CN206557411U - 一种基于Zigbee的自动气象监测装置 - Google Patents

一种基于Zigbee的自动气象监测装置 Download PDF

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刘娜
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Abstract

本实用新型公开了一种基于Zigbee的自动气象监测装置，包括移动车，移动车上设置电池模块、控制器、红外传感器、太阳能电池板、光敏电阻、步进电机、压力传感器、电子罗盘和温湿度传感器，太阳能电池板将光能转换成电能并存储于电池模块内，控制器输入端连接红外传感器、光敏电阻、压力传感器、电子罗盘和温湿度传感器，控制器输出端连接步进电机并与监测终端双向通信。本实用新型提供的基于Zigbee的自动气象监测装置，实现自动避障和远程控制，可实时采集不同位置的路面状况、风向、风速、气压和温湿度并采用无线通讯方式进行通信，智能化水平高，且使太阳光始终垂直照射于太阳能电池板上，最大化利用自然资源供电，节能环保。

Description

一种基于Zigbee的自动气象监测装置
技术领域
本实用新型涉及气象监测技术领域，具体涉及一种基于Zigbee的自动气象监测装置。
背景技术
气象监测装置用于测量所在位置的风速、风向、温度、湿度及气压等多项气象要素，是气象站获取气象信息的重要渠道。
现有的气象监测装置主要分为固定式和移动式两种，固定式气象监测装置体积庞大、不易安装和移动，当采用多个固定式气象监测装置对某一极限地点或对某一特定场所进行实时巡逻检测时，存在监测成本高且检测数据不全面的缺陷。此外，移动式气象监测装置大多采用有线通信方式，布线困难，过程繁琐复杂，电能消耗较大且供电来源有限，未能充分利用自然资源。
实用新型内容
为解决现有技术中气象监测装置存在的采用有线通讯、供电来源有限和不便于移动的问题，本实用新型提供一种基于Zigbee的自动气象监测装置。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
一种基于Zigbee的自动气象监测装置，包括监测终端和移动车，移动车上设置电池模块、竖向立杆和控制器，移动车上还设置红外传感器、能量供给模块、压力传感器、电子罗盘和温湿度传感器，红外传感器包括避障红外传感器和寻线红外传感器，能量供给模块包括太阳能电池板，太阳能电池板上设置用于检测所在位置太阳光方位角和高度角的光敏电阻，太阳能电池板将光能转换成电能并存储于与其相连的电池模块内进行供电，控制器内设有电机驱动模块和Zigbee无线通讯模块，控制器的输入端连接红外传感器、光敏电阻、压力传感器、电子罗盘和温湿度传感器，控制器的输出端通过Zigbee无线通讯模块与监测终端双向通信。
进一步的，所述能量供给模块还包括用于驱动太阳能电池板转动至垂直于太阳光线的步进电机，步进电机与控制器的输出端相连，步进电机上设有驱动板，控制器通过驱动板驱动步进电机正转或反转即时调整太阳能电池板的方位和仰角，使太阳光始终垂直照射于太阳能电池板上。
进一步的，所述步进电机有两个，每个步进电机均为设有ULN2003驱动板的五线四相步进电机。
进一步的，所述避障红外传感器和寻线红外传感器分别设置于移动车的前端和底部并将实时检测的路面状况传送至控制器。
进一步的，所述竖向立杆上安装一与移动车车身平行的风向杆，竖向立杆和风向杆的相连接处设有用于实时监测所处位置风向的电子罗盘，风向杆的一端设有压力传感器，风向杆的另一端设有风向标。
进一步的，所述太阳能电池板面向太阳光的一侧四角分别设置一个光敏电阻。
进一步的，所述控制器采用STC公司的STC89C52单片机，Zigbee无线通讯模块采用TI公司的Zigbee CC2530芯片和免费协议栈ZigBee-2007。
进一步的，所述移动车采用履带式车轮，避障红外传感器的型号为E18-D80NK，寻线红外传感器的型号为RPR220。
进一步的，所述压力传感器的型号为BMP085，电子罗盘的型号为HMC5883L罗盘，温湿度传感器的型号为DHT11。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
本实用新型公开了一种基于Zigbee的自动气象监测装置，包括监测终端和移动车，移动车上设置电池模块、竖向立杆和控制器，移动车上还设置红外传感器、能量供给模块、压力传感器、电子罗盘和温湿度传感器，红外传感器包括避障红外传感器和寻线红外传感器，能量供给模块包括太阳能电池板和步进电机，步进电机上设有驱动板，太阳能电池板上设置用于检测所在位置太阳光方位角和高度角的光敏电阻，控制器内设有电机驱动模块和Zigbee无线通讯模块，控制器的信号输入端连接红外传感器、光敏电阻、压力传感器、电子罗盘和温湿度传感器，控制器的信号输出端通过Zigbee无线通讯模块与监测终端双向通信，控制器通过步进电机调整太阳能电池板的方位和仰角，使太阳光始终垂直照射于太阳能电池板上，太阳能电池板将光能转换成电能并存储于与其相连的电池模块内用于供电。本实用新型提供的基于Zigbee的自动气象监测装置，可智能寻线避障移动，确保移动车的正常行进，实现实时巡逻式监测不同空间位置的风向、风速、气压、温度和湿度等多项气象要素并通过无线通讯方式上传至监测终端进行实时显示和存储，便于工作人员随时查看和远程控制移动车的运动轨迹，智能化水平高，且自动追踪太阳光，最大化利用自然资源供电，节能环保，解决传统气象监测装置无法灵活移动、采用有线通讯和耗能大的缺陷，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是本实用新型的系统流程图；
其中，1-移动车；2-竖向立杆；3-控制器；4-避障红外传感器；5-寻线红外传感器；6-能量供给模块；7-压力传感器；8-电子罗盘；9-温湿度传感器；10-风向标；11-太阳能电池板；12-步进电机；13-光敏电阻；14-风向杆。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型作更进一步的说明。
名词解释：
光强比较法：通过光敏电阻对光强反应呈现出的不同阻值来判断太阳所在位置。
如图1-2所示，一种基于Zigbee的自动气象监测装置，包括用于放置自动气象监测装置的移动车1，移动车1上设有电池模块、竖向立杆2、控制器3、红外传感器、能量供给模块6、压力传感器7、电子罗盘8、温湿度传感器9、风向标10和风向杆14，电池模块与移动车1、控制器3、红外传感器、能量供给模块6、压力传感器7、电子罗盘8和温湿度传感器9相连，红外传感器包括避障红外传感器4和寻线红外传感器5，能量供给模块6包括太阳能电池板11、两个用于驱动太阳能电池板11转动至垂直于太阳光线入射方向的步进电机12，太阳能电池板11分别与两个步进电机12和电池模块相连，每个步进电机12上均设有ULN2003驱动板，太阳能电池板11面向太阳光的一面四角分别设置一个光敏电阻13，位于太阳能电池板11的一侧且相对设置的一组光敏电阻13用于实时检测所在位置太阳的方位角变化信息，位于太阳能电池板11的另一侧且相对设置的另一组光敏电阻13用于实时检测所在位置太阳高度角的变化信息，控制器3内设有Zigbee无线通讯模块和电机驱动模块，避障红外传感器4、寻线红外传感器5、四个光敏电阻13、压力传感器7、电子罗盘8和温湿度传感器9分别与控制器3的信号输入端相连，控制器3的信号输出端分别连接两个步进电机12和监测终端，控制器通过ULN2003驱动板驱动两个步进电机12正转或反转进而驱动太阳能电池板11转动，控制器3通过Zigbee无线通讯模块与监测终端双向通信，监测终端将控制器3传送的数据进行显示和存储并通过控制器3远程控制移动车1的运动。
竖向立杆2上安装一与移动车1车身平行的风向杆14，竖向立杆2与风向杆14的相连接处设有用于实时检测所在位置风向的电子罗盘8，风向杆14的一端设有压力传感器7，用于实时检测所在位置的气压并传送至控制器3计算风速，风向杆14的另一端设有风向标10，避障红外传感器4和寻线红外传感器5分别设置于移动车1的前端和底部，用于在移动过程中实时检测路面状况并传送至控制器3，控制器3通过电机驱动模块控制移动车1躲避障碍物，实现自动寻线避障移动，确保移动车1的正常运行，温湿度传感器9用于实时检测移动车1在行进过程中所处位置的温度和湿度并传送至控制器3，控制器3将接收的路面状况、气压、风速、风向和温湿度等气象数据通过Zigbee无线通讯模块传送至监测终端进行显示和保存，便于工作人员随时查看并实现远程控制。
通过光敏电阻13的光强比较法实现太阳能电池板11对太阳光线的垂直跟踪，四个光敏电阻13将由不同方向实时检测到的太阳光方位角和高度角传送至控制器3，控制器3通过ULN2003驱动板驱动两个步进电机12正转或反转即时调整太阳能电池板11的方位和仰角，使太阳光始终垂直照射在太阳能电池板11上，最大化利用光源吸收光能，太阳能电池板11将光能转换成电能并存储于电池模块内，为移动车1、控制器3、红外传感器、能量供给模块6、压力传感器7、电子罗盘8和温湿度传感器9供电，实现电能的自给自足，大大提高了太阳能的利用效率，降低能源消耗和成本。
移动车1采用两种运行模式，包括：通过避障红外传感器4和寻线红外传感器5进行自动寻线避障移动；或监测终端通过Zigbee无线通讯模块向控制器3发送运动指令，控制器3接收该指令并通过电机驱动模块驱动移动车1按照指令行进，进而通过监测终端远程控制移动车1行进至指定位置进行数据监测，可根据实际监测条件自行选择两种运行模式的任一种或其组合。
移动车1采用履带式车轮，用于提高移动车1的行走能力和越障能力，适用路况范围广，控制器3采用STC公司的STC89C52单片机，Zigbee无线通讯模块采用TI公司的ZigbeeCC2530芯片和免费协议栈ZigBee-2007，电机驱动模块为L298N，避障红外传感器4的型号为E18-D80NK，寻线红外传感器5的型号为RPR220，电子罗盘8的型号为HMC5883L，风向角精度为1度，温湿度传感器9的型号为DHT11，步进电机12为设有ULN2003驱动板的五线四相步进电机，监控终端采用C#语言进行编写程序，可逻辑编程的程序实现的逻辑控制功能包括数字显示和图形显示、数据存储和远程控制移动车1行进，可直观显示气压、风速、风向和温湿度等气象要素的变化趋势和路面状况，技术人员根据监测终端界面显示的数据信息获取移动车1所在位置的各项气象要素信号并远程调控移动车1的行进方向和位置，C#语言是微软公司发布的一种面向对象的高级程序设计语言，兼具C/C++语言的强大功能，C#语言简洁、便捷，提高了程序开发效率且可视化编程。
压力传感器7的型号为BMP085，利用大气中温湿度对所测的气压进行补偿并通过伯努利方程推导计算风速：
测量时，设置于电子罗盘8上的总压孔对准风向，感应空气中风的总压力，空气流动的动压力PD与总压力PZ及红外静压力PJ之间的关系可用流体动力学的伯努利方程表示为：
PD＝Pz-PJ 公式一
风速V与动压力PD之间存在如下关系：
其中：
ρ-空气密度，Kg/m3；
V-风速，m/s；
进而可以推导出风速的计算公式：
即通过空气流动的动压力和空气密度计算出风速值。
空气密度的表达式为：
其中：
P-大气压力，Pa；
RB-干空气的比气体常数，取287.05J.Kg-1.K-1；
T-空气的热力学温度，K；
e-空气中的水汽压力，Pa；
将空气密度的计算公式代入前述公式三即可计算出风速，直接通过气压测得风速，其数据精确性优于传统的机械测量仪。
本实用新型的工作原理：
将自动气象监测装置的各个元件安装于移动车1上，移动车1可在自动寻线避障移动与远程控制移动之间进行选择和切换：通过避障红外传感器4和寻线红外传感器5进行自动寻线避障移动或在监测终端通过Zigbee无线通讯模块远程控制移动车1行进至任一位置，在行进过程中，避障红外传感器4和寻线红外传感器5将实时检测到的路面境况传送至控制器3，控制器3接收路面境况并通过电机驱动模块控制移动车1及时躲避障碍，确保其正常行进，同时路面境况通过Zigbee无线通讯模块上传至监测终端，压力传感器7、电子罗盘8和温湿度传感器9实时采集所处位置的气压、风向、温度和湿度等气象要素信号并传送至控制器3，控制器3对接收的气压数据进行运算获得当前风速，控制器3通过Zigbee无线通讯模块将实时气压、风速、风向、温度和湿度等多项气象要素传送至监测终端进行显示并保存，便于技术人员随时查看和远程控制，四个光敏电阻13从不同方向实时监测所处位置的太阳方位角和高度角等光线变化数据并传送至控制器3，控制器3接收上述光线变化数据并通过驱动板驱动两个步进电机12正转或反转，进而调节当前太阳能电池板11的方位和仰角，使太阳光垂直照射在太阳能电池板11上，太阳能电池板11将光能转换成电能并存储于电池模块内，为移动车1、控制器3、红外传感器、能量供给模块6、压力传感器7、电子罗盘8和温湿度传感器9正常供电。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于Zigbee的自动气象监测装置，包括监测终端和移动车（1），移动车（1）上设置电池模块、竖向立杆（2）和控制器（3），其特征在于，所述移动车（1）上还设置红外传感器、能量供给模块（6）、压力传感器（7）、电子罗盘（8）和温湿度传感器（9），红外传感器包括避障红外传感器（4）和寻线红外传感器（5），能量供给模块（6）包括太阳能电池板（11），太阳能电池板（11）上设置用于检测太阳光方位角和高度角的光敏电阻（13），太阳能电池板（11）将光能转换成电能并存储于与其相连的电池模块内，控制器（3）内设有电机驱动模块和Zigbee无线通讯模块，控制器（3）的输入端连接红外传感器、光敏电阻（13）、压力传感器（7）、电子罗盘（8）和温湿度传感器（9），控制器（3）的输出端与监测终端双向通信。
2.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee的自动气象监测装置，其特征在于，所述能量供给模块（6）还包括用于驱动太阳能电池板（11）转动至垂直于太阳光线的步进电机（12），步进电机（12）与控制器（3）的输出端相连，步进电机（12）上设有驱动板。
3.根据权利要求2所述的一种基于Zigbee的自动气象监测装置，其特征在于，所述步进电机（12）有两个，每个步进电机（12）均为设有ULN2003驱动板的五线四相步进电机。
4.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee的自动气象监测装置，其特征在于，所述避障红外传感器（4）和寻线红外传感器（5）分别设置于移动车（1）的前端和底部并将实时检测的路面状况传送至控制器（3）。
5.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee的自动气象监测装置，其特征在于，所述竖向立杆（2）上安装一与移动车（1）车身平行的风向杆（14）且二者相连接处设有用于实时监测所处位置风向的电子罗盘（8），风向杆（14）的一端设有压力传感器（7），风向杆（14）的另一端设有风向标（10）。
6.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee的自动气象监测装置，其特征在于，所述太阳能电池板（11）面向太阳光的一侧四角分别设置一个光敏电阻（13）。
7.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee的自动气象监测装置，其特征在于，所述控制器（3）采用STC公司的STC89C52单片机，Zigbee无线通讯模块采用TI公司的Zigbee CC2530芯片和免费协议栈ZigBee-2007。
8.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee的自动气象监测装置，其特征在于，所述移动车（1）采用履带式车轮，避障红外传感器（4）的型号为E18-D80NK，寻线红外传感器（5）的型号为RPR220。
9.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee的自动气象监测装置，其特征在于，所述压力传感器（7）的型号为BMP085，电子罗盘（8）的型号为HMC5883L，温湿度传感器（9）的型号为DHT11。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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