CN206892333U - 便携式手持超声波雪深测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于气象监测领域，具体的说是一种便携式手持超声波雪深测量装置。该测量装置包括显示界面、键盘区、可伸缩横臂、超声波传感器、核心控制器、可充电电源、温度传感器、监测端Zigbee无线通信传输单元、壳体、终端计算机或自动气象站和监控端Zigbee无线通信传输单元；本实用新型是一种通过超声波传感器接收从积雪表面反射的第一次回波信号和雪尺零点反射的第二次回波信号，对信号进行处理，增强所需要的有用信号，抑制无用的干扰和噪声，并提取信号所包含的信息来测量积雪深度的便携式手持超声波雪深测量装置，解决了现有技术存在的超声波雪深测量仪的机械结构需要经常维护、难以应用于环境复杂的问题。

Description

便携式手持超声波雪深测量装置

技术领域

本实用新型属于气象监测领域，具体的说是一种便携式手持超声波雪深测量装置。

背景技术

近几年由于全球气候变化，自然灾害频繁发生，特别是2008年，特大暴风雪的袭击造成了我国南北交通命脉的中断。降雪量的大小对工农业生产、交通运输都有着严重的影响，同时给人们的工作和生活带来极大的不便。由此可见，对于积雪深度的实时监测具有十分重要的意义。

目前积雪测量采用的方法主要有两种：人工观测和物理探测。人工观测方法存在时效性差、时空密度不足等诸多弊端，不能全面、连续反映积雪的变化过程，更重要的是难以实时地汇总各地的降雪数据。物理探测方法分为以下几种：光扫描法、双杆法、单杆法、超声波法和激光法，其中最为常用的是超声波法和激光法。由于激光法制作难度大、成本较高，光学系统需要时刻保持干净，否则严重影响测量的精准度。因此超声波法被广泛地应用于积雪的测量，超声波雪深探测仪也成为雪深测量的重要工具。

传统超声波雪深探测装置的工作原理是超声波传感器发射超声波，超声波在空气中传播，发射信号遇到积雪表面之后发生反射，传感器接收回波信号，通过计算超声波从发射到接收的时间差，得到传感器到积雪表面的距离，通过雪深计算公式，得到积雪深度值。利用传统的方法进行积雪深度的测量，测量误差大，精度低。目前国内外现有的超声波雪深测量仪均为固定式测量装置，是通过支架和底座固定于测量区域安装在户外，因此只能测量固定测量区域的积雪深度，由于室外环境相对恶劣，长时间放置会有机械磨损和腐蚀，需要工作人员经常维护，尤其是不能适用于环境复杂领域的雪深测量。

发明内容

本实用新型提供了一种通过超声波传感器接收从积雪表面反射的第一次回波信号和雪尺零点反射的第二次回波信号，对信号进行处理，增强所需要的有用信号，抑制无用的干扰和噪声，并提取信号所包含的信息来测量积雪深度的便携式手持超声波雪深测量装置，解决了现有技术存在的超声波雪深测量仪的机械结构需要经常维护、难以应用于环境复杂的问题。

本实用新型技术方案结合附图说明如下:

一种便携式手持超声波雪深测量装置，该测量装置12包括显示界面1、键盘区2、可伸缩横臂3、超声波传感器4、核心控制器5、可充电电源6、温度传感器7、监测端Zigbee无线通信传输单元8、壳体9、终端计算机或自动气象站10和监控端Zigbee无线通信传输单元11；其中所述的可伸缩横臂3的一端与壳体9的一端相固定；所述的显示界面1固定于可伸缩横臂3末端正上方；所述的键盘区2固定于可伸缩横臂3末端侧面的中心位置；所述的核心控制器5固定于壳体9内部的中心位置；所述的可充电电源6固定于壳体9内部的上方位置；所述的温度传感器7固定在壳体9左侧面的中心处；所述的监测端Zigbee无线通信传输单元8固定在壳体9左侧面；所述的核心控制器5的显示输出端与显示界面1的信号输入端相连；所述的核心控制器5的键盘信号输入端与键盘区2的信号输出端相连；所述的核心控制器5的超声波信号输入端与超声波传感器4的信号输出端相连；所述的核心控制器5的温度信号输入端与温度传感器7的温度信号输出端相连；所述的核心控制器5的无线信号输出端与输入端与监测端Zigbee无线通信传输单元8的无线信号输入或输出端连接；所述的监控端Zigbee无线通信传输单元11的无线信号输出或输入端与终端计算机或自动气象站10的信号输入或输出端连接.

所述的键盘区2包括启动按钮21和关闭按钮22.

所述的核心控制器5包括微处理器51、驱动电路52、两级放大电路53、滤波电路54、滞回比较电路55和电可擦可编程只读存储器56；其中所述的微处理器51的控制信号输出端与驱动电路52的信号输入端连接；所述的驱动电路52的信号输出端与超声波传感器4的信号输入端连接；所述的超声波传感器4的信号输出端与两级放大电路53的信号输入端连接；所述的两级放大电路53的信号输出端与滤波电路54的信号输入端连接；所述的滤波电路54的信号输出端与滞回比较电路55的信号输入端连接；所述的滞回比较电路55的信号输出端与微处理器51的输入时间捕获端连接；所述的电可擦可编程只读存储器56的存储器信号输出或输入端与微处理器51的存储器信号输入或输出端连接。

所述的微处理器51采用ST公司生产的型号为STM32F103C8的内核芯片.

本实用新型的有益效果为：

1、本实用新型通过手持超声波雪深测量装置，测量待测区域的积雪深度，克服现有的超声波雪深测量技术中，由于仪器的不可搬移性导致只能测量固定区域的雪深，以及存在的机械结构维护问题，进而在一定程度上降低了系统的维护成本。

2、本方法通过超声波传感器接收从积雪表面反射的第一次回波信号和雪尺零点反射的第二次回波信号，对信号进行处理，增强所需要的有用信号，抑制无用的干扰和噪声，并提取信号所包含的信息来测量积雪深度，通过Zigbee通信单元无线传送给终端计算机或自动气象站，实现了自动化测量的需求，代替了费时费力的人工测量方法，全面、连续地反映积雪的变化过程，减小雪深测量误差，提高雪深测量的精度。

3、本实用新型通过可伸缩横臂上的显示界面，实时的向操作人员显示当前测量区域的积雪深度，克服了传统的雪深测量仪只能远端在线监测的缺点。

4、本实用新型通过使用通信效率高、工作可靠的Zigbee无线传输无需现场连线即可与终端进行通信，提高系统的可靠性。

5、本实用新型为便携式手持测雪装置，因此除了可以应用于气象监测领域，在工业现场，部队行进等都有广泛的应用，特别适用于环境复杂领域的测量。

附图说明

图1为本实用新型的外观结构示意图；

图2为本实用新型的系统结构框图；

图3为本实用新型的工作原理示意图；

图4为本实用新型的工作流程示意图。

图中：1、显示界面；2、键盘区；21、启动按钮；22、关闭按钮；3、可伸缩横臂；4、超声波传感器；5、核心控制器；51、微处理器；52、驱动电路；53、两级放大电路；54、滤波电路；55、滞回比较电路；56、电可擦可编程只读存储器；6、可充电电源；7、温度传感器；8、监测端Zigbee无线通信传输单元；9、壳体；10、终端计算机或自动气象站；11、监控端Zigbee无线通信传输单元；12、测量装置；13、积雪表面；14、雪尺零点。

具体实施方式

参阅图1，从外观结构上便携式手持超声波雪深测量装置由显示界面1，键盘区2，可伸缩横臂3，超声波传感器4，核心控制器5，可充电电源6，温度传感器7，监测端Zigbee无线通信传输单元8，壳体9，终端计算机或自动气象站10，监控端Zigbee无线通信传输单元11组成。

所述显示界面1，固定于可伸缩横臂3末端正上方，用于实时的显示测量区域的积雪深度值和现场温度值，方便操作者可以随时知晓测量值，其信号输入端与核心控制器5的显示信号输出端连接。

所述键盘区2，固定于可伸缩横臂3末端侧面的中心位置，包括启动按钮21和关闭按钮22，用于开启和关闭该测量装置，其信号输出端与核心控制器5的键盘信号输入端连接；

所述可伸缩横臂3，用于调节横臂的长度，使得工作人员能够测量距离其较远区域的积雪深度，显示界面1和键盘区2位于该横臂3的末端，可伸缩横臂3的前端通过机械部件与仪器的壳体9相连接。

所述超声波传感器4，位于壳体9底面的中心处，该面设有超声波传感器4的安装孔，其孔径的大小与超声波传感器4的直径吻合，其信号输出端与核心控制器5的超声波信号输入端连接。超声波传感器4用于发射和接收超声波，实现雪深测量的功能。超声波传感器4采用的是型号为40A25TR-1收发一体式防水传感器，其驱动频率为40KHz。由于超声波在空气中传播存在衰减，系统的设计需考虑衰减对测量造成的影响。在空气介质中衰减系数与频率的平方成正比，频率越高，衰减系数越大，超声波传播距离越短。因此需要选择合适的频率来尽量减小超声波的衰减，实际应用中，一般会选择30KHz～100KHz的超声波来设计超声波测量系统，经比较发现，选择频率为40KHz的超声波最好，可以有效地避开主要环境噪声的干扰。

所述核心控制器5，通过螺母和螺杆固定于壳体9内部的中心位置，用于实现对显示界面1、键盘区2、超声波传感器4、温度传感器7和监测端Zigbee无线通信传输单元8的控制。

参阅图2，所述的核心控制器5包括微处理器51、驱动电路52、两级放大电路53、滤波电路54、滞回比较电路55和电可擦可编程只读存储器56即EEPROM；

所述的微处理器51选用的是ST公司生产的内核芯片：STM32F103C8，该芯片的最高工作频率为72MHz，具有64K字节的闪存微控制器。其主要用于对显示界面1、键盘区2、温度传感器7、监测端Zigbee无线传输单元8、EEPROM以及信号处理电路的控制，融合了控制器、运算器和存储器三种功能。

驱动电路52的作用是驱动超声波传感器4发射特定频率的超声波信号，具体实现是微处理器51发送控制信号来控制三极管的通断，使电感和电容充放电，从而形成交流电驱动超声波传感器发出超声波。微处理器51的控制信号输出端与驱动电路52的信号输入端相连接，驱动电路52的信号输出端与超声波传感器4的信号输入端相连接；

两级放大电路53的作用是对超声波传感器4的输出信号进行放大，以方便后续的信号处理。超声波传感器4的信号输出端与两级放大电路53的信号输入端相连接；

滤波电路54的作用是对信号进行滤波处理，本实用新型中滤波电路采用的是经典的二阶巴特沃斯低通滤波电路。两级放大电路53的信号输出端与滤波电路54的信号输入端相连接；

滞回比较电路55的作用是提取出一个超声波发射起始信号和两个接收起始信号，并转化为微处理器51可识别的数字脉冲信号。滤波电路54的输出端与滞回比较电路55的输入端相连接；滞回比较电路55的信号输出端与微处理器51的输入时间捕获端相连接，接着微处理器51进行数据的处理，得到超声波发射和接收的时间间隔，结合测量得到的现场温度值，可准确的获得积雪深度值。

EEPROM56是一种带电可擦可编程只读存储器，它的优点是掉电后数据不丢失，其作用是对测量得到的数据进行存储和读取，EEPROM56的存储器信号输出或输入端与微处理器51的存储器信号输入或输出端相连接。

所述可充电电源6，通过螺母和螺杆固定于壳体9内部的偏上方位置，用于为整个测量装置供电。通过设计一系列电压转换电路，为各个模块提供合适的工作电压，以保证整个测量系统的工作。

所述温度传感器7，位于壳体9左侧面的中心处，该面设有温度传感器7的安装孔，其孔径的大小与温度传感器7的直径吻合，其温度信号输出端与核心控制器5的温度信号输入端连接。温度传感器7用于测量现场温度值，以修正超声波在空气中的传播速度，提高雪深测量的准确度。传统温度传感器是采用DS18B20组成的温度测量单元，测量误差大，经过计算发现即使微小的温度测量误差也会给声速修正的准确性产生影响，因此本实用新型中温度传感器7采用具有极佳的可互换性和长期稳定性的铂电阻温度传感器，其温度范围为-200～+650℃，精度为±0.1℃。铂电阻温度传感器是由铂电阻驱动电路、铂电阻、信号放大电路、A/D转换电路组成。对其采用四线制测量方法进行测量，减少导线电阻引起的测量误差，最大限度地降低测量噪声，提高测量精度。

所述监测端Zigbee无线通信传输单元8，位于壳体9左侧面的偏上方位置，温度传感器7的正上方5cm处，该面设有天线单元的安装孔，其孔径的大小与天线单元的直径吻合，其无线信号输入或输出端与核心控制器5的无线信号输出端与输入端连接。监测端Zigbee无线通信传输单元8用于和监控端Zigbee无线通信传输单元10进行无线通信，以实现对积雪深度和现场温度值进行实时远程监测的需求。监测端Zigbee无线通信传输单元8采用此通信方式，可以在无需连线的情况下进行数据的传输，使得户外测量更加便捷，也保证了系统的可靠性和安装维护的简便。

所述终端计算机或自动气象站10，通过界面实时显示积雪深度和现场温度值，其信号的输入或输出端与监控端Zigbee无线通信传输单元11的输出或输入端连接；

所述监控端Zigbee无线通信传输单元11，用于与监测端Zigbee无线通信传输单元8进行无线通信，将接收到的数据传送给终端计算机或自动气象站10，满足实时监控的需求。所述监测端Zigbee无线通信传输单元8和监控端Zigbee无线通信传输单元11均可采用以CC2430为核心芯片的Zigbee无线模块，该无线模块主要包括微控制器模块(MCU)、无线收发模块以及天线单元。无线收发模块和天线单元连接，实现无线信号的阻抗匹配、信号平衡、发送或接收状态的自动切换、无线信号的功率放大等功能，两者均受微处理器模块的控制，微控制器模块的作用是通过无线收发模块和天线单元来监测接收外来Zigbee信号和将待传送的数据打包处理后无线发送。CC2430芯片是由Chipcon公司研发的用于实现嵌入式Zigbee应用的片上系统。由于CC2430射频器件内部集成有无线收发器和微控制器，可将CC2430射频模块(由CC2430芯片和相关外围电路组成)看作无线收发器和微控制器的合并体。因此本实用新型中无线传输单元是由CC2430射频模块和天线单元组成，可实现无线通信的功能。

参阅图3，便携式手持超声波雪深测量装置工作原理是，便携式手持超声波雪深测量装置12中微处理器输出与超声波传感器驱动频率相同的的控制信号，超声波传感器发射超声波。发射信号在空气中传播，遇到积雪表面13后发生第一次反射，接着遇到雪尺零点14后发生第二次反射，超声波传感器接收这两个回波信号。由于信号很微弱，需对其进行一系列处理，其中包括两级放大、滤波和滞回比较电路，再送入到微处理器中，计算出积雪深度值。

参阅图4，一种便携式手持超声波雪深测量方法,该测量方法包括以下步骤：

步骤一、按下键盘区2中的启动按钮21，开始本次测量，核心控制器5控制各模块初始化，初始化完成后于显示界面1上显示；

步骤二、采用温度传感器7读取现场温度值，结合超声波传播速度与温度的关系，修正超声波在空气中的传播速度，尽可能的减小积雪深度的测量误差，提高雪深测量的精准度；

步骤三、超声波传感器4发射超声波，超声波在空气中传播，遇到积雪表面反射回来第一次回波信号，穿过积雪表面从雪尺零点反射回来第二次回波信号，通过核心处理器5的信号处理，得到两次信号的时间间隔，结合步骤二中修正后的超声波传播速度，获取测量区域的雪深h测量结果；

雪深h的计算公式为：

h＝D-H＝v*t₂/2-v*t₁/2＝v(t₂-t₁)/2

式中，D为测量装置到雪尺零点的距离，单位为m；H为测量装置到积雪表面的距离，单位为m；v为超声波在空气中的传播速度，单位为m/s；t₁为从超声波发射到第一次接收回波信号所花费的时间，单位为s；t₂为从超声波发射到第二次接收回波信号所花费的时间，单位为s；雪尺零点13表示的是以地面为基准面。

由于便携式手持超声波雪深测量装置应用于户外测量，环境比较恶劣，超声波在空气中传播，其传播速度对积雪深度的测量产生非常大的影响，而温度是影响传播速度最主要的因素，若不考虑温度对于测量系统的影响，会导致系统产生较大的误差。因此为了提高雪深测量的精准度，必须采取温度补偿的措施来修正超声波传播速度。超声波传播速度与温度的关系是，

V＝331.4(T_a/273.15)

T_a＝273.15+t

式中：T_a是华氏温度，t是摄氏温度。

步骤四、将步骤二中采集的现场温度值和步骤三中获得的积雪深度值通过监测端Zigbee无线通信传输单元8发送，监控端Zigbee无线通信传输单元11接收后传送到终端计算机或自动气象站10，满足实时监测的需求；

步骤五、将步骤四中传送的数据通过显示界面1示出，使得操作者实时知晓该测量区域的积雪厚度，返回步骤二，如此循环得到实时的积雪深度值和现场温度值；

步骤六、按下键盘区2中的关闭按钮22，结束本次测量。

综上所述，本实用新型涉及的一种便携式手持超声波雪深测量装置，该测量装置的优点：

1.便携性

克服现有的超声波雪深测量技术中，由于仪器的不可搬移性导致只能测量固定区域的雪深，以及存在的机械结构维护问题。

2.实时监测

解决了目前气象观测部门采用人工测量而带来的诸多问题，本实用新型使得工作人员能够实时地了解测量区域的降雪量，可广泛用于气象测量等领域的深度在线监测。

3.可视化界面

传统的雪深测量装置只能满足远端在线监测，本实用新型能够满足现场使用者随时知晓积雪深度值的需求。

4.现场温度值的检测

由于自然环境的因素，超声波传播速度受空气温度的影响，通过对现场温度值的测量，来修正传播速度，尽可能减小自然因素的影响，系统测量的精准度得到提高。

5.Zigbee无线传输

Zigbee无线传输通信效率高，工作可靠，使得本实用新型能够无需现场连线即可与终端进行通信，提高系统的可靠性。

6.应用范围广

本实用新型除了可以应用于气象监测领域，在工业现场，部队行进等都有广泛的应用。另外由于本测量装置具有易便携的优点，特别适用于环境复杂的领域的测量。

Claims (4)

1.一种便携式手持超声波雪深测量装置，其特征在于，该测量装置(12)包括显示界面(1)、键盘区(2)、可伸缩横臂(3)、超声波传感器(4)、核心控制器(5)、可充电电源(6)、温度传感器(7)、监测端Zigbee无线通信传输单元(8)、壳体(9)、终端计算机或自动气象站(10)和监控端Zigbee无线通信传输单元(11)；其中所述的可伸缩横臂(3)的一端与壳体(9)的一端相固定；所述的显示界面(1)固定于可伸缩横臂(3)末端正上方；所述的键盘区(2)固定于可伸缩横臂(3)末端侧面的中心位置；所述的核心控制器(5)固定于壳体(9)内部的中心位置；所述的可充电电源(6)固定于壳体(9)内部的上方位置；所述的温度传感器(7)固定在壳体(9)左侧面的中心处；所述的监测端Zigbee无线通信传输单元(8)固定在壳体(9)左侧面；所述的核心控制器(5)的显示输出端与显示界面(1)的信号输入端相连；所述的核心控制器(5)的键盘信号输入端与键盘区(2)的信号输出端相连；所述的核心控制器(5)的超声波信号输入端与超声波传感器(4)的信号输出端相连；所述的核心控制器(5)的温度信号输入端与温度传感器(7)的温度信号输出端相连；所述的核心控制器(5)的无线信号输出端与输入端与监测端Zigbee无线通信传输单元(8)的无线信号输入或输出端连接；所述的监控端Zigbee无线通信传输单元(11)的无线信号输出或输入端与终端计算机或自动气象站(10)的信号输入或输出端连接。

2.根据权利要求1所述的一种便携式手持超声波雪深测量装置，其特征在于，所述的键盘区(2)包括启动按钮(21)和关闭按钮(22)。

3.根据权利要求1所述的一种便携式手持超声波雪深测量装置，其特征在于，所述的核心控制器(5)包括微处理器(51)、驱动电路(52)、两级放大电路(53)、滤波电路(54)、滞回比较电路(55)和电可擦可编程只读存储器(56)；其中所述的微处理器(51)的控制信号输出端与驱动电路(52)的信号输入端连接；所述的驱动电路(52)的信号输出端与超声波传感器(4)的信号输入端连接；所述的超声波传感器(4)的信号输出端与两级放大电路(53)的信号输入端连接；所述的两级放大电路(53)的信号输出端与滤波电路(54)的信号输入端连接；所述的滤波电路(54)的信号输出端与滞回比较电路(55)的信号输入端连接；所述的滞回比较电路(55)的信号输出端与微处理器(51)的输入时间捕获端连接；所述的电可擦可编程只读存储器(56)的存储器信号输出或输入端与微处理器(51)的存储器信号输入或输出端连接。

4.根据权利要求3所述的一种便携式手持超声波雪深测量装置，其特征在于，所述的微处理器(51)采用ST公司生产的型号为STM32F103C8的内核芯片。