一种同时采集7个气象要素的超声波及数字气象传感器的制作方法

本发明涉及的是用于机场、野生自然保护区、气象灾害多发区、沿海/航海、太阳能发电、架空输电线路、网格化气象服务等领域的气象状况实时监测及预警，具体涉及一种同时采集7个气象要素的超声波及数字气象传感器。

背景技术：

近年全球气候呈逐年变暖趋势，大范围不规则异常天气不断涌现，极端天气事件频繁发生。我国近年大范围极端灾害天气肆虐，灾害气象数据多次打破历史记录：超强台风肆虐浙江、福建、广东等东南沿海，川渝遭受百年一遇大旱又遭遇特大暴雨，罕见暴风雪袭击辽宁、山东，罕见飓风多次袭击河北，新疆发生内陆少见的风灾，贵州、湖南、广西遭遇低温冷冻灾害，夏季台风在我国东部沿海和南部沿海肆虐，给人们的生命财产造成巨大损失。针对频发的气象灾害天气，迫切需要实现气象网格化监测和预警服务。

目前，我国的气象数据采集仍多采用机械式、模拟量等技术采集，存在采集传感器集成度低、机械式结构易磨损、数据采集准确度差、寿命短、后期现场维护成本高等技术问题。超声波气象采集传感器在我国也有众多应用，但普遍是维萨拉等进口产品，国内也有少量的超声波气象采集传感器，存在稳定性不高、精度不能满足行业应用需求等问题。

综上所述，本发明采用超声波智能数字传感技术、基于冲击原理的雨量测量技术和多变量校正曲线技术，严格按照国际气象组织wmo和icao标准设计，研制了7要素一体化超声波智能气象数字型传感器。

技术实现要素：

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种同时采集7个气象要素的超声波及数字气象传感器，不仅能够对现场温度、湿度、风速、风向、气压、雨量和光照进行现场实时数字式监测，而且长期使用无需现场校准，实现免现场维护，大大提高了数据采集精度、降低了后期现场维护工作量，其功能、性能、准确度远优越于传统的机械气象传感器。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种同时采集7个气象要素的超声波及数字气象传感器，包括中央数据处理器、dc12v供电电源、温度采集模块、湿度采集模块、气压采集模块、雨量采集模块、光照采集模块、风速采集模块、风向采集模块、485/232通信接口、4g通信接口、光纤通信接口和wifi通信接口，传感器顶部分别设置了雨量采集模块、光照采集模块分别对雨量和光照进行实时采集，雨量采集模块下方设计直接对风速、风向进行实时监测的风速采集模块、风向采集模块，风速采集模块、风向采集模块下方设置有温度采集模块、湿度采集模块、气压采集模块，温度采集模块、湿度采集模块、气压采集模块、雨量采集模块、光照采集模块、风速采集模块、风向采集模块均与中央数据处理器连接，中央数据处理器还与dc12v供电电源、485/232通信接口、4g通信接口、光纤通信接口和wifi通信接口相连。

作为优选，所述的中央数据处理器采用armcortex-a9。

作为优选，所述的风速采集模块、风向采集模块9采用超声波探头。

作为优选，所述的雨量采集模块采用压电式雨量采集传感器。

作为优选，所述的温度采集模块采用ad590温度传感器，所述的湿度采集模块采用hs1100/hs1101湿度传感器。

作为优选，所述的光照采集模块采用gy-30光照传感器。

本发明具有以下有益效果：本发明采用科学的结构设计，安装及使用方便；可同时监测风速、风向、温度、湿度、气压、降雨量、光照强度7个气象参数；多种通讯方式，rs232、rs485等供选择；支持modbus通讯，可开放通讯协议；低功耗、高精度、高可靠性，完全实现野外无人值守；先进完善的多种防雷保护设计，能有效的防雷电干扰；操作简便、易于安装维护和远、近程监控；防腐工艺处理，适用于各种恶劣环境。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明的超声波风速风向测量原理图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参照图1，本具体实施方式采用以下技术方案：一种同时采集7个气象要素的超声波及数字气象传感器，包括中央数据处理器1、dc12v供电电源2、温度采集模块3、湿度采集模块4、气压采集模块5、雨量采集模块6、光照采集模块7、风速采集模块8、风向采集模块9、485/232通信接口10、4g通信接口11、光纤通信接口12和wifi通信接口13，传感器顶部分别设置了雨量采集模块6、光照采集模块7分别对雨量和光照进行实时采集，雨量采集模块6下方设计直接对风速、风向进行实时监测的风速采集模块8、风向采集模块9，风速采集模块8、风向采集模块9下方设置有温度采集模块3、湿度采集模块4、气压采集模块5，温度采集模块3、湿度采集模块4、气压采集模块5、雨量采集模块6、光照采集模块7、风速采集模块8、风向采集模块9均与中央数据处理器1连接，中央数据处理器1还与dc12v供电电源2、485/232通信接口10、4g通信接口11、光纤通信接口12和wifi通信接口13相连。

本具体实施方式采用一体化结构设计，在传感器最顶部分别设计了雨量采集模块和光照强度采集模块分别对雨量和光照进行实时采集，在雨量采集模块下方设计了超声波探头直接对风速、风向进行实时监测，在超声波风速风向采集模块下方设计温湿度数据采集模块和气压采集模块，从而实现了一个气象传感器同时采集温度、湿度、风速、风向、气压、雨量和光照7个气象参数的高度一体化气象监测站。

本具体实施方式中央数据采集处理arm嵌入式系统研制：中央数据处理系统采用cortex处理器开发与设计，不仅具有arm嵌入式技术稳定性好、功能强大、抗干扰性能好、后期扩展性能好、远程维护方便等优点，同时也具备了msp430单片机低功耗、低成本的优点。

本具体实施方式采用超声波风速风向智能传感采集技术：超声波是指频率大于20khz的声波，超声波具有很好的方向性、穿透能力相对较强，具有普通声波的特性，能够产生发射、干涉、叠加和共振现象。人们很早就发现声波在空气中的传播速度受空气流动（及风）的影响，为此提出了利用测量声波在已知距离的两点之间传播时间的变化来逆向推导出两点间风速的方法，如图2所示，超声波风速风向测量原理。由发射探头发射一组超声波脉冲到达接收探头，从发射激烈脉冲起到接收到第一个脉冲至的超声波传播时间为t1=l/(v0±v),其中v0为无风时的声波传播速度，v为风速，l为传播距离，当方向和超声波传播方向一致时为正，反之为负。但是v0会受到温度、湿度、气压、介质密度等环境影响，其变化会引入较大的风速测量误差。该项目采用双向差分测量的方法，同时测量两个相对方向上的传播时间的变化来抵消温度、湿度、气压、介质密度等影响的误差。

采用两对相互正交的收发一体式超声波传感器探头，并安装在同一水平面上，相对的两超声波传感器先后发出测量脉冲，通过对相对探头接收脉冲并计算，可以得出两者的传播时间和速度，最后通过正交运算即可得到水平平面的风速和风向。

本具体实施方式采用冲击原理的压电式雨量采集技术：持续降水和暴雨是形成泥石流的重要因素之一。有效低监测暴雨和持续降水，并开展预报预测工作，是预防泥石流灾害的重要工程措施之一。常见的有虹吸式和翻斗式雨量筒两种，但两种传感器都体积大，不能测量雪、冻雨、冰雹，而且注水口容易被树叶、泥沙堵住而无法测量雨量。国外已经有冲击、雷达、红外等雨量测量技术，而我国尚无此类产品。

本具体实施方式拟采用冲击测量原理对单个雨滴重量进行测算，进而计算降雨量。雨滴在降落过程中受到雨滴重量和空气阻力的作用，到达地面时速度为恒定速度，根据p=mv，测量冲击即可求出雨滴重量，进而得到持续降雨量。

本具体实施方式采用数字型温湿度采集技术：采用ad590研制温度传感器，它的测温范围在-55℃～+150℃之间，而且精度高。在测温范围内非线形误差为±0.3℃。ad590可以承受44v正向电压和20v反向电压，因而器件反接也不会损坏。使用可靠。它只需直流电源就能工作，而且，无需进行线性校正，所以使用也非常方便，接口也很简单。作为电流输出型传感器的一个特点是，和电压输出型相比，它有很强的抗外界干扰能力。ad590的测量信号可远传百余米。

本具体实施方式采用hs1100/hs1101芯片研制湿度传感器。hs1100/hs1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，电容量随着所测空气湿度的增大而增大。不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快响应时间，相对湿度在1%---100%rh范围内；电容量由16pf变到200pf，误差不大于±2%rh；响应时间小于5s；温度系数为0.04pf/℃。可见精度是较高的。

本具体实施方式采用gy-30光照传感器设计光照传感器，使用gy-30光照传感器设计光照传感器，用于测定所需光照度。gy-30光照传感器采用rohm原装bh1750fvi芯片，其光照度范围是0-65535lx，它自带内置16bitad转换器，可以直接输出数字，省略复杂的计算，省略了标定。作为主流光照传感器，gy-30具有不区分环境光源，接近视觉灵敏度的分光特性，对广泛的亮度达到1勒克斯的高精度，体积小和成本低的优点，并且它的供电电源为3～5v。

实施例1：随着近年全球气候变暖加剧，我国极端气象和灾害性天气频繁发生，气象环境监测与建设已经是一项国家重要战略。本发明采用一体化结构设计，具有成本低、精度高、免维护等有点，在机场、野生自然保护区、气象灾害多发区、沿海/航海、太阳能发电、架空输电线路等领域都有重要应用，对实现我国网格化气象环境监测与建设体系具有重要的社会经济价值。

另外，本发明在国内的研制完成和上市，对改变传统机械式气象传感器、减少对维萨拉等进口产品气象传感器的依赖、发展民族本土数字智能化气象监测产品也具有重要经济价值。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。