基于海上浮標的風速風向數(shù)據(jù)的采集和處理

唐原廣++王少奇

摘要：根據(jù)觀測場的不同，風的觀測通常分為陸地觀測和海上觀測，其中海上觀測可選用海上固定式平臺，也可選用海上浮式平臺。這里以常見的浮式海上平臺——浮標，作為觀測平臺，采用螺旋槳式風傳感器、電子羅盤以及自主設計的水文氣象數(shù)據(jù)采集器，實現(xiàn)海上浮標平臺風速風向數(shù)據(jù)的采集和處理，并通過U盤和無線通訊機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和傳輸。

關(guān)鍵詞：風向； 風速； 數(shù)據(jù)采集； 數(shù)據(jù)處理； 浮標

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）03-0238-05

Wind Speed and Wind Direction Data Acquisition and Processing on Buoy Platform Offshore

TANG Yuan-guang， WANG Shao-qi

（Ocean University of China， Qingdao 266000， China）

Abstract： According to the observation field， the wind observation is usually divided into the land observation and the sea observation， in which the sea observation can choose the offshore fixed platform or the offshore floating platform. In this paper， take the buoy as the observation platform， using the propeller type wind sensor， electronic compass， as well as the independently designed hydrological and meteorological data acquisition device， to achieve wind speed data acquisition and processing. Meanwhile data storage and transmission is accomplished through U disk storage and wireless communication machine.

Key words： wind direction； wind speed； data acquisition； data processing； buoy

風作為重要的海洋氣象要素，對研究海洋氣候的變化以及波浪的產(chǎn)生都有至關(guān)重要的意義。

一套浮標系統(tǒng)通常包括海上的測量浮標，固定錨系以及陸上的岸站數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)，如圖1所示。其中海上測量浮標主要用于搭載傳感器、數(shù)據(jù)采集器、通訊機、存儲器以及配電裝置等設備。測量參數(shù)主要包含有波浪、海流、溫鹽、風、氣壓、溫濕等水文氣象要素，根據(jù)不同的功能，相應的這些氣象水文傳感器可以放置在浮標體上部的氣象平臺上，或是浮標體內(nèi)部的儀器艙中，或是底部的水下儀器井中。而數(shù)據(jù)采集器、存儲器、通訊機放置在儀器艙中，負責對傳感器獲取的電信號進行采集、處理、存儲和發(fā)送。配電裝置包括安裝在氣象平臺支架上的太陽能電池板、電源轉(zhuǎn)接箱和安裝在儀器艙中的電池構(gòu)成，用于滿足各種設備的供電需求。采集處理后的數(shù)據(jù)一方面會存儲到存儲器中，另一方面，會通過無線通訊機發(fā)送給陸地上的接收機，并通過計算機將數(shù)據(jù)顯示出來。

本文以此為出發(fā)點，設計一款基于浮標的海上風速風向采集處理系統(tǒng)。

1 傳感器的選擇

風作為一個二維矢量，包括風速、風向兩個參量，因而需要風速傳感器和風向傳感器同時測量。而浮標屬于非固定式的平臺，單純使用風傳感器只能測得以浮標為參考的相對風向而無法獲取真實的風向，因而還需要通過電子羅盤測量浮標自身的方位角。

1.1 風速風向傳感器

常見的風速風向傳感器根據(jù)工作原理的不同，可以分為機械式的旋轉(zhuǎn)型風速計和聲學原理為主的超聲波風速計。

從海上的使用效果來看，旋轉(zhuǎn)型風速計的可靠性比超聲波風速計更好一些，所以這里選用了螺旋槳式風速風向計，如圖2所示。該傳感器主要由螺旋槳、主殼體、旋轉(zhuǎn)軸、尾翼、接線盒、定位環(huán)和固定環(huán)等部件組成。主殼體、螺旋槳和其他內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是通過輕盈而堅固的塑料材質(zhì)壓模而成，同時螺旋槳和旋轉(zhuǎn)軸使用不銹鋼精密滾珠軸承，減小了傳感器自身的慣性，提高了風速和風向的追蹤性。軸承上使用一層薄薄的聚四氟乙烯材料進行密封，并填充了具有大范圍溫度特性的潤滑脂，防止海水對儀器內(nèi)部造成腐蝕。

風向信號的產(chǎn)生：在主殼體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸上安裝有10KΩ的精密導電塑料電位計。給電位計施加一個恒定的勵磁電壓電源后，當風傳感器尾部在風的帶動下使主殼體停留在某一個方向時，電位計的的滑動抽頭會輸出一個電壓值，該電壓值與電位計的滑動阻值成正比（電路原理如圖3所示），而滑動抽頭的位置與風向角一一對應，所以輸出的電壓值與風向角也成正比關(guān)系。根據(jù)這個電壓值即可換算成相應的風向角度。

風速信號的產(chǎn)生：在螺旋槳軸上安裝有六極永磁鐵，當有外部風力作用時，螺旋槳旋轉(zhuǎn)，同時帶動六極永磁鐵連軸轉(zhuǎn)動，其原理類似于小型發(fā)電機，根據(jù)不同的旋轉(zhuǎn)速度產(chǎn)生相應幅值和頻率的正弦波（電路原理如圖3所示）。其中，正弦波頻率與風速成正比，螺旋槳旋轉(zhuǎn)一次產(chǎn)生三個完整的正弦波周期。根據(jù)正弦波頻率值即可獲取相應的風速信息。

1.2 電子羅盤

電子羅盤集成了三軸磁場傳感器和三軸傾斜傳感器，能夠輸出方位角、傾斜角和磁場強度。本設計主要是利用電子羅盤（圖4）輸出的方位角來獲取浮標的方位信息。這里采用的電子羅盤通過RS232串口進行數(shù)據(jù)通信，而且支持查詢模式和自動輸出模式，為了便于相對風向和方位的采集同步，這里采用查詢模式。

1.3 采集參數(shù)規(guī)格

[參數(shù)名稱＼&量程＼&準確度＼&風速＼&0～100m/s＼&±0.3m/s＼&風向＼&0～360°＼&±3°＼&]

2 數(shù)據(jù)采集采集器的設計

本文設計了一款通用的水文氣象采集器，它包括14路串行口，可連接RS232電平或TTL電平串口傳感器；8路高分辨率模擬量輸入端口，使用24位AD轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；4路低分辨率模擬量輸入端口，使用12位AD轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。自身帶有冗余設計，除了可采集處理水文氣象參數(shù)外，還可同時采集水質(zhì)生態(tài)類參數(shù)。

這里主要介紹風速風向的采集電路，如圖5所示，主要包括信號調(diào)理電路，AD轉(zhuǎn)換電路，MCU控制電路，電源電路，數(shù)據(jù)存儲電路，數(shù)據(jù)發(fā)送電路，RTC電路和其他接口電路。

信號調(diào)理電路包括風向信號調(diào)理和風速信號調(diào)理，目的是將風傳感器輸出的風向、風速原始信號調(diào)理成后續(xù)的采集電路能夠完整識別的近似理想的信號。AD轉(zhuǎn)換電路負責將調(diào)理后的風向模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。MCU控制電路負責整個電路的控制和數(shù)據(jù)的處理。電源電路為整個電路提供額定工作電壓以及參考電位。數(shù)據(jù)存儲電路將MCU處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)以文件的形式進行存儲。數(shù)據(jù)發(fā)送電路負責數(shù)據(jù)的遠程發(fā)送。RTC電路為整個電路提供時間和工作節(jié)拍。

由于篇幅的限制，這里只介紹調(diào)理電路，AD轉(zhuǎn)換電路，MCU控制電路。

2.1 信號調(diào)理電路

風向信號調(diào)理電路：

如圖6所示，電源電路為風向傳感器提供一個參考電位REF作為勵磁電壓電源，為了減小負載效應，在送入風向傳感器之前增加了一個緩沖器，將緩沖后得到的WIND_REF作為勵磁電壓電源WD_EXC。此時輸出電壓WD_SIG經(jīng)過緩沖器后輸送到ADC轉(zhuǎn)換電路的通道0（ADC_CHANNEL0）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入MCU中進行計算。風向輸出電壓WD_SIG范圍控制在0～WIND_REF，而風向范圍在0°～360°。根據(jù)風向角和電位計輸出電壓成正比的關(guān)系，算出WD_SIG與風向的關(guān)系公式為：

風速信號調(diào)理電路：

如圖7所示，正弦波信號WS_SIG從風速傳感器輸出后進入風速調(diào)理電路。

由于正弦波的幅值會隨風速的增大而增大，為了保護后續(xù)電路不被過高電壓沖擊，必須要設計保護電路。這里使用兩個反向連接的二極管D1、D2（導通壓降在1mA時約為0.7V），作用主要是將輸入的正弦波信號的幅值限制在±0.7V以內(nèi)，也就是當正弦波信號幅值超過±0.7V的范圍時，超出的信號將會被削平。由于這里最終采集的是頻率量，所以被削平的信號不會造成影響。

之后信號需要轉(zhuǎn)換成MCU計數(shù)器能夠識別的方波信號，所以需要在調(diào)理電路中增加滯回比較電路。該電路由U2B，R6，R7組成，此時滯回比較電路的門限值是：

[V+=R6VOHR6+R7，V-=R6VOLR6+R7 ] [（ 2 ）]

其中VOH和VOL是運算放大器的兩個輸出電壓軌的電壓值。

如果風速過低，往往產(chǎn)生的正弦波幅值也會很小，如果幅值小于滯回比較電路的門限值，該正弦波不僅不會轉(zhuǎn)換成方波信號，還會被滯回比較電路過濾掉，所以為了使得滯回比較電路能夠識別幅值較小的正弦波信號，必須在滯回比較電路前添加適當?shù)男盘柗糯箅娐贰＿@里的放大電路由U2A，R4，R5組成。

最后，還需要對方波信號進行微調(diào)，轉(zhuǎn)換成頻率不變的0～3.3V的方波信號。例如，增加D3二極管將負半軸的方波信號過濾掉；增加R8、R9的分壓電路調(diào)整輸出電壓幅值。

經(jīng)實驗驗證，實際風速與調(diào)理后的方波頻率之間的關(guān)系如下圖7所示：

啟動風速為1m/s，除此風速之外，曲線關(guān)系近似于

[V風（m/s）=0.098×f風傳感器（Hz） ] [（ 3 ）]

2.2 AD轉(zhuǎn)換電路

風向電壓信號在經(jīng)過調(diào)理電路之后送入到AD轉(zhuǎn)換器ADS1256的通道0（AIN0），通過SPI總線以從機的身份向MCU發(fā)送轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的風向信號電壓值。電路如圖9所示。

2.3 MCU控制電路

這里使用以Cortex-M3為內(nèi)核的STM32F207作為電路的控制芯片。主頻120Mz，自帶128KB RAM，1MB FLASH存儲器，同時支持UART、SPI、I2C、USB Host、TIM等多種外設接口，完全滿足本設計的功能需求。

其中，UART用于電子羅盤方位數(shù)據(jù)的采集和無線發(fā)送模塊的數(shù)據(jù)通信；SPI用于與ADS1256進行通信，獲取采集轉(zhuǎn)換到的風向數(shù)據(jù)；TIM用于對調(diào)理后的風速方波信號的上升沿進行計數(shù)統(tǒng)計，從而獲取頻率值。I2C是實現(xiàn)與RTC電路和EEPROM的通信，從而獲取實時時間以及實現(xiàn)參數(shù)的存儲和讀取。除此之外，MCU還會通過相應的電源控制模塊控制傳感器電源的輸出。

3 數(shù)據(jù)的采集與處理

3.1 依據(jù)的規(guī)范

風的采集與處理依據(jù)國標《GBT14914-2006海濱觀測規(guī)范》，風的采集應滿足下列要求：每3秒采集一次，作為瞬時風速和相應風向；連續(xù)采樣10分鐘，計算風速和相應風向的平均值，作為該10分鐘結(jié)束時刻的平均風速和相應風向；記錄每1分鐘的前10分鐘平均風速和相應風向，將整點前10分鐘的平均風速和相應風向，作為該整點的風速和相應風向值。風速記錄到1m/s，風向記錄取整數(shù)；靜風時，風速記"0.0"，風向記“C ”。

這里將根據(jù)此規(guī)范，對程序進行設計。

3.2 采集和計算過程

設置RTC電路每3秒產(chǎn)生一次中斷告知MCU進行一次數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集的參數(shù)包括風速、風向和浮標的方位角。

風速采集：從MCU計數(shù)器中讀取方波上升沿的計數(shù)值，除以3后為該3秒內(nèi)的平均方波頻率，根據(jù)公式（3），求得3秒的瞬時風速。風向采集：ADS1256采集轉(zhuǎn)換到的此時的風向電壓值，根據(jù)公式（1），求得3秒的瞬時風向。方位角采集：讀取電子羅盤輸出的方位角。

當三個參數(shù)都采集到之后，計算出真實的風向和風速，同時判斷此時是否為最大的3秒瞬時風速，如果是最大值，則作為極大瞬時風速記錄在內(nèi)存中，并記錄此時的時間。否則，等待超時后，將此3秒的采集過程記為失敗，并等待下一個3秒的采集。

將此時的風速根據(jù)真實風向計算出北向（0°）和東向（90°）的分量，并將1分鐘內(nèi)每3秒的瞬時風速的東向、北向分量都存入到緩存中，用于后續(xù)平均值的求取。

當時間到達整分鐘時，計算這1分鐘內(nèi)所有有效風速（有可能存在未采集到的數(shù)據(jù)）東向、北向的平均值。

在求得每分鐘的風速平均值后，計算該分鐘之前的10分鐘內(nèi)（包括該分鐘）的東向、北向平均風速的平均值，之后將兩個方向的風速合成，求得10分鐘的平均風速和風向。如果該分鐘之前的總時間不到10分鐘，則有多少分鐘就計算多少分鐘的平均值，但仍作為10分鐘的平均值。判斷此時風速是否為10分鐘平均風速的最大值，如果是最大值，則作為最大風速記錄在內(nèi)存中，并記錄此時的時間。

當時間到達半點或是整點時（這里一次采集的周期為半小時），需要對數(shù)據(jù)進行存儲和發(fā)送，在此之前，單獨記錄采集周期最后一分鐘的10分鐘平均風速和風向。

3.3 數(shù)據(jù)處理流程圖

4 儀器的安裝

浮標的結(jié)構(gòu)布局如圖10所示（左為主視圖，右為俯視圖）。

由于這里涉及風向和浮標方向這兩個參數(shù)的采集，必須保證風傳感器和電子羅盤的參考方向一致。電子羅盤輸出的方向就是它的參考方向所指的方向，而風傳感器的參考方向指的是它輸出0°時的指向。

電子羅盤固定在儀器艙內(nèi)壁上，保證傳感器與浮標之間不會發(fā)生相對位移。風傳感器主體安裝在氣象平臺的垂直桿上，在安裝主體前，先在垂直桿上固定定位環(huán)，定位環(huán)上有方向卡扣，保證方向卡扣指向的方向與電子羅盤的參考方向相同，也就是之間的夾角為0°，然后將風傳感器主體卡在卡扣上，并用固定環(huán)固定。采集電路安裝在保護殼體內(nèi)，并將保護殼體放置在儀器艙內(nèi)，傳感器與采集電路之間通過電纜連接。

5 海上試驗

完成了風傳感器的安裝調(diào)試后，首先將風傳感器及數(shù)據(jù)采集板送到了相關(guān)計量站進行了風傳感器的標定。之后整套浮標系統(tǒng)進入了岸上拷機試驗階段，該過程持續(xù)了1個月，經(jīng)確認整套系統(tǒng)無故障后，于2016年11月14日成功布放到青島某海域，下面為2016年11月18日至2016年11月24日獲取的風向、風速數(shù)據(jù)。

5.1 風向數(shù)據(jù)

圖12是根據(jù)3秒瞬時風向數(shù)據(jù)繪制的風向玫瑰圖。玫瑰圖將風向分割為16個區(qū)域，每個區(qū)域代表了固定區(qū)間（22.5°）的風向范圍，如N代表348.76°到11.25°的風向范圍。括號中的數(shù)據(jù)為風向出現(xiàn)頻率（%）/該風向范圍內(nèi)的平均風速（m/s）。圖中陰影是根據(jù)風向出現(xiàn)頻率繪制的，長度越長說明出現(xiàn)頻率越高。從圖中可以看出，在這一段時間范圍內(nèi)風向主要以北風，西北風為主。

5.2 風速數(shù)據(jù)

圖13是根據(jù)3秒瞬時風速數(shù)據(jù)繪制的風速折線圖。

6 結(jié)束語

該風向風速數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)目前已成功應用于3m海洋生態(tài)水質(zhì)浮標上，并取得了不錯的效果。

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