座轴承内，在右侧固定板上还设置有供铜柱贯穿的四个固定孔，铜柱一端连接在电机上，另一端连接在固定板上，电机通过铜柱固定在右侧固定板上。
5.根据权利要求4所述的一种基于风速、风向和风压的户外广告智能控制装置，其特征在于：还包括紧固件，所述紧固件开设有螺孔，并通过螺钉与装置固定支架相连，用于将户外广告智能控制系统固定到需要安装的建筑物上面。
6.根据权利要求5所述的一种基于风速、风向和风压的户外广告智能控制装置，其特征在于：所述紧固件在位于每个装置固定支架的个数为2个。
7.根据权利要求4所述的一种基于风速、风向和风压的户外广告智能控制装置，其特征在于：还包括联轴器，所述联轴器位于电机输出轴和收卷幕布圆柱形光轴间。
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