一种球形三维多功能风速测量仪的制作方法

本实用新型属于气象检测技术领域，具体涉及一种球形三维多功能风速测量仪。

背景技术：

风向和风速是反应气象形势的非常重要的参数，风向和风速的检测对气象预报、航海航空、风力发电、公路桥梁以及渔农业的生产具有重要影响，因此快速准确测量出风向和风速具有重要的实际意义。

传统的风向风速测量仪大都局限于二维检测，常用的机械式风速风向仪存在如下技术问题：装置体积大，占用空间大；组成部件中多种运动和旋转部件易磨损，高风速下受风部件容易被破坏，使用寿命短；受风部件的惯性较大，无法快速响应风速变化，灵敏度低。此外，热线式风速风向仪、压力式风速风向仪和超声波风速风向仪等还存在体积较大或检测成本过高的不足且功能单一，检测项目少，需多次重复性测量。

技术实现要素：

为解决现有风速测量仪存在的二维检测局限、灵敏度低和功能单一的问题，本实用新型提供一种球形三维多功能风速测量仪。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种球形三维多功能风速测量仪，包括履带平台和上位机，履带平台由上至下依次设置支撑座和承载座，支撑座上设置空心球体、CO₂检测模块、光照传感器、伸缩杆、单片机控制模块、PM2.5检测模块和ZigBee无线模块，承载座上安装超声波模块和红外寻线模块，所述空心球体设置于伸缩杆上并通过伸缩杆进行高度调节，空心球体的形状为圆球形，空心球体内设有三维电子罗盘和缓冲器，空心球体的外侧球面上安装用于三维立体风力测量的传感器阵列，传感器阵列包括延空心球体外侧球面均匀分布的若干个压力传感器，传感器阵列通过缓冲器电连接单片机控制模块，单片机控制模块输入端与三维电子罗盘、CO₂检测模块、光照传感器、PM2.5检测模块、超声波模块和红外寻线模块电相连，单片机控制模块输出端通过 ZigBee无线模块无线连接上位机。

进一步的，所述空心球体的外直径为10cm，内直径为8cm。

进一步的，所述传感器阵列包括延空心球体外侧球面均匀分布的500 个压力传感器，每相邻两个压力传感器相距5mm。

进一步的，所述支撑座上还设置与ZigBee无线模块相连的天线，所述承载座上还设置电源模块和充电接口，所述电源模块与传感器阵列、三维电子罗盘和单片机控制模块相连。

进一步的，所述承载座一端且延履带平台的行进方向设置超声波模块和红外寻线模块。

进一步的，所述履带平台内设有用于调整行进方向和速度的电机模块，电机模块与单片机控制模块电连接，所述电机模块采用高转速33步进电机。

进一步的，所述单片机控制模块内设有模数转换器模块，所述单片机控制模块采用MSP430F149单片机，所述模数转换器模块采用16位 ADS1115转换器，所述ZigBee无线模块采用ZigBee芯片CC2530和免费协议栈ZigBee-2007。

进一步的，所述压力传感器采用BM1383GLV传感器，三维电子罗盘采用TCM5电子罗盘，缓冲器采用IDT 72251缓冲器，CO₂检测模块采用 DS-CO₂-20传感器，光照传感器采用BH1750FVI传感器，PM2.5检测模块采用DSM501A传感器，超声波模块采用HC-SR04传感器，红外寻线模块采用ST188红外传感器。

进一步的，所述履带平台采用履带式车轮进行移动，所述上位机采用 X710触摸屏进行数据显示并采用内置的存储器进行数据存储。

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球形三维多功能风速测量仪，包括履带平台和上位机，履带平台由上至下依次设置支撑座和承载座，支撑座上设置空心球体、CO₂检测模块、光照传感器、伸缩杆、单片机控制模块、PM2.5检测模块和ZigBee无线模块，承载座上安装超声波模块和红外寻线模块，空心球体设置于伸缩杆上并通过伸缩杆进行高度调节，空心球体的形状为圆球形，空心球体内设有三维电子罗盘和缓冲器，空心球体的外侧球面上安装用于三维立体风力测量的传感器阵列，传感器阵列包括延空心球体外侧球面均匀分布的若干个压力传感器，传感器阵列通过缓冲器电连接单片机控制模块，单片机控制模块输入端分别与三维电子罗盘、CO₂检测模块、光照传感器、PM2.5检测模块、超声波模块和红外寻线模块电连接，单片机控制模块输出端通过ZigBee无线模块无线连接上位机。本实用新型提供的球形三维多功能风速测量仪，能够自动校正方位方向，采用小体积的三维球体构架并通过球面上排布的压力传感器阵列测量得出风向和风速值，而不再局限于传统的二维风力风向测量，实现720°三维立体任意空间角度同时进行风力采集，全方位捕捉风的三维姿态，同时兼具监测所在方位的CO₂浓度、光照强度和PM2.5颗粒物浓度数据，便于了解空气质量，实现寻迹行使，一机多用，智能化水平高，具有较高的检测灵敏度和测量精度，且利用ZigBee无线网络进行无线数据传输，减少连线，检测成本低，安装简易，外形美观，具有较高的实用价值和广阔的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型空心球体的立体结构示意图；

图3是本实用新型的硬件总体框图；

其中，1-空心球体；2-压力传感器；3-CO₂检测模块；4-光照传感器； 5-伸缩杆；6-单片机控制模块；7-PM2.5检测模块；8-ZigBee无线模块； 9-天线；10-支撑座；11-电源模块；12-充电接口；13-超声波模块；14-红外寻线模块；15-承载座；16-履带平台。

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。

如图1-3所示，一种球形三维多功能风速测量仪，包括履带平台16和上位机，履带平台16采用履带式车轮进行移动，履带平台16由上至下依次设置支撑座10和承载座15，支撑座10上设置空心球体1、CO₂检测模块 3、光照传感器4、伸缩杆5、单片机控制模块6、PM2.5检测模块7、ZigBee 无线模块8和天线9，天线9与ZigBee无线模块8相连，用于增大ZigBee 无线模块8发射信号的增益，提高信号传播距离，空心球体1活动式设置于伸缩杆5上并通过伸缩杆5进行高度调节，实现不同高度的三维立体任意空间角度的风力检测，承载座15上安装电源模块11、充电接口12、超声波模块13和红外寻线模块14，电源模块11与传感器阵列、三维电子罗盘和单片机控制模块6电相连，CO₂检测模块3、光照传感器4、PM2.5检测模块7、电源模块11、超声波模块13和红外寻线模块14分别与单片机控制模块6输入端电连接，单片机控制模块6输出端通过ZigBee无线模块 8无线连接上位机进行远程数据显示和保存，实现远程监控，降低布线难题，承载座15一端且延履带平台16的行进方向设置超声波模块13和红外寻线模块14，用于在移动过程中实时测距并实时检测路面状况并传送至单片机控制模块6进行处理，通过单片机控制模块6驱动设置于履带平台16内的电机模块进而实时控制履带平台16调整行进方向和速度，履带平台16寻迹行使，及时躲避行进过程中的障碍物。

空心球体1的形状为圆球形，空心球体1的材质为碳纤维，采用重量轻且小体积球体骨架进行风向和风速的检测，能够720°立体还原风的姿态，提高检测灵敏性、准确性和精度，且外形美观，成本低，空心球体1 的外侧球面上安装用于三维立体风力测量的传感器阵列，传感器阵列包括延空心球体1外侧球面均匀分布的若干个压力传感器2，每个压力传感器2 用于实时检测所处方位的风压值，实现三维立体720°任意空间角度同时进行风力采集，空心球体1内设置三维电子罗盘和缓冲器，传感器阵列的每个压力传感器2均通过缓冲器电连接单片机控制模块6，三维电子罗盘与单片机控制模块6输入端电连接，三维电子罗盘用于自动校正测量仪的三维方向角并测量空心球体1的高度并传输至单片机控制模块6，确保当前方位的方向与外界真实情况相一致。

压力传感器2采用BM1383GLV传感器，三维电子罗盘采用TCM5电子罗盘，缓冲器采用基于FIFO高速数据缓冲方式的IDT 72251高速缓冲器， CO2检测模块3采用DS-CO₂-20传感器，用于实时检测所在方位周围空气环境中的CO₂浓度并传输至单片机控制模块6，光照传感器4采用 BH1750FVI传感器，用于实时检测所在方位的太阳光强度并传送至单片机控制模块6，PM2.5检测模块7采用DSM501A传感器，用于实时检测所在方位周围空气中的PM2.5颗粒物浓度并传送至单片机控制模块6，电机模块采用高转速33步进电机，电源模块11为可充电蓄电池组并通过充电接口12接入外部供电系统进行充电和储电，超声波模块13采用HC-SR04传感器，红外寻线模块14采用ST188红外传感器。

为降低成本，缩短开发周期，综合考虑功耗、发射功率、接受灵敏度、芯片成本、协议栈成本和外围组建，单片机控制模块6采用TI公司生产的 MSP430F149单片机，具有低能耗、低成本和高性能的嵌入式应用特点，单片机控制模块6内设有模数转换器模块，模数转换器模块采用16位 ADS1115转换器进行模数转换，ZigBee无线模块8采用TI公司的ZigBee 芯片CC2530和免费协议栈ZigBee-2007，上位机通过ZigBee无线模块8 接收单片机控制模块6无线传送的风压和风速值等风力信号并进行实时显示和保存，上位机采用X710高清触摸屏进行实时数据显示，分辨率高，上位机通过设置于其内的存储器进行实时数据存储，上位机采用独立供电系统，可直接接入外部供电系统。

本实用新型的工作原理：

在空心球体1受到外界风的压力时，传感器阵列上的每个压力传感器2 用于实时采集对应各方位的风压值并传送至缓冲器进行缓冲，单片机控制模块6读取缓冲器内的风压值缓冲数据并通过设置于其内的模数转换模块对其进行分析和处理，将每个压力传感器2所处方位的风压值转换生成对应的风速值数字信号并输出，每个压力传感器2因所处方位不同导致采集到的风压值不同，单片机控制模块6对各方位风压值和风速值的分布情况进行统计和比较，得出风压值大的方向即为当前风向，单片机控制模块6 通过ZigBee无线模块8将风向和各方位的风速值数字信号无线传输至上位机进行显示和保存，单片机控制模块6还接收CO₂检测模块3实时检测到的所在方位周围空气环境中的CO₂浓度、光照传感器4实时检测到的所在方位的太阳光强度以及PM2.5检测模块7实时检测到的所在方位周围空气中的PM2.5颗粒物浓度并对其通过模数转换模块分别进行模数转换生成对应的数字信号，随后通过上位机进行远程数据存储和显示，便于用户随时查看。

实施例1

如图1-3所示，一种球形三维多功能风速测量仪，包括履带平台16和上位机，履带平台16采用履带式车轮行进，履带平台16由上至下依次设置支撑座10和承载座15，支撑座10上设置空心球体1、CO₂检测模块3、光照传感器4、伸缩杆5、单片机控制模块6、PM2.5检测模块7、ZigBee 无线模块8和天线9，天线9与ZigBee无线模块8相连，天线9采用2.4G 弯头全向天线，用于增大ZigBee无线模块8发射信号的增益，提高信号传播距离，空心球体1设置于伸缩杆5上并通过伸缩杆5进行高度调节，实现不同高度的三维立体任意空间角度的风力检测，伸缩杆5可通过市购获得，承载座15上安装电源模块11、充电接口12、超声波模块13和红外寻线模块14，电源模块11与传感器阵列、三维电子罗盘和单片机控制模块6 电相连，CO₂检测模块3、光照传感器4、PM2.5检测模块7、电源模块11、超声波模块13和红外寻线模块14分别与单片机控制模块6输入端电连接，单片机控制模块6输出端通过ZigBee无线模块8无线连接上位机进行远程数据传输，实现远程监控，降低布线难题，承载座15一端且延履带平台16 的行进方向设置超声波模块13和红外寻线模块14，用于在移动过程中实时测距并实时检测路面状况并传送至单片机控制模块6进行处理，通过单片机控制模块6驱动设置于履带平台16内的电机模块进而控制履带平台16 调整行进方向和速度，履带平台16寻迹行使，及时躲避行进过程中的障碍物。

空心球体1的材质为碳纤维，空心球体1的形状为圆球形，空心球体1 的外直径为10cm，内直径为8cm，采用重量轻且小体积的球体骨架进行风向和风速的检测，能够720°立体还原风的姿态，提高检测灵敏性、准确性和精度，且外形美观，成本低，空心球体1的外侧球面上安装用于三维立体风力测量的传感器阵列，传感器阵列包括延空心球体1外侧球面均匀分布的500个压力传感器2，相邻两个压力传感器2相距5mm，每个压力传感器2用于实时检测所处方位的风压值，进而形成500个测量方向并产生对应的500个风压值，实现三维立体720°任意空间角度同时进行风力采集，空心球体1内设置三维电子罗盘和缓冲器，传感器阵列的每个压力传感器2均通过缓冲器电连接单片机控制模块6，三维电子罗盘与单片机控制模块6输入端电连接，三维电子罗盘用于自动校正测量仪的三维方向角并测量空心球体1与水平面的间距并传输至单片机控制模块6，确保当前方位的方向与外界真实情况相一致。

压力传感器2采用BM1383GLV传感器，三维电子罗盘采用TCM5电子罗盘，缓冲器采用基于FIFO高速数据缓冲方式的IDT 72251高速缓冲器， CO₂检测模块3采用DS-CO₂-20传感器，用于实时检测所在方位周围空气环境的CO₂浓度，光照传感器4采用BH1750FVI传感器，用于实时检测所在方位的太阳光强度，PM2.5检测模块7采用DSM501A传感器，用于实时检测所在方位周围空气中的PM2.5颗粒物浓度，电机模块采用高转速33电机，电源模块11为可充电蓄电池组并通过充电接口12接入外部供电系统进行充电和储电，超声波模块13采用HC-SR04传感器，红外寻线模块14 采用ST188红外传感器。

为降低成本，缩短开发周期，综合考虑功耗、发射功率、接受灵敏度、芯片成本、协议栈成本和外围组建，单片机控制模块6采用TI公司生产的 MSP430F149单片机，具有低能耗、低成本和高性能的嵌入式应用特点，单片机控制模块6内设有模数转换器模块，模数转换器模块采用16位ADS1115转换器进行模数转换处理，ZigBee无线模块8采用TI公司的 ZigBee芯片CC2530和免费协议栈ZigBee-2007，上位机通过ZigBee无线模块8接收单片机控制模块6无线传送的风压和风速值等风力信号并进行实时显示和保存，上位机采用X710高清触摸屏进行远程数据显示，分辨率高，上位机通过设置于其内的存储器进行实时数据存储，上位机采用独立供电系统，可直接接入220V交流市电。

风速值的转换计算过程如下：

在空心球体1受到外界风的压力时，每个压力传感器2实时检测周围空气流动的总压力，根据当地的静压力计算出空气流动的动压力，三者采用流体动力学的伯努利方程表示为：

P_D＝P_z-P_J 公式一

空气密度的计算公式为：

动压力P_D与风速存在如下关系：

从而可以导出风速V的计算公式：

其中，P_Z-空气流动的总压力，Pa；

P_J-当地空气静压力，定值，Pa；

P_D-空气流动的动压力，Pa；

P-大气压力，Pa；

R_B-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，Pa；

ρ-空气密度，kg/m³；

V-风速，m/s；

由公式一到公式四可知，通过空气流动的动压力和空气密度即可算出风速值，数据的精确性高。

首先将空心球体1安装在伸缩杆5上，根据实际需求调节伸缩杆5的高度，使空心球体1处于适当位置，通过电源模块11为测量仪不间断供电，三维电子罗盘自动校正当前测量仪方位的三维方向角和空心球体1的高度并通过单片机控制模块6传送至上位机，便于用户实时了解当前测量仪的方位方向和空心球体1的高度，超声波模块13和红外寻线模块14实时测距并实时检测路面状况并传送至单片机控制模块6，通过单片机控制模块6 驱动电机模块实时控制履带平台16调整行进方向和速度，躲避行进过程中的障碍物，在空心球体1受到外界风的压力时，传感器阵列上的500个压力传感器2分别实时采集各方位对应的风压值并传送至缓冲器进行缓冲，单片机控制模块6读取缓冲器内的风压值缓冲数据并通过设置于其内的模数转换模块对其进行处理，根据伯努利方程算法将每个压力传感器2所处方位的风压值一一转换生成对应的风速值数字信号并输出至上位机，每个压力传感器2所处方位不同导致采集到的风压值不同，单片机控制模块6 对各方位风压值和风速值的分布情况进行比较，得出风压值大的方向即为当前风向，单片机控制模块6通过ZigBee无线模块8将风向和各方位的风速值数字信号无线传输至上位机进行远程显示和保存，单片机控制模块6 还接收CO₂检测模块3实时检测到的所在方位周围空气环境的CO₂浓度、光照传感器4实时检测到的所在方位的太阳光强度以及PM2.5检测模块7 实时检测到的所在方位周围空气中的PM2.5颗粒物浓度并对其通过模数转换模块分别进行模数转换生成对应的数字信号，随后通过ZigBee无线模块 8输出至上位机，上位机采用X710高清触摸屏进行远程数据显示并通过内置的存储器进行实时数据存储，便于用户随时查看当前方位的风向、风速值、CO₂浓度、太阳光强度和PM2.5颗粒物浓度，了解空气质量情况。

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。