一種風速風向無線采集系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及風速風向無線采集的技術領域，尤其是指一種風速風向無線采集系統及方法。
【背景技術】
[0002]風是空氣的水平運動分量，包括大小和方向，即風速和風向。風速、風向的測量在氣象預報、環境監測、風力發電、建筑工程等領域中有著重要的意義。目前，氣象站測量所在處的風速、風向等數據并匯聚至監控中心，但是數據的傳輸都是采用有線的通信網絡，占地面積大，安裝、布線、調試都很復雜，尤其在一些地廣人稀的偏僻山區和氣候環境惡劣的地區鋪設通信線路需要花費巨大的人力和物力，投資費用和維護成本很高，且容易損壞。此夕卜，氣象站分布稀疏，監測范圍有限。
[0003]無線傳感器網絡集成了嵌入式技術、傳感器技術、無線通信技術和數據融合技術，可以實現數據的采集、處理和傳輸功能，在軍事、環境、醫療、農業等領域有著廣泛的應用前景。無線傳感器網絡利用分布在監測區域的無線傳感器節點測量監測目標的狀態數據，采用ZigBee、藍牙、WiF1、GSM、GPRS等無線通信技術組件通信網絡，測量數據通過無線網絡傳輸至基站并最終匯聚至監控中心。
[0004]基于無線傳感器網絡的風速風向無線測量系統采用無線通信技術進行數據傳輸，無需布線，且節點的硬件成本低、功耗低，可以大面積布置擴大監測范圍，能夠很好的解決傳統氣象站存在的問題，為天氣預報、氣象災害預防、科學研究等服務提供便捷、快速、準確的測量數據。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種風速風向無線采集系統及方法。該系統采用傳感器節點測量監測區域的風速風向數據，利用Z-Stack協議棧組建ZigBee無線通信網絡實現測量數據的無線傳輸，搭建監控中心對監測區域進行遠程實時監測，具有成本低、體積小、安裝維護簡單、通信靈活、監測簡單、攜帶方便的特點。
[0006]為實現上述目的，本發明所提供的技術方案其風速風向無線采集系統，包括無線測量節點、基站和監控中心;所述無線測量節點布置在監測區域實時測量節點所在位置的風速風向信息，并將測量數據發送至基站以及接收監控中心控制指令，每個節點有唯一的ID號地址;所述基站負責傳感器節點和監控中心之間的雙向信息交互;所述監控中心采集無線傳感器網絡的風速風向測量數據，對數據進行分析、存儲、顯示、管理。
[0007]無線測量節點之間、無線測量節點與基站之間的通信采用ZigBee短距離無線通信技術，基站和監控中心之間采用以太網通信。
[0008]所述無線測量節點包括電源模塊、處理器模塊、傳感器模塊和無線通信模塊；
[0009]所述電源模塊采用7.2V/2000mAh鋰鎳電池作為節點的外部供電電源;所述電源模塊采用LM2940電源穩壓芯片提供5V穩定的直流電壓，為傳感器模塊供電；所述電源模塊采用AMSl 117電源穩壓芯片提供3.3V穩定的直流電壓，為處理器模塊和無線通信模塊供電;所述電源模塊采用LM336電源穩壓芯片為處理器的內部AD提供2.5V的參考電壓；
[0010]所述處理器模塊采用型號為STM32F439IGT6的32位ARM處理器，通過內置12位AD采集風速傳感器和風向傳感器的輸出電壓信號，通過UART接口實現和無線通信模塊的信息交互；
[0011]所述傳感器模塊包括風速傳感器、風向傳感器和信號調理電路；風速測量采用YGC-FS-5V-V型風速傳感器，風向測量采用YGC-FX-5V-V型風向傳感器;信號調理電路將風速傳感器和風向傳感器的O?5V輸出電壓轉換為O?2.5V范圍電壓信號，并限制在處理器端口輸入電壓范圍之內；
[0012]所述無線通信模塊采用基于ZigBee雙向無線通信技術的RF2530A模塊，其硬件部分包括CC2530無線通信處理器、功率放大器和天線，輸出功率21.5dBm，通信距離達1.6km;該模塊采用3.3V電壓供電，通過UART接口和處理器實現數據傳輸。
[0013]所述基站包括兩個節點，一個接收節點負責匯聚測量數據信息至監控中心，一個發送節點負責將監控中心指令信息發送至無線測量節點;每個基站節點的硬件組成和無線測量節點硬件相同。
[0014]所述處理器模塊的STM32F439IG芯片程序在Keil4開發環境下編寫，芯片嵌入uCOS-1I實時操作程序實現監控中心控制指令接收、風速風向數據測量、采集數據的發送這些功能;搭建的uCOS-1I包括3個任務，優先級最高的是初始化任務，其次是串口數據接收任務，優先級最低的串口數據發送任務;AD轉換采用的DMA方式，是存儲器到存儲器的直接傳輸，無需處理器的干預，故無需單獨建立一個AD采樣任務。
[0015]所述RF2530A模塊的主控芯片CC2530程序在IAR開發環境下編寫;芯片采用TI公司的Z-Stack協議棧，實現無線網絡的組網、測量數據的無線傳輸、串口數據的讀寫這些功能；首先通過初始化任務定義協調器、傳感器節點以及數據無線發送的方式，然后定義任務事件，如果發生相應任務事件，則調用綁定的事件處理，最后通過定義數據無線收發任務和串口收發任務實現數據的無線發送和接收，以及串口數據的讀寫。
[0016]所述RF2530A模塊組建ZigBee無線通信網絡過程如下:
[0017]與監控中心相連的節點作為協調器首先進行網絡初始化，建立網絡，無線測量節點作為終端搜索到網絡后，向協調器發送入網請求，并等待其請求響應;協調器收到一個入網請求信息后，將根據監控中心的命令作出是否允許加入網絡的判斷，若允許加入，協調器將發送請求響應給終端;終端收到請求響應后，將獲得協調器分配給它的一個ID號地址作為網絡內的唯一身份標識，則該節點成功加入網絡；當節點需要退出網絡時，協調器根據監控中心的命令使該節點退出網絡。
[0018]所述監控中心采用搭建Windows7操作系統的計算機，基于VS2013和SQL2013開發環境編寫的上位機軟件運行在該計算機上;上位機具有采集、存儲傳感器網絡感知區域的風速風向實時數據，并對能夠進行實時數據和歷史數據的顯示、查詢的功能。
[0019]本發明所述的風速風向無線采集方法，包括以下步驟:
[0020]I)利用電源模塊、處理器模塊、傳感器模塊和無線通信模塊組建傳感器節點和基站節點，利用PC機搭建監控中心；
[0021]2)在需要采集風速風向信息的位置安裝無線傳感器節點，給每個節點設置不同的ID號地址并下載相應程序，開啟節點電源進行初始化，然后等待；
[0022]3)在監測中心附近安裝基站，設置唯一的ID號地址并下載相應程序，開啟電源進行初始化，然后等待；
[0023]4)開啟監測中心的上位機軟件，通過操作上位機軟件啟動系統，每個傳感器節點測量所在位置的風速、風向數據，并周期性地將測量數據發送至基站節點，基站通過局域網將數據傳送至監控中心；
[0024]5)監控中心采集、存儲、顯示監測區域的風速風向數據，同時可對歷史數據進行顯示、查詢。
[0025]本發明與現有技術相比，具有如下優點與有益效果:
[0026]1、本發明采用一個傳感器節點測量監測位置的風速風向數據，測量簡單方便，成本低，功耗低，易于安裝維護，攜帶方便。
[0027]2、本發明采用ZigBee短距離無線通信技術進行數據傳輸，使系統既可以節省成本和功耗，又能夠實現安全、可靠的遠程無線通信。
[0028]3、本發明采用Z-Stack協議棧組建分布式無線通信網絡，提高了系統的靈活性、自組織性、容錯性和可靠性。
【附圖說明】
[0029]圖1為風速風向無線采集系統整體結構圖。
[0030]圖2為節點電源接口電路圖。
[0031]圖3為節點5V電源穩壓電路圖。
[0032]圖4為節點3.3V電源穩壓電路圖。
[0033]圖5為節點2.5V電源基準電壓電路圖。
[0034]圖6為ZigBee無線收發模塊圖。
【具體實施方式】
[0035]下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。
[0036]如圖1所示，本實施例所述的風速風向無線采集系統，包括無線測量節點、基站和監控中心。所述無線測量節點布置在監測區域實時測量節點所在位置的風速風向信息，并將測量數據發送至基站以及接收監控中心控制指令，每個節點有唯一的ID號地址;所述基站負責傳感器節點和監控中心之間的雙向信息交互;所述監控中心采集無線傳感器網絡的風速風向測量數據，對數據進行分析、存儲、顯示、管理。無線測量節點之間、無線測量節點與基站之間的通信采用ZigBee短距離無線通信技術，基站和監控中心之間采用以太網通
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[0037]所述無線測量節點包括電源模塊、處理器模塊、傳感器模塊和無線通信模塊。
[0038]所述電源模塊采用7.2V/2000mAh鋰鎳電池作為節點的外部供電電源;所述電源模塊采用LM2940電源穩壓芯片提供5V穩定的直流電壓，為傳感器模塊供電；所述電源模塊采用AMSl 117電源穩壓芯片提供3.3V穩定的直流電壓，為處理器模塊和無線通信模塊供電;所述電源模塊采用LM336電源穩壓芯片為處理器的內部AD提供2.5V精準的參考電壓。
[0039]所述處理器模塊采用STM32F439IGT6高性能32位ARM處理器，通過內置12位高精度高速率AD采集風速傳感器和風向傳感器的輸出電壓信號，通過UART接口實現和無線通信模塊的信息交互。
[0040]所述傳感器模塊包括風速傳感器、風向傳感器和信號調理電路；風速測量采用YGC-FS-5V-V型風速傳感器，風向測量采用YGC-FX-5V-V型風向傳感器;信號調理電路將風速傳感器和風向傳感器的O?5V輸出電壓轉換為O?2.5V范圍電壓信號，并限制在處理器端口輸入電壓范圍之內。
[0041]所述無線通信模塊采用RF25