一種低風(fēng)速測量儀的研究與實現(xiàn)

陳傳祥 李奎山

(1．東莞理工學(xué)院 教務(wù)處，廣東東莞 523808;2．東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東東莞 523808)

一種低風(fēng)速測量儀的研究與實現(xiàn)

陳傳祥1李奎山2

(1．東莞理工學(xué)院 教務(wù)處，廣東東莞 523808;2．東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東東莞 523808)

分析了低風(fēng)速測量技術(shù)的主要功能結(jié)構(gòu)及工作流程，采用GM8120 SoC芯片作為運(yùn)算單元，通過經(jīng)驗函數(shù)對低風(fēng)速進(jìn)行測量。

低風(fēng)速;GM8120;SoC

目前風(fēng)速計的研究熱點(diǎn)主要集中于二維風(fēng)速風(fēng)向傳感器，一般采用熱溫差型或熱溫差、熱損失型相結(jié)合的工作方式，能夠同時測量風(fēng)速和風(fēng)向。傳統(tǒng)的風(fēng)速計控制和測量一般采用片內(nèi)或片外電路方式實現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且系統(tǒng)采用的較多周邊元器件，占用面積大［1］。在低風(fēng)速環(huán)境中進(jìn)行測量時，則容易因測試裝置的阻擋而產(chǎn)生干擾，進(jìn)而增大了測量值的誤差。針對這種情況，本文提出了一種能夠降低對環(huán)境現(xiàn)場干擾，提高測量精度的低風(fēng)速測量儀。

1 低風(fēng)速測量技術(shù)

1.1 傳統(tǒng)測量技術(shù)

傳統(tǒng)的低風(fēng)速校準(zhǔn)裝置可分風(fēng)洞、旋臂機(jī)、直線拖動法及排氣法四類。以直線拖動法為例，即在一個與外界隔離的房間或箱體中，用馬達(dá)拖動測風(fēng)感應(yīng)器或鋪設(shè)軌道座，使感應(yīng)器在軌道上作勻速直線移動。假設(shè)空氣是靜止的，感應(yīng)器移動速度即為風(fēng)速?？梢娖錅y量過程需要依賴一定的機(jī)械裝置。

1.2 軟測量技術(shù)

軟測量技術(shù)主要應(yīng)用在不能直接測量或不宜準(zhǔn)確測量參數(shù)的領(lǐng)域，通過某種算法對測量對象進(jìn)行的數(shù)學(xué)建模從而進(jìn)行相關(guān)研究［2］。本文中的低風(fēng)速測量儀也采用相關(guān)軟測量技術(shù)，實現(xiàn)降低測量裝置對現(xiàn)場的干擾，從而提高測量精度。

2 低風(fēng)速測量儀的實現(xiàn)

測量儀實現(xiàn)過程主要分為兩部分，即首先對測量對象在0.1～0.9 m/s風(fēng)速環(huán)境下進(jìn)行建模，經(jīng)過分析優(yōu)化后再將算法移植到GM8120 SoC芯片上。

2.1 測量對象建模

對測量對象進(jìn)行準(zhǔn)確建模是實現(xiàn)低風(fēng)速測量的前提環(huán)節(jié)，是影響測量精度的關(guān)鍵。本模型主要是由一塊5 cm×5 cm大小的白色硬塑料板上固定一根長4 cm的特殊黑色纖維線所組成。纖維線及硬塑料板之間不會因摩擦而產(chǎn)生靜電造成相對吸引。

該測量對象被沿送風(fēng)方向豎直放置于在變風(fēng)速 (0.1～0.9 m/s)環(huán)境下，并通過攝像頭對纖維線各種形態(tài)在640×480分辨率下以每秒30幀的速率進(jìn)行取樣，如圖1所示。所得大量數(shù)據(jù)隨后使用Mat-lab軟件進(jìn)行擬合分析后，便能得到一個風(fēng)速與纖維線形態(tài)相關(guān)的經(jīng)驗函數(shù)，從而實現(xiàn)將低風(fēng)速的測量轉(zhuǎn)換為對纖維線形態(tài)的采樣分析。并且在測量過程中，纖維線無需進(jìn)行加熱等輔助處理，能避免因相關(guān)器件老化而造成的誤差，進(jìn)一步保障測量精度。

圖1 測量對像在0 m/s、0.1 m/s及0.9 m/s風(fēng)速下的形態(tài)

2.2 測量儀的硬件設(shè)計

由于測量過程中需要對纖維線形態(tài)進(jìn)行采樣，則所選用的硬件架構(gòu)必須有較高的運(yùn)算能力才能實現(xiàn)相關(guān)視頻處理功能，否則無法實現(xiàn)相關(guān)算法的移植。GM8120 Soc芯片是臺灣升邁推出的一款針對在Internet上傳送音/視頻數(shù)據(jù)的SoC芯片、內(nèi)核為ARM9+DSP、MPEG4實時編碼/解碼可以達(dá)到30fps，是目前業(yè)界少見高集成度的硬件MPEG4編/解碼芯片。本設(shè)計采用GM8120 Soc芯片為系統(tǒng)核心，通過直接連接攝像頭即可實現(xiàn)對測量對象進(jìn)行視頻采樣，并能立刻通過建模所得經(jīng)驗函數(shù)進(jìn)行分析計算得出對應(yīng)的風(fēng)速值。同時由于系統(tǒng)芯片支持網(wǎng)絡(luò)接口，所以能夠便利地實現(xiàn)遠(yuǎn)程采集。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 測量儀的軟件設(shè)計

測試儀軟件的簡要工作流程如圖3所示，其中纖維線視頻采集及風(fēng)速計算為主要功能部分。

圖3 簡要工作流程示意

2.3.1 纖維線視頻采集

纖維線視頻采集算法中采用了YUV顏色空間。Y指明視度，即亮度 (數(shù)值從0－255，代表亮度從高到低)，而U和V分別為R－Y和B－Y分量，又稱色度，它是描述色彩飽和度的屬性。YUV的優(yōu)點(diǎn)是它的亮度信號 (Y)和色度信號 (U，V)相互獨(dú)立，可以單獨(dú)編碼，方便傳輸和處理。因此，它被廣泛應(yīng)用于計算機(jī)視頻和圖像處理之中［3］。本纖維線模塊中，黑色線的亮度較低，白絕底板的亮度較高，兩者之間的亮度對比直接反映于Y信號值上。通過對采集區(qū)中的圖像進(jìn)行逐行掃描找出亮度低的點(diǎn)，即可采集出纖維線所處位置。

算法中對纖維線位置由YYY結(jié)構(gòu)體進(jìn)行描述，代碼如下：

2.3.2 風(fēng)速計算

風(fēng)速值是將各采樣幀中所得的纖維線位置數(shù)據(jù)代入建模過程中所得的經(jīng)驗函數(shù)計算所得的平均值，關(guān)鍵代碼如下：

在0.1～0.9 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)，當(dāng)前經(jīng)驗函數(shù)計算所得風(fēng)速值與專業(yè)風(fēng)速測量儀對比，其誤差范圍約在±2%。

3 結(jié)語

基于對測量對象在不同風(fēng)速環(huán)境下進(jìn)行建模，將低風(fēng)速的測量轉(zhuǎn)換為對纖維線形態(tài)的采樣分析的軟測量方法，實現(xiàn)了量程范圍內(nèi)能較好地跟蹤風(fēng)速的變化，快速測量出低風(fēng)速值。由于目前所建模型仍受一定客觀因素的影響，為此將采取相應(yīng)的軟測量模型作進(jìn)一步校正。

［1］孫凱，秦明，張中平，等．基于微控制器的風(fēng)速計在線控制和測量系統(tǒng)設(shè)計［J］．傳感技術(shù)學(xué)報，2006，19(3)：682－685．

［2］劉震，汪令祥．基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)速軟測量［J］．中國電力，2010，43(11)：87－91．

［3］馬國峰，楊俊紅，周兵．基于YUV顏色空間的視頻運(yùn)動檢測［J］．計算機(jī)工程與設(shè)計，2008，29(14)：3700－3702．

Research and Realization of Anemometer for Low Wind Speed

CHEN Chuan-xiang1LI Kui-shan2
(1．Teaching Affairs Office，Dongguan University of Technology，Dongguan 523808，China;2．Dongguan Polytechinic，Dongguan 523808，China)

This paper analyzes the main function structure and work－flow，using GM8120 chip as computing unit with a fitting function for measuring low wind speed．

low wind speed;GM8120;SoC

G40－05

A

1009－0312(2012)01－0053－04

2011－11－17

廣東省自然科學(xué)基金 (9151170003000011)。

陳傳祥 (1983—)，男，廣東東莞人，工程師，碩士，主要從事計算機(jī)控制及嵌入式系統(tǒng)技術(shù)研究。