一种风速球集成系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种风速球集成系统，包括风速探测球和客户端。所述风速球为双层塑料球，外球壳上分布有压力传感器和温度传感器，有一根带有底座的细杆与球体相连，细杆上安装有湿度传感器；内球壳内部有供电模块，信号放大模块，滤波模块，数据选择模块，控制模块，数据收发模块等。客户端有数据接收模块，数据缓存模块，数据存储模块，数据校正模块，数据分析模块，显示模块和控制模块。该发明直观，方便的展现了当物体放置在流体中时，流体对物体表面的作用力及流体流速的分布和变化的情况，提供了一套测量风速和风向的有效工具。用于教学与实验中时可直观的显示流体与物体相互作用的规律；用于实际的工程测量时可实现对风速与风向的准确测量。
【专利说明】
一种风速球集成系统
技术领域
[0001]本发明属于物联网传感和测试技术领域，具体涉及一种风速球集成系统。
【背景技术】
[0002]风速测量具有重要的意义。通过对风速进行测量可以为预测天气变化提供依据，对工农业生产有深远影响。同时风速也影响到交通行车安全，汽车逆风行驶时需要克服更大的阻力。在建筑领域，风速也影响建筑的高度设计和建筑与建筑间的距离。我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均风速都在每秒3米以上，在这些地区，风力发电很有应用前景。尤其是目前能源紧张，风力发电成为新潮发电方式的情况下，对风速风向的测量和控制尤为重要。
[0003]目前市场上成熟的测试风速和风向的方法有很多种。常见的手持式风轮风速仪需要依靠风吹动风轮来进行风速的测定。热丝法通过感知在不同风速下发热的细丝散热情况的差别来判断风速的大小，细线的散热情况需要考虑环境温度，且其对风向的判断能力比较差。旋转测杯法似于风轮式风速仪，且一般需要结合风向标来判定风向。时差法超声波风速测量法利用超声波在空气中传播固定距离时，顺风逆风传播存在一个时间差，利用时间差经软件计算后获得风速值。但是此方法明显受到温度和湿度的影响，且难以确定风向。以上的几种方法基于空气的流动方向平行于测试的方向这样的假设。常规而言，这一方向就是平行于测量处的海平面方向。实际上，目前所使用的众多测试方法均为二维度的风速测量方法，单一的测试单元可能给出完全不正确的数据，即使使用了多个测量单元，在存在垂直于水平面的风速分量的情况下，因为这些方法都默认了空气流动是平行于水平面的，所以实际上缺少对真实的风向的准确反映。
[0004]现在，有一种测量风速风向的测量球，利用空气在流经球体表面时会对迎面的球表面施加正压强，而背面的球表面会感受到负压强，并且在不同风速下压强不同的原理实现对风速和风向的准确判断。这一系统是对实际情况的系统全面的考量，获得的结果能较好的反映部分的实际情况。所述风速球可以最大程度的排除由于安装部件等带来对测试空气流动状态的干扰，获得准确的测量数据。
[0005]基于所述的使用风速球进行风速和风向的测量的方案，可以实现三维情况下的风速、风向的同步测试。这是一种新型的，可以用于三维情况风速和风向的测量的方案。其克服了普遍使用的风测试系统默认空气流动是平行于水平面，缺少对真实的风向的准确反映的问题。目前，风速球表面至少均匀布置有6个压力传感器，使用简洁的测量几何法来对风速进行测量，其在测量过程中需要选择出压强相同的气压传感器，以球心为圆心，以选择出的气压传感器中的任意一个作为圆上一点画圆，若有至少4个等间隔的气压传感器在该圆上，则可由此来判定风向为垂直于该圆的方向。但是，在实际测量过程中可能需要旋转测量球，反复测量，直至满足有四个压力传感器给出同样的压强，采用这样的测量方式，人工干预程度大，自动化程度较低，且不利于长时间，远距离的风速风向测量。风速球计算风速时所需的空气密度等参数往往需要使用其他辅助设备单独测量，而且其在测量过程中没有考虑到温度和湿度的影响，对于环境的适应能力有限。
[0006]目前，风速球测量系统的数据处理硬件电路仍然需要放置在球体外部，便携性较差，且电路没有自动调控的能力，难以应对复杂的风场环境。风速球测量系统目前没有与之相配套的成熟的上位机软件，不能直观的展现出流体对物体表面的作用力及流体流速的分布和变化的情况，利用到教学和实验中时效果并不理想。
[0007]基于以上考虑。高性能的风速球系统的具体实现依赖于特定的、可以配合工作的软硬件。不同的软件和硬件构建方式可能导致测试效果的偏差。为了降低测试成本以及获得最优的测试结果，有必要对具体的软件和硬件以及两者之间的接口进行细致和系统的研究。本发明针对这一需求进行了研究，提出了一种风速球软硬件系统。
【发明内容】
[0008]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种风速球集成系统，能够直观，方便的展现了当物体放置在流体中时，流体对物体表面的作用力及流体流速的分布和变化的情况，可以用于直观的显示风速和风向；同时也可实际的工程测量当中实现对风速的准确测量。
[0009]本发明的技术方案如下:一种风速球集成系统，包括风速探测球和客户端;所述风速探测球为外表面光滑的双层塑料球，所述双层塑料球分别为外层球壳和内层球壳;所述外层球壳上均匀开设有若干个第一通风孔，每个第一通风孔内均设置有一个压力传感器； 所述压力传感器与其对应的第一通风孔无缝连接，且信号连接至设置于内层球壳内的内部电路；[〇〇1〇]所述外层球壳上均匀开设有若干个第二通风孔，每个第二通风孔内均设置有一个温度传感器;所述温度传感器与其对应的第二通风孔无缝连接，且信号连接至内部电路；
[0011]所述风速探测球通过支撑杆与底座固定连接，所述支撑杆为中空结构，且支撑杆上安装有湿度传感器，所述湿度传感器通过支撑杆内部的导线信号连接至内部电路；
[0012]所述内部电路设置于内层球壳内的PCB板上，内部电路包括供电模块，信号预处理电路，中央处理器单元和无线数据收发模块;所述信号预处理电路包括放大模块、滤波模块和数据选择模块;所述数据选择模块依次选通压力传感器，压力传感器输出的电压经过放大模块以及滤波模块后进入中央处理器单元进行模数转换，转换后的数据由无线数据收发模块发送到客户端；
[0013]所述客户端包括无线数据接收模块，数据缓存模块，数据校准模块，数据存储模块，数据处理模块，图形显示模块和控制模块，无线数据接收模块接收到内部电路发出的信号后，进行缓存、校准、存储并分析处理后在其图形界面上显示出球体表面所受到的压力和球体表面流体流速的变化和分布状况。
[0014]进一步的，所述中央处理器单元采用ARM单片机，滤波模块采用MAX262程控滤波器，无线数据收发模块采用蓝牙模块和wifi模块ESP8266;所述内部电路的具体结构如下: 单片机P1?P7端口通过54HC373控制MAX262程控滤波器，所述MAX262程控滤波器输出端接入单片机的ADC端口，传感器的正端和负端分别经过两个多路模拟开关ADG73 2接入放大电路，信号经放大电路放大后经过由运放构成的缓冲电路接入到滤波器输入端，其中多路模拟开关由单片机P2.0?P2.3端口控制;HC-05蓝牙模块连接到单片机的串口用以发送数据，蓝牙模块能够和Wifi模块ESP8266单独使用或者同时使用，两者的开闭分别通过P3.0和P3.1控制。
[0015]进一步的，所述放大模块的具体电路结构如下:信号分别输入仪用放大器AD602的正负输入端口，5V的标准电压经过电阻分压之后经过放大器AD705之后作为ADC模块的模拟地电压;信号经放大器放大后进入单片机的ADC中。
[0016]进一步的，所述滤波模块采用程控滤波器，所述程控滤波器受控于中央处理器单元，利用中央处理器单元对当前一轮读取的数据进行检测，若噪声超过阈值或者滤除的有用信号超过阈值时，则中央处理器单元控制滤波器自动调节其参数；同时所述滤波模块信号连接至客户端，能够利用客户端选择程控滤波器类型。一般，所述程控滤波器为四阶巴特沃斯低通滤波器。
[0017]进一步的，所述客户端为PC客户端或者手机客户端。
[0018]进一步的，所述中央处理器单元采用ARMCortex M4系列芯片，利用其内部的12位逐次逼近型ADC模块进行数模转换操作，经过模数转换后的数据还需要进行非线性以及温度漂移，噪声水平检测及校准操作；因为单片机轮询读取传感器数据需要一定的时间，所以采取每轮读取传感器时，每个传感器都需要按照次序读取两次的方案，并按规律综合两次读取的数据得到本轮的传感器数值。
[00?9]进一步的，所述中央处理器单元采用单片机，单片机内部嵌入RT-thread单片机片上操作系统，每轮传感器读取完成时，将经过处理之后的数据经DMA的方式通过无线发送模块发送到客户端，在发送数据的过程中能够同时进行下一轮的读取操作。
[0020]进一步的，所述数据处理模块采用数字滤波器，通过观测系统输入输出数据，对系统状态进行最优估计的算法以实现在线性状态空间表示的基础上对有噪声的输入和观测信号进行处理，求取系统状态或真实信号；并能够使用支持向量方法对风速进行短期的预测操作。
[0021]进一步的，客户端程序在进行插值拟合操作时，插值点的选取采用了三角形分割法。
[0022]进一步的，所述外层球壳表面涂有抗污涂层。
[0023]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0024]1、直观，方便的展现了当物体放置在流体中时，流体对物体表面的作用力及流体流速的分布和变化的情况，可以用于直观的显示风速和风向；同时也可实际的工程测量当中实现对风速的准确测量。
[0025]2、采用无线的方式与上位机软件进行通信增强了该装置的灵活性。在有网络的情况下可选择网络接口模块将风速球接入网络，实现远距离，长时间的监控及测量工作。
[0026]3、在获取球体表面压力传感器数值的同时也获取流体的温度和湿度数值，实现了对实验结果的自动修正。客户端在数据处理方面采用数学方法，使用数字滤波处理的方法减小误差，并考虑到了历史记录值对风速风向准确预测的影响，使得测量更接近于真实情况。
[0027]4、提供了简单易懂的图形化操作界面，非专业人员学习代价小，方便掌握。所述客户端同时提供操作控件，使得具备一定专业技能的操作人员能够对相应的测量参数进行适当的修改，使得该系统能适应有较高要求的实验和测量操作场合。
[0028]5、功耗低，采用某一时刻数据单一选通的方式采集传感器的数据，使得在同一时刻只有一个传感器在工作，且所有压力传感器公用放大及滤波电路，较好解决了因为传感器众多带来的功耗及驱动能力问题。
[0029]6、精确。精确性可以体现在以下几个方面:1风速球带有温度和湿度传感模块，可以对风速进行适当的修正操作;2带有程控滤波器，可以依据实际情况自动进行调节，有效地抑制噪声;3,考虑到读取轮询读取传感器需要一定的时间，采用每一轮二次读取并进行参数修正的方法使得数据在一定程度上保持同步;4风速球和软件端对数据进行多次软件校准操作，很大程度上减小了器件非线性带来以及电路噪声的影响;5单片机软件采用嵌入实时操作系统，保证了定时的精确性和程序的稳定性;6客户端考虑历史值和预测值的影响，有效解决了由随机扰动带来的测量不精确的问题。
[0030]7、可以实现多平台的测试，PC端，可移动端都能实现风速的测量操作。很大程度上满足了多情况的实际教学，实验及测量需求。【附图说明】
[0031]图1为风速球集成系统的结构示意图；图中:1为风速探测球外球壳、2为灵敏压力传感器、3为温度传感器、4为风速探测球的支撑杆、5为底座、6为湿度传感器、7为PC客户端、 8为手机客户$而；
[0032]图2为外层球壳上标识为A组及B组的压力传感器、编号为C组的温度传感器和编号为D组的湿度传感器的分布情况。
[0033]图3为风速探测球的结构示意图；图中:1为风速探测球外球壳，表面涂有抗污涂层、2为灵敏压力传感器、3为温度传感器、4为风速探测球的支撑杆、5为底座、6为湿度传感器、9为风速探测球内层球壳、10为电池、11为PCB板、12为信号预处理电路、13为中央处理器单元、14为数据收发模块；
[0034]图4为风速探测球内部电路的电路图；
[0035]图5为图4所不的放大器的电路图；
[0036]图6为风速球内部模块化数据处理的逻辑框图；[〇〇37]图7为上位机软件的模块化数据处理逻辑框图；[〇〇38]图8为上位机软件的工作流程图；[〇〇39]图9球体表面插值时表面三角分割的情况；
[0040]图10为上位机软件的界面设计;其中:A图为主界面的显示图，B，C，D，E为点击相应的按钮时弹出的对话框。[〇〇41]图11演示了当球体置于风场中时可能遇到的几种较为简单的工作情况;A图为从水平方向看到的情况，B，C，D图为俯视图。【具体实施方式】[〇〇42]下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。
[0043]如图1-3所示，一种风速球集成系统，包括风速探测球和客户端。所述风速探测球为外表面光滑的双层塑料球，表面涂有抗污涂层的外球壳1上均匀开设有14个通风孔，每个通风孔内均设置有一个信号连接至风速探测球的内部电路的灵敏的压力传感器2,所述的压力传感器2与其对应的通风孔无缝连接。14个压力传感器分成A组和B组，只提取A组传感器的数值就可以实现基本的测量操作，当需要精确操作的时候需要提取A组和B组所有传感器的数值。同时，外球壳I表面还均匀布置有四个信号连接至风速探测球的内部电路的温度传感器3，安装方法和所述灵敏压力传感器2的安装方法相同。所述风速探测球通过支撑杆4与底座5固定连接，所述支撑杆4为中空结构，支撑杆上安装有湿度传感器6，所述湿度传感器6通过支撑杆内部的导线连接至风速探测球的内部电路。将温度传感器6放置到支撑杆上可以避免太阳直射与积水的影响;将其放置在杆子上能尽量减小其对风场的影响。
[0044]如图3、6所示，所述风速探测球的内部电路设置于风速探测球内层球壳内的PCB板11上，内部电路包括供电模块10，信号预处理电路12，中央处理器单元13和无线数据收发模块14;所述信号预处理电路12包括放大模块、滤波模块和数据选择模块。所述数据选择模块依次选通压力传感器，压力传感器输出的电压经过放大模块以及滤波模块后进入中央处理器单元进行模数转换，转换后的数据由无线数据收发模块发送到客户端。
[0045]如图7所示，所述客户端包括无线数据接收模块，数据缓存模块，数据校准模块，数据存储模块，数据处理模块，图形显示模块和控制模块，无线数据接收模块接收到内部电路发出的信号后，进行缓存、校准、存储并分析处理后在其图形界面上直观的显示出球体表面所受到的压力和球体表面流体流速的变化和分布状况。
[0046]将风速探测球放置在流体环境中，使用上位机软件打开测量功能后，上位机软件发出信号唤醒单片机，进一步地单片机能够控制各模块的协调工作。若选择的是精简模式，如图2所示，球体内部的单片机控制不用读取B组传感器的数据，若选择的是完全模式，则球体内部的单片机读取所有压力传感器的数据。每个压力传感器都经过稳压电路进行供电，当电压不稳定的时候会向客户端发出信号，中断操作。如图4所示，由于所述的风速探测球表面布置有大量的传感器，为了节约成本和提高电路的稳定性，利用多路选择模拟开关ADG732实现每次选通一个传感器进行读取，被选通的传感器传输的信号是微弱的模拟信号，需要使用低噪声的放大电路对信号进行放大。具体的风速探测球的内部电路结构如下:单片机Pl?P7端口通过54HC373(八D型锁存器)控制MAX262程控滤波器，所述滤波器输出端接入单片机的ADC端口，传感器的正端和负端分别经过两个多路模拟开关ADG732接入放大电路，信号经放大后经过由运放构成的缓冲电路接入到滤波器输入端，其中多路模拟开关由单片机P2.0?P2.3端口控制;HC-05蓝牙模块连接到单片机的串口用以发送数据，蓝牙模块可以和wifi模块ESP8266单独使用或者同时使用，两者的开闭分别通过P3.0和P3.1控制。
[0047]如图5所示为图4所示的放大器的电路图；图中:电桥代表了传感器，信号分别输入仪用放大器AD602的正负输入端口，5V的标准电压经过电阻分压之后经过放大器AD705之后作为ADC模块的模拟地电压;信号经放大器放大后进入单片机的ADC中。本发明中为了提高数据放大的准确性，放大电路使用了仪用放大器AD602，这使得该电路具有高输入阻抗，高抗噪能力的特点。进一步地，经过放大的信号还需要经过由程控滤波MAX262为核心的电路处理后才能送到中央处理器单元(单片机)。中央处理器单元能对当前一轮读取的数据进行检测，若噪声过大或者滤除的有用信号过多时，则中央处理器单元能控制滤波器自动调节其参数，以达到要求。同时滤波器的参数还可以接受客户端软件的控制，在客户端可以选择程控滤波器类型，实现不同工作场合的需求，一般情况下，软件默认滤波器为四阶巴特沃斯低通滤波器。
[0048]中央处理器单元采用ARM Cortex M4系列芯片，具有超强的DSP能力和相对低廉的价格，利用其内部的12位逐次逼近型ADC模块进行数模转换操作，经过模数转换后的数据还需要进行非线性以及温度漂移，噪声水平检测及校准操作。因为单片机轮询读取传感器数据需要一定的时间，所以采取每轮读取传感器时，每个传感器都需要按照次序读取两次的方案，并按规律综合两次读取的数据得到本轮的传感器数值。如在精简模式下每轮开始按照A1到A6的方式读取，然后再按照A6到A1的方式读取，并且使用不同的权值平衡两次测量值。当压力传感器读取完成之后读取温度传感器和湿度传感器的数值。为了保证数据操作精确进行，单片机内部嵌入RT-thread单片机片上操作系统，从而大大提高了程序的稳定性。每轮传感器读取完成时，将经过处理之后的数据经DMA的方式通过无线发送模块发送到客户端，在发送数据的过程中可以进行下一轮的进行读取操作。若无线收发模块使用的是蓝牙，则可用于较近距离的测量;在有网络的情况下，可使用ESP8266模块，将风速球接入网络，实现远程测量。
[0049]如图7所示，软件接收到发送来的数据之后先对数据进行缓冲操作，在自动校准模块中对数据进行编码校正，若数据正确则保存数据，否则丢弃本轮的数据。进一步地，在数据分析模块中结合前几次测量的历史值对数据进行综合处理分析，所述数据处理模块包括卡尔曼数字滤波，流速的计算，压力值和流速的支持向量机预测，插值拟合等。随后在图形界面上直观的显示流体对于物体表面的压力的分布和变化情况和物体表面流体流速的分布状况。根据不同的使用环境，具备一定专业知识的操作人员可以在窗口控件中对参数进行相应的调整，可使得显示和测量的效果更加理想。所述这些参数包括表面的光滑系数，当地大气压强，风速球内部滤波器的类型等。
[0050]如图8所示，在所述的数据处理模块中注重结合当前数据与历史数据的关系，这样的设计考虑到了真实客观世界中事物发展的连续性，可以在一定程度上消除由于传感器噪声和环境不可测因素产生的随机影响。具体而言，采用数字滤波器，通过观测系统输入输出数据，对系统状态进行最优估计的算法以实现在线性状态空间表示的基础上对有噪声的输入和观测信号进行处理，求取系统状态或真实信号。使用支持向量等方法可以对风速进行短期的预测操作。风速的短期预测是一种在风力发电中采用的技术，将此方法应用到风速测量当中可以更好的消除噪声干扰。当然，用户在实际操作中可以选择关闭风速的短期预测操作。
[0051]如图9中所示，程序在进行插值拟合操作时并不采用常规的经炜度分割法，因为这样分割出来的球面并不均匀，而且存在某些地方插值点过于密集，而有的地方过于稀疏的问题。插值点的选取采用了三角形分割法，使得球面插值点分布较为均匀。插值方式默认为最临近插值，用户可选择双线性插值和三阶样条插值。由于插值点要求至少在500个以上， 所以在软件界面端显示效果上差异不是很明显，但是当保存的数据量和风向判别的精度会有差异。插值点数默认为1000点，最高为5000点。[〇〇52]如图10所示，是软件的操作界面设计。其中A图为主界面，所述界面显示出球体表面的压力分布状况以及流速分布状况，流速区域中的箭头指示了风的大致流向。点击球体中的任何一点，可以显示出该点的压力值及流速的大小和方向。球体中的黑线代表和底座相平行的直径，用户可以拖动球体可以旋转，方便观察。界面左边有一系列的按钮和显示当前所用测量时间的区域。点击按钮会弹出可以进行参数修改的对话框，部分对话框如图B，C，D，E所示，对话框中的黑点代表单选，方框代表复选。用户通过修改对话框中的参数以使得系统更好地适应不同的测量环境。
[0053]如图11所示，在精简模式下，A为从水平方向观测到的图像，B，C，D均为俯视图。在A图中，此时风从平行于水平面的方向以较小的流速吹向球体，此时Al受到的压力最大，A2出现负压。若此时从俯视方向观察球体的情况如B图所示，风正对球吹来，则A3，A4，A5，A6所受的压力值应当时相同的；若此时从俯视方向观察球体的情况如C图所示，风正对球吹来，则A3，A4所受压力值相同，A5和A6所受的压力值相同，且A4所受的压力小于A5所受的压力。若风速较大时，如图D所示，将在球体后方形成湍流，此时用完全测量模式将会得到更好的效果O
[0054]本发明具有如下的优势:
[0055]优势I，采用无线通信的方式与上位机软件进行连接，使得该装置具有相当大的的灵活性。在有网络的情况下可选择网络接口模块将风速球接入网络，实现远距离，长时间的监控及测量工作。
[0056]优势2，功耗低，采用某一时刻数据单一选通的方式采集传感器的数据，使得在同一时刻只有一个传感器在工作，且所有压力传感器共用放大及滤波电路，较好解决了因为传感器众多带来的功耗及驱动能力问题。
[0057]优势3，精确。精确性可以体现在以下几个方面:I风速球带有温度和湿度传感模块，可以对风速进行适当的修正操作;2带有程控滤波器，可以依据实际情况自动进行调节，有效地抑制噪声;3，考虑到读取轮询读取传感器需要一定的时间，采用每一轮二次读取并进行参数修正的方法使得数据在一定程度上保持同步;4风速球和软件端对数据进行多次软件校准操作，很大程度上减小了器件非线性带来以及电路噪声的影响;5单片机软件采用嵌入实时操作系统，保证了定时的精确性和程序的稳定性;6客户端考虑历史值和预测值的影响，有效解决了由随机扰动带来的测量不精确的问题。
[0058]优势4，可以实现多平台的测试，PC端，可移动端都能实现风速的测量操作。很大程度上满足了多情况的实际教学，实验及测量需求。
[0059]优势5，自动化程度高，风速球内部滤波电路可以依据实际信号采集情况在一定程度上可以进行自动调节;客户端软件即开即用，不需要专业的知识就能完成实验和测量操作，操作人员学习代价小。
[0060]优势6，可控程度高。软件端交互界面提供了风速测量球参数及软件端数据处理方式的选项，有关工作人员可以依据实际情况选择合适的参数，以满足实际测量的需求。
[0061]上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种风速球集成系统，其特征在于，包括风速探测球和客户端;所述风速探测球为外表面光滑的双层塑料球，所述双层塑料球分别为外层球壳(I)和内层球壳(9);所述外层球壳(I)上均匀开设有若干个第一通风孔，每个第一通风孔内均设置有一个压力传感器(2);所述压力传感器(2)与其对应的第一通风孔无缝连接，且信号连接至设置于内层球壳内的内部电路； 所述外层球壳(I)上均匀开设有若干个第二通风孔，每个第二通风孔内均设置有一个温度传感器(3);所述温度传感器(3)与其对应的第二通风孔无缝连接，且信号连接至内部电路； 所述风速探测球通过支撑杆(4)与底座(5)固定连接，所述支撑杆(4)为中空结构，且支撑杆上安装有湿度传感器(6)，所述湿度传感器(6)通过支撑杆内部的导线信号连接至内部电路； 所述内部电路设置于内层球壳内的PCB板(11)上，内部电路包括供电模块(10)，信号预处理电路(12)，中央处理器单元(13)和无线数据收发模块(14);所述信号预处理电路(12)包括放大模块、滤波模块和数据选择模块;所述数据选择模块依次选通压力传感器，压力传感器输出的电压经过放大模块以及滤波模块后进入中央处理器单元进行模数转换，转换后的数据由无线数据收发模块发送到客户端； 所述客户端包括无线数据接收模块，数据缓存模块，数据校准模块，数据存储模块，数据处理模块，图形显示模块和控制模块，无线数据接收模块接收到内部电路发出的信号后，进行缓存、校准、存储并分析处理后在其图形界面上显示出球体表面所受到的压力和球体表面流体流速的变化和分布状况。2.根据权利要求1所述的一种风速球集成系统，其特征在于，所述中央处理器单元(13)采用ARM单片机，滤波模块采用MAX262程控滤波器，无线数据收发模块(14)采用蓝牙模块和wifi模块ESP8266 ；所述内部电路的具体结构如下:单片机Pl?P7端口通过54HC373控制MAX262程控滤波器，所述MAX262程控滤波器输出端接入单片机的ADC端口，传感器的正端和负端分别经过两个多路模拟开关ADG732接入放大电路，信号经放大电路放大后经过由运放构成的缓冲电路接入到滤波器输入端，其中多路模拟开关由单片机P2.0?P2.3端口控制；HC-05蓝牙模块连接到单片机的串口用以发送数据，蓝牙模块能够和wif i模块ESP8266单独使用或者同时使用，两者的开闭分别通过P3.0和P3.1控制。3.根据权利要求1或2所述的一种风速球集成系统，其特征在于，所述放大模块的具体电路结构如下:信号分别输入仪用放大器AD602的正负输入端口，5V的标准电压经过电阻分压之后经过放大器AD705之后作为ADC模块的模拟地电压;信号经放大器放大后进入单片机的ADC中ο4.根据权利要求1所述的一种风速球集成系统，其特征在于，所述滤波模块采用程控滤波器，所述程控滤波器受控于中央处理器单元，利用中央处理器单元对当前一轮读取的数据进行检测，若噪声超过阈值或者滤除的有用信号超过阈值时，则中央处理器单元控制滤波器自动调节其参数；同时所述滤波模块信号连接至客户端，能够利用客户端选择程控滤波器类型。5.根据权利要求4所述的一种风速球集成系统，其特征在于，所述客户端为PC客户端或者手机客户端。6.根据权利要求1所述的一种风速球集成系统，其特征在于，所述中央处理器单元采用 ARM Cortex M4系列芯片，利用其内部的12位逐次逼近型ADC模块进行数模转换操作，经过 模数转换后的数据还需要进行非线性以及温度漂移，噪声水平检测及校准操作；因为单片 机轮询读取传感器数据需要一定的时间，所以采取每轮读取传感器时，每个传感器都需要 按照次序读取两次的方案，并按规律综合两次读取的数据得到本轮的传感器数值。7.根据权利要求1所述的一种风速球集成系统，其特征在于，所述中央处理器单元采用 单片机，单片机内部嵌入RT-thread单片机片上操作系统，每轮传感器读取完成时，将经过 处理之后的数据经DMA的方式通过无线发送模块发送到客户端，在发送数据的过程中能够 同时进行下一轮的读取操作。8.根据权利要求1所述的一种风速球集成系统，其特征在于，所述数据处理模块采用数 字滤波器，通过观测系统输入输出数据，对系统状态进行最优估计的算法以实现在线性状 态空间表示的基础上对有噪声的输入和观测信号进行处理，求取系统状态或真实信号;并 能够使用支持向量方法对风速进行短期的预测操作。9.根据权利要求1所述的一种风速球集成系统，其特征在于，客户端程序在进行插值拟 合操作时，插值点的选取采用了三角形分割法。10.根据权利要求1所述的一种风速球集成系统，其特征在于，所述外层球壳(1)表面涂 有抗污涂层。
【文档编号】G01P5/02GK105974152SQ201610299283
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】杨文彬, 万能
【申请人】东南大学