散射式無線能見度儀設計*

唐慧強, 張　耀

(南京信息工程大學 信息與控制學院, 江蘇 南京 210044)

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散射式無線能見度儀設計*

唐慧強, 張耀

(南京信息工程大學 信息與控制學院, 江蘇 南京 210044)

摘要:設計了一種前向散射式高精度能見度儀。該能見度儀接收端采用光電傳感器BPV10,將發(fā)射光在空氣中的散射信號，并經(jīng)過放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換取得數(shù)字信號。系統(tǒng)采用TMS320X2812以提高系統(tǒng)終端數(shù)據(jù)處理速度，采用CC2530實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。實驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)精度高、使用維護方便,能夠較好滿足氣象站的觀測要求。

關鍵詞:能見度； 散射信號； A/D轉(zhuǎn)換； CC2530

0引言

大氣能見度是氣象觀測的重要要素之一，對環(huán)境保護、交通運輸?shù)榷加兄卮笥绊慬1]。隨著全球大氣污染日益嚴重,作為空氣質(zhì)量的直接表征,能見度日益引起人們的關注,不少地區(qū)和國家都把它作為空氣污染的指標之一。近年來，霧霾天氣的頻繁出現(xiàn)，人們越來越需要一種能進行實時監(jiān)測，高精度的能見度儀。

目前，國內(nèi)市場上較為普遍的能見度儀主要是透射式、散射式和攝像式[2]。透射式是依據(jù)光輻射在大氣傳輸過程中的透射率，換算大氣消光系數(shù)，由于安裝嚴格，基線長，主要用于機場等場所，而沒有被廣泛使用；散射式能見度儀通過檢測光被大氣粒子散射的狀況來反演大氣消光系數(shù)，并取得能見度值；攝像式能見度儀是通過圖像處理技術(shù)識別檢測目標來獲取能見度值。

本文設計了一種無線前向散射式能見度儀，具有安裝簡便，精度高，易于實時觀測等特點。

1能見度檢測原理

散射式能見度儀是通過直接測量一個小的采樣體積的散射光強來計算大氣消光系數(shù)。散射式能見度測量方法是基于大氣是勻質(zhì)的、大氣衰減系數(shù)σ等于大氣中顆粒的散射系數(shù)、測量光強正比于散射儀的散射系數(shù)這三個假設[3]。前向散射能見度儀可采用透射式散射能見度計算公式，用被測的散射系數(shù)代替大氣的消光系數(shù)。能見度可表示為

(1)

式中V為氣象能見度，σ為大氣消光系數(shù)，ε為觀測員的視覺感閾(取0.05)，c為目標特性系數(shù)(黑體目標c=1)[4]。設目標為黑色物體，近似為黑體，則簡化為

(2)

因此,只要測量出大氣的消光系數(shù)，就能反演出能見度的值。

2電路硬件設計

2.1前向散射能見度儀的整體結(jié)構(gòu)設計

前向散射能見度儀的光路如圖1所示。

圖1　前向散射能見度儀的光路圖Fig 1　Light path diagram of forward scatter visibility instrument

前向散射能見度儀的電路由發(fā)射模塊、接收模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理和顯示模塊組成。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig 2　System structure

2.2發(fā)射電路設計

驅(qū)動電路采用恒流驅(qū)動。通過對DSP編程，端口輸出頻率為10 kHz，占空比為50 %的方波信號。通過圖3的OPA357構(gòu)成的電壓/電流轉(zhuǎn)換電路，可提供100 mA的恒流輸出，可以直接驅(qū)動發(fā)光二極管。

圖3　驅(qū)動電路Fig 3　Driver circuit

2.3接收電路設計

發(fā)光二極管發(fā)出的光照射到采樣處空氣時，由于空氣中存在大量固體顆粒和水汽凝結(jié)物等雜質(zhì)，會向四周散射，經(jīng)過透鏡聚焦到接收端光電二極管的濾光片上。接收端采用高速高敏感性的PIN光電二極管BPV10，適用于可見光和近紅外輻射。將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，信號經(jīng)過放大、濾波，A/D轉(zhuǎn)換電路輸出，通過主控芯片處理并顯示。由于接收端散射信號比較微弱，背景光影響比較明顯，為了降低噪聲，采用多級濾波電路進行濾波。光電二極管采用光伏模式工作[5]。圖4為信號接收電路圖。

圖4　接收端電路Fig 4　Receiving end circuit

因為接收端接收的散射信號經(jīng)過濾波放大電路輸出是交流信號，不能直接送到A/D轉(zhuǎn)換電路，所以，采用模擬開關進行整流，模擬開關作用主要用于多路信號的切換。本文選用NC7SB3157是基于CMOS技術(shù)的一種高性能2∶1多路復用器。B1連接輸出信號，B0連接到反相后的輸出信號，在S端信號來源于發(fā)光二極管的發(fā)射信號，S為高電平時輸出信號的正半周，低電平時輸出信號的負半周的反相值，從而實現(xiàn)全波整流。圖5為模擬開關原理圖。

圖5　模擬開關原理圖Fig 5　Principle diagram of analog switch

2.4A/D轉(zhuǎn)換電路

由于DSP自帶的12位A/D轉(zhuǎn)換器不能滿足測量所需的精度要求，為了保證精度，采用TI公司的24位Δ—Σ型A/D轉(zhuǎn)換器ADS1248。ADS1248是一種低功耗、高集成、高分辨、低噪聲的24位A/D轉(zhuǎn)換器。數(shù)據(jù)傳輸速率為2 kSPS，功耗僅為2.56 mW,具有完整的前端，板載集成了低噪聲可編程增益放大器(PGA),PGA提供可選擇的1～128的增益，同時可抑制50 Hz和60 Hz的信號干擾。經(jīng)過整流的電信號送至A/D轉(zhuǎn)換器ADS1248，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號通過無線傳輸模塊傳送到上位機并顯示。圖6為A/D轉(zhuǎn)換電路。

圖6　A/D轉(zhuǎn)換電路Fig 6　A/D conversion circuit

2.5數(shù)據(jù)通信電路

CC2530是基于2.4 GHz IEEE 802.15.4,Zig Bee和RF4CE上的一個片上系統(tǒng)解決方案，其特點是以極低的總材料成本建立較為強大的網(wǎng)絡節(jié)點[6]。CC2530芯片結(jié)合了RF收發(fā)器，其中,RF內(nèi)核控制模擬無線模塊，另外,微處理器部分可以完成初步的數(shù)據(jù)處理。

3能見度儀的軟件設計

系統(tǒng)采用整體結(jié)構(gòu)化設計方法，在嵌入式系統(tǒng)中基于DSP使用C語言編程。程序中包括信號采集、數(shù)據(jù)通信等函數(shù)。圖7為系統(tǒng)信號采集流程圖。

圖7　數(shù)據(jù)采集流程圖Fig 7　Flow chart of data collection

數(shù)據(jù)采集函數(shù)主要負責采集光束通過采樣面積處的散射光強度。通過檢測接收端采集信號的強弱判斷能見度的好壞，采集信號越強，能見度越差;反之，越好[7]。

CC2530構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡中，主要負責無線數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)安全。系統(tǒng)每隔5 s完成對散射亮度進行采樣、數(shù)據(jù)處理和傳輸，并進入到待機模式，以降低功耗。圖8為無線通信部分流程圖。

圖8　無線通信流程圖Fig 8　Flow chart of wireless communication

4能見度檢測結(jié)果與分析

在晴朗天氣，能見度比較高，散射光弱，從而接收到信號比較微弱，很容易淹沒在噪聲中。而在霧霾天氣情況下，能見度低，散射光強，檢測精度相對較高。此外，在光散射接收過程中，光輻射的衰減還與大氣成分、環(huán)境溫度、氣壓等氣象條件有關。能見度測量結(jié)果如表1。

表1　能見度測量結(jié)果

5結(jié)束語

本文設計的一種基于前向散射式無線能見度儀，介紹了能見度儀的結(jié)構(gòu)，對發(fā)射電路和信號接收電路進行了設計研究，采用CC2530模塊構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡對數(shù)據(jù)進行傳輸。實驗證明：該能見度儀穩(wěn)定性好，測量誤差相對較小，能夠較好滿足自動氣象站和高速公路的檢測要求。

參考文獻:

[1]李彤.基于Arduino的便攜式能見度儀的設計[D]南京:南京理工大學,2013:64-65.

[2]鄧可,胡建平.基于紅外散射原理的能見度儀設計[J].測控技術(shù),2004(2):19-21.

[3]王海先.能見度儀在激光測距能力檢測中的應用研究[J].艦船科學技術(shù),2008(6):91-94.

[4]朱樂坤,李林.前向散射能見度儀校準技術(shù)[J].氣象科技,2013(6):1003-1007.

[5]李佰鶴,魏計林,邱選兵,等.FBG傳感器微弱信號預處理[J].電子科技,2013(1):45-48.

[6]李新慧,俞阿龍,潘迪.基于CC2530的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].傳感器與微系統(tǒng),2013，32(3):85-88.

[7]宋毅,鮑恩波.基于Si4432的散射式大氣低能見度儀設計[J].電子世界,2013(19):135-136.

唐慧強(1965-)，男，浙江嘉興人，教授，博士生導師，主要研究方向為智能儀器與集成。

張耀，通訊作者，E—mal:690343901@qq.com。

Design of wireless scattering visibility meter*

TANG Hui-qiang, ZHANG Yao

(School of Information & Control,Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044,China)

Abstract:A high precision visibility meter based on forward scattering is designed by using photoelectric sensor.The receiver of visibility meter adopts photoelectric sensor BPV10,receive light scattering signals in air,after amplifying,filtering and A/D conversion to obtain digital signal.The system uses TMS320X2812,in order to improve data processing speed of system terminals,wireless data transmission is realized by using CC2530.Experimental results show that the system has advantage of high-precision,easy maintenance,and can meet requirements of meteorological observations.

Key words:visibility; scattering signal; A/D conversion; CC2530

作者簡介:

中圖分類號:TP 216

文獻標識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)01—0121—03

*基金項目：國家重大科學儀器設備開發(fā)專項項目(2012YQ170003—5)

收稿日期：2015—03—16

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0121—03