一种风速球测量系统的制作方法

本发明公开了一种风速球测量系统，属于物联网传感和测试技术领域。

背景技术：

有一种测量风速风向的测量球，利用空气在流经其表面时会对球面上的压力传感器施加不同的压力的原理实现对风速和风向的准确判断。这一系统获得的结果能较好的反映实际情况。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。

但是，在实际测量过程中往往需要旋转测量球，反复测量，人工干预程度大，自动化程度较低，且不利于长时间的风速风向测量，对于环境的适应能力有限。

基于以上考虑。高性能的风速球测量系统要能实现风速的自动测量和长期的风速监测，降低测试成本并获得可靠的测试结果，并与硬件系统配合紧密。本发明针对这一需求的上位机软硬件方面进行了研究，提出了一种风速球测量系统。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种风速球测量系统，能实现风速的自动测量和长期的风速监测，降低测试成本并获得可靠的测试结果，并与硬件系统配合紧密。

本发明的技术方案是：一种风速球测量系统，包括一个转接器和一个装有风速测量软件模块的电脑，转接器与电脑通过USB接口连接；

所述转接器具有信号采集，存储，转发的功能，包括无线传输模块，数据存储介质，起控制作用的单片机，提供时间参考的时钟模块，USB接口；

所述风速测量软件模块包括数据接口模块，计算模块，数据显示模块，图形显示模块，数据读写模块，数据分析模块；

风速球通过无线传输的方式将数据传到转接器，经过转接器处理后数据被传送到风速测量软件模块，风速测量软件模块通过标准I/O流的方式从COM口中读取数据；

读取的数据被在计算模块中，结合风速球上的温度传感器与湿度传感器的数据，插值计算出球体表面的压强分布情况，并依此计算出风速和风向；

数据显示模块能够实时显示风速风向数据，并能显示最近多次测量结果的折线图；

图形显示模块上能直观的显示出物体表面的压力分布状况及风向，通过旋转控件和缩放控件，用户能够方便地对压力分布进行观察；

数据分析模块中能够分析此次测量的风速风向变化状况，或读取存储于文件中的风速风向数据；

数据分析模块中能够对滤波器的层次进行选择，测量人员能够根据实际需求选择滤波器的层次；

所述文件为数据读写模块中自动生成的具有特定存储格式的txt文件。

进一步的，电脑操作界面包括开关及模式选择按钮组，3d绘图按钮组，数据分析按钮组，风速风向分析显示框，3d图显示框，3d图对应的风速风向数据以及测量时间显示框，风速风向的滚动图显示框，测量数据实时显示框；

所述开关及模式选择按钮组包含开始及结束按钮，模式选择单选按钮；

所述3d绘图按钮组包含3d按钮，点击3d按钮，能够实现压力分布3d图的绘制及在3d图显示框中显示，且能够选择使用旋转控件或放大控件，实现球体的旋转和放大；用户能够方便地对压力分布进行细致的观察；

所述数据分析按钮组能够选择数据源来自于目前的测量结果或者是来自于文件，下拉框中能够选择对风的风速，垂直方向风向以及水平方向上风向进行分析，范围输入框能够输入感兴趣的范围，滤波器模式下拉选框选择滤波器层次，点击分析按钮能够刷新视图；且为了防止用户输入越界错误，当范围输入框输入越界时，能够自动检测数据的大小，强制将输入框中的内容改为合适的大小；

所述3d图显示框含有一个显示球体表面压力分布的球体；

所述风速风向的滚动图显示框能够默认显示最近多次的测量结果；

所述测量数据实时显示框能够实时显示风速，风向以及时间，并显示当前的点是此次测量的第几个测量点；

当按下结束按钮时，会将测试数据写入txt文件中，并产生提示框，提示用户数据的存储位置；用户可在存储路径下打开txt文件，为二次开发提供了方便。

进一步的，采用转发器连接电脑，实现多个风速球组网测量；具体步骤如下：

当风速球全部连接到转接器之后，开启转接器；这时转接器第一次给风速球发送数据，告诉风速球其组网中的编号，并使风速球进入工作状态；此后每一轮中，转接器定时发送控制信号告诉风速球数据通道可用，风速球1接收到信息后将数据发送回转接器；间隔一小段时间后转接器再发送控制信号，控制风速球2传输数据；如此循环，直到本轮所有风速球均读取完毕；转接器轮训读取完所有的风速球之后将数据打包发送到风速测量软件模块中，并在数据包头中说明组网状况；转接器提供每轮依照次序读取风速球信息和每轮随机读取风速球信息两种模式。

进一步的，所述转接器能够选择独立于电脑工作，将数据存储在内部的存储介质中，即使在用户退出电脑端的软件之后仍然能继续接受风速球数据，并能够按照用户的要求读取有限时间间隔内的传感器数据。

进一步的，风速球内部含有一个微处理器，用于控制以轮询的方式读取压力传感器的数据。

进一步的，插值计算采用基于极坐标和直角坐标变换的球面展开法，具体的计算步骤为：

(1)平面扩展；球面在直角坐标系下为一个封闭曲面图形，首先将其映射到球坐标系中，将其展开为平面；并将研究的区域变为π×6π的矩形区域，在这样具有周期性重复的图形中，截取中间的π×2π部分作为贴图，变换到球面上能够使得球面平滑；在插值过程中使用梯度值插值的算法，能够避免由于坐标变换引起的极点处的值突变；

(2)贴图计算：将生成的平面压力分布图变换到球坐标系中，将图形贴到球体表面；

(3)计算风速风向：风速求解基于公式：

$C_p=\frac{p-p_0}{\frac{1}{2}{\mathrm{\ρv}}_0^2}$

其中：P为正对风的点受到的压强，P₀为距离风速球无限远处的压强，ρ为空气的密度，v₀为没有风速球时的风速，C_p为压力系数；通过搜寻最大压力的位置反推风向并依据公式计算出风速的大小，因为正对风的点必然有最大的压力值，而且此点C_p的值均为1。

进一步的，所述数据分析模块采用十层小波分解的方法，将风速分解为不同的层次，用户能够通过数据分析按钮组中的下拉菜单选择合适的滤波器层次。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.直观，方便的展现了当物体放置在风场中时，物体表面的压力分布情况，可以用于直观的显示风速和风向；同时也可在实际的工程测量当中实现对风速的准确测量。

2.提供了一种管理风速球连接和数据转发的转接器，使本地同时测量多个风速球的数据成为可能。同时该转接器可以脱离电脑中软件实现数据采集，使得测量更加自由灵活。

3.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。

4.集成实时风场状况的采集与显示和长期风场状况的分析的功能。既可用于短期的测量，又可用于长期的风速风向监测。

5.拥有测量状况可恢复能力。使用文件中记录的任意时刻所对应的的14个压力传感器的数据，风速风向数据，温度及湿度传感器的数据，可以恢复出该时刻，风速球放置处其表面压力分布及变化的情况，为科学研究和实验模拟提供依据。

6.采用基于极坐标和直角坐标变换的球面展开法可以提高风速球系统的鲁棒性。由于在计算风速和风向时不必考虑C_p具体分布状况，所以面对复杂的风场状况时也能够计算出风向分布。在计算中可能会出现有多个点均有最大压力值的状况，但这些点一般相距很近，默认选择得到的第一个点作为最大压强点。

附图说明

图1为系统硬件连接图。21为风速球，22为转接器，23为装有风速测量软件模块的电脑。

图2为风速测量软件模块操作界面。31为开关及模式选择按钮组，包含开始及结束按钮，模式选择单选按钮；32为3d绘图按钮组，点击“3D”按钮来刷新3d视图，可以选择使用旋转控件或放大控件；33为数据分析按钮组可以选择数据源来自于目前的测量结果或者是来自于文件，下拉框中可以选择对风的风速，垂直方向风向以及水平方向上风向进行分析，范围输入框可以输入感兴趣的范围，滤波器模式下拉选框选择滤波器层次。点击“分析”按钮刷新视图；34为风速风向分析显示框，35为3d图显示框，含有一个显示球体表面压力分布的球体；36为3d图对应的风速风向数据以及测量时间；37为风速风向的滚动显示图，默认显示最近10次的测量结果；38为实时显示的风速，风向以及时间，并显示当前的点是此次测量的第几个测量点。

图3为风速测量软件模块总体流程图。

图4为风速球表面压力传感器的分布图。球体表面分布有14个压力传感器，且这些传感器编号位置固定。

图5为多传感器模式下转接器和风速球工作的时序图；

图6(1)为风速球传送到转接器的数据格式的示意图；

图6(2)为多风速球模式下转接器传送到软件的数据包格式；

图7为风速球内部硬件连接示意图；

图8为转接器硬件连接示意图；图8(1)为风速球发送到转接器的数据格式；图8(2)为转接器发送给电脑的数据包；

图9为球面插值计算方法示意图。图9(1)中π×6π的矩形区域，截取中间的π×2π部分得到图9(2)，贴图的结果如图9(3)中所示；

图10(1)为均匀绕流圆示意图；

图10(2)为均匀绕流圆时不同流体条件下的C_p的分布图。

图11为数据分析模块效果图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，为硬件连接图。为了方便可靠地实现连接和风速球21组网，转接器32是必须的。装有风速测量软件模块的电脑33需要支持串口的读写操作。转接器与电脑通过USB接口连接。

如图2所示，为装有风速测量软件模块的电脑的界面图。31为开关及模式选择按钮组，包含开始及结束按钮，模式选择单选按钮；32为3d绘图按钮组，点击“3D”按钮来刷新3d视图，可以选择使用旋转控件或放大控件；33为数据分析按钮组可以选择数据源来自于目前的测量结果或者是来自于文件，下拉框中可以选择对风的风速，theta方向风向以及phi方向上风向进行分析，范围输入框可以输入感兴趣的范围，滤波器模式下拉选框选择滤波器层次。点击“分析”按钮刷新视图；34为风速风向分析显示框，35为3d图显示框，含有一个显示球体表面压力分布的球体；36为3d图对应的风速风向数据以及测量时间；37为风速风向的滚动显示图，默认显示最近10次的测量结果；38为实时显示的风速，风向以及时间，并显示当前的点是此次测量的第几个测量点。

点击相应的按钮会触发相应的回调函数，从而实现相应的功能。在某次使用过程中，若选择的是测试模式，则软件自身会生成风速风向数据，并依此生成传感器表面压力的数据；若选择的是测量模式，则要求通过转接器连接风速球。软件计算模块根据压力传感器的数据计算出风速和风向数据，并在数据滚动显示窗口37实时显示。按下3d按钮32可以实现压力分布3d图的绘制，使用控件可以实现球体的拖动和放大，并在3d图显示框35中显示。数据分析按钮组33可以选择数据源来自于目前的测量结果或者是来自于文件，下拉框中可以选择对风的风速，垂直方向风向以及水平方向上风向进行分析，范围输入框可以输入感兴趣的范围，滤波器模式下拉选框选择滤波器层次，点击“分析”按钮刷新视图。为了防止用户输入越界错误，软件可以自动检测数据的大小，当输入越界时会强制将输入框中的内容改为合适的大小。当按下结束按钮31时，会将测试数据写入txt文件中，并产生提示框，提示用户数据的存储位置。用户可在存储路径下打开txt文件，为二次开发提供了方便。

如图3所示，为软件的主流程图，计算模块和数据显示模块在主循环中，图形显示和数据分析作为按钮的回调函数。这样的程序运行逻辑设计提高了软件的运行速度，也方便用户对某一时刻的压力分布进行细致的观察。具体流程如下：风速球通过无线传输的方式按照一定的规则将数据传到转接器，经过转接器处理后数据被传送到风速测量软件，风速测量软件通过标准I/O流的方式从COM口中读取数据；读取的数据被在计算模块中，结合风速球上的温度传感器与湿度传感器的数据，插值计算出球体表面的压强分布情况，并依此计算出风速和风向；数据显示模块能够实时显示风速风向数据，并能显示最近十次测量结果的折线图；图形显示模块上能直观的显示出物体表面的压力分布状况及风向，通过旋转控件和缩放控件，用户能够方便地对压力分布进行细致的观察；数据分析模块中能够分析此次测量的风速风向变化状况或读取存储于文件中的风速风向数据；数据分析模块中能够对滤波器的层次进行选择，测量人员能够根据实际需求选择滤波器的层次；所述文件为数据读写模块中自动生成的具有特定存储格式的txt文件。

图4为一种风速球表面压力传感器的分布图。数据通过无线传输方式与转发器连接。为了使得用户能够在本地测量时能够迅速的将软件和风速球之间建立连接，使用一种风速球信号采集和管理的转发器实现数据的传递。

风速球利用使用蓝牙和转接器建立联系，蓝牙4.0目前已经支持一个主机连接多个从机，主机分时和从机进行通信。数据从风速球发送到转接器，转接器与单片机之间通过串口连接。在本地接入多个风速球时，仅使用软件同时监测和记录他们几乎是不可能的。此时需要使用转发器连接电脑与多个风速球才能实现组网测量。转接器会根据组网状况为数据包添加是否风速球是否是组网，若组网数据来源于哪个风速球设备等信息。

对于组网情况下数据通信过程如图5所示。具体实现步骤是，当风速球全部连接到转接器之后，开启转接器。这时转接器第一次给风速球发送数据，告诉风速球其组网中的编号，并启动风速球内部时钟工作。此后每一轮中，转接器定时发送控制信号告诉风速球数据通道可用，风速球1接收到信息后将数据发送回转接器；间隔一小段时间后转接器再发送控制信号，控制风速球2传输数据；如此循环，直到本轮所有风速球均读取完毕。转接器轮训读取完所有的风速球之后将数据打包发送到风速测量软件模块中，并在数据包头中说明组网状况。转接器提供每轮依照次序读取风速球信息读取风速球数据和依照随机次序读取的两种方式。

通过转接器的加入，实现了本地多风速球的测量。同时，转接器可以选择独立于电脑工作。将数据存储在内部的存储介质中，即使在用户退出电脑端的软件之后仍然能继续接受风速球数据，并可以按照用户的要求读取有限时间间隔内的传感器数据。

转发器使得风速测量球能够更加灵活的适应多种状况，在不同的操作环境中，软件始终是以读标准I/O的方式从转发器中读取数据。

初次连接时，软件会先尝试打开串口，打开串口成功并确认为串口连接的设备为已经连接风速球的转接器后，电脑将接收从转接器通过串口发出的数据，开始测量；若打开串口失败或者转接器没有连接风速球，则会发出硬件连接错误的提示。现代计算机操作系统中，软件通过标准I/O的方式从硬件串口读取数据，如图8(1)所示，为风速球发送到转接器的数据格式，风速球必须遵循这一格式，否则会造成不可预知的测量结果的失准。每次发送的数据内容为80字节。其中起始位和终止位为2字节，数据为3位小数，每个占4字节。每个传感器之间的数据以‘\n’隔开，读取完所有传感器的数据后完成本轮读取操作。软件只有在读取到起始位之后才会继续读取后面的内容。在有三个传感器时，转接器发送给电脑的数据包如图8(2)所示。其中文件头“A3”代表有三个传感器连接到转接器，B1～B3为传感器的编号，各编号后跟上传感器的数据。E为结束信息，包含数据发送的时间信息。

如图6所示，风速球内部含有一个微处理器，用于控制以轮询的方式读取压力传感器的数据。多路模拟开关ADG 732的结构如图6(1)所示，风速球的传感器输出的模拟差分信号通过两个ADG 732后再经过放大滤波等电路后连接到单片机的ADC上，实现数模转换；单片机通过GPIO口如图6(2)所示控制多路模拟开关的A0～A3端口，实现通道的选通，其余数字接口均接地。

数据转接器的硬件结构如图7所示。其中HC-05蓝牙模块最多支持与8个从机蓝牙模块连接。在单片机控制下完成图5中的逻辑。转接器中包含SD卡，当上位机软件未开启时可以在数据量达到一定程度时将数据写入SD卡中。外置时钟模块DS1302提供时间参考，时间信息会加入到数据包的尾部。各组网中的风速球数据最终通过USB接口传入上位机软件或写入SD卡中保存。

程序在进行插值拟合操作时使用了一种基于极坐标和直角坐标变换的球面展开法，基于此方法能较好的绘制出的球面压力分布的伪彩色图。如图9所示，所述方法的基本思想为：在直角坐标系下曲面空间可以展开成为球坐标系下的平面空间。具体的计算步骤为：

(1)平面扩展。球面在直角坐标系下为一个封闭曲面图形，首先将其映射到球坐标系中，将其展开为平面。若直接在这样的平面上插值并贴图必然会造成球面上出现断面。如图9(1)中所示，为了防止这种状况发生，将研究的区域变为图9(1)中π×6π的矩形区域，在这样具有周期性重复的图形中，截取中间的π×2π部分得到图9(2)作为贴图，变换到球面上可以使得球面平滑。在插值过程中使用了梯度值插值的算法，可以避免由于坐标变换引起的极点处的值突变。

(2)贴图计算。将生成的平面压力分布图变换到球坐标系中，将图形贴到球体表面。在此过程中可能会产生计算点不均匀的情况，即极点处较密集而赤道附近较为稀疏。但是由于在计算展开图的时候已经较为密集，所以即使在较为稀疏的赤道附近任能够满足测量精度需求。贴图的结果如图9(3)中所示。

(3)计算风速风向。风速求解基于公式：

$C_p=\frac{p-p_0}{\frac{1}{2}{\mathrm{\ρv}}_0^2}$

其中：P为正对风的点受到的压强，P₀为距离风速球无限远处的压强，ρ为空气的密度，v₀为没有风速球时的风速；压力系数C_p的计算较为复杂。但在如图10(1)和(2)所示的均匀流情况下，正对风的点必然有最大的压力值，而且此点C_p的值均为1，所以可以通过搜寻最大压力的位置反推风向并依据公式计算出风速的大小。温度和压强主要影响ρ的大小，风速的测量需要考虑到温度和湿度影响。

该方法可以提高风速球系统的鲁棒性。由于在计算风速和风向时不必考虑C_p具体分布状况，所以面对复杂的风场状况时也能够计算出风向分布。在计算中可能会出现有多个点均有最大压力值的状况，但这些点一般相距很近，默认选择得到的第一个点作为最大压强点。

在数据显示模块中滚动显示最近10次风速风向的变化情况。采用一种类似队列的数据处理方法，当有新数据进入时会将最前面的数据将会被推出。

在长期风速检测的场合，会产生大量的数据，这时文件的读写功能就显得较为重要了。所述软件的文件读写模块采用了标准的文件读写方式，将数据存入txt文件中。该txt文件以日期命名，每一行代表一次测量的结果，存储的内容依次为风速，风向，测量时刻，传感器压强，温度湿度信息。有两种情况触发写入文件操作，一种情况是当进行1000次测量的时候将数据自动写入txt文件中，一种情况是用户结束测量的时候将数据写入txt文件中。

在所述软件中实现风速再现需要使用读文件的功能。将风速风向以及传感器信息读入后，可以恢复出任意测量时刻球面表面的压力分布状况。

对于长时间监控的情况，并不关注短时间内复杂的风速风向的变化，而是着眼于长期的变化趋势，这就需要使用一个合适的滤波器进行数据的分析。由于实际情况较为复杂，数据分析模块使用了十层小波分解的方法，将风速分解为不同的层次，用户可以通过GUI数据分析按钮组中的下拉菜单选择合适的滤波器层次。如图11所示为某次测量中得到的风速状况和使用滤波器之后得到的风速变化状况的分析。

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。