基于海上浮标的风速风向数据的采集和处理
时间：2022-08-01 05:23:34
【前言】基于海上浮标的风速风向数据的采集和处理由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。（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 ...
摘要：根据观测场的不同，风的观测通常分为陆地观测和海上观测，其中海上观测可选用海上固定式平台，也可选用海上浮式平台。这里以常见的浮式海上平台――浮标，作为观测平台，采用螺旋桨式风传感器、电子罗盘以及自主设计的水文气象数据采集器，实现海上浮标平台风速风向数据的采集和处理，并通过U盘和无线通讯机实现数据的存储和传输。
关键词：风向； 风速； 数据采集； 数据处理； 浮标
中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：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
L作为重要的海洋气象要素，对研究海洋气候的变化以及波浪的产生都有至关重要的意义。
一套浮标系统通常包括海上的测量浮标，固定锚系以及陆上的岸站数据接收处理系统，如图1所示。其中海上测量浮标主要用于搭载传感器、数据采集器、通讯机、存储器以及配电装置等设备。测量参数主要包含有波浪、海流、温盐、风、气压、温湿等水文气象要素，根据不同的功能，相应的这些气象水文传感器可以放置在浮标体上部的气象平台上，或是浮标体内部的仪器舱中，或是底部的水下仪器井中。而数据采集器、存储器、通讯机放置在仪器舱中，负责对传感器获取的电信号进行采集、处理、存储和发送。配电装置包括安装在气象平台支架上的太阳能电池板、电源转接箱和安装在仪器舱中的电池构成，用于满足各种设备的供电需求。采集处理后的数据一方面会存储到存储器中，另一方面，会通过无线通讯机发送给陆地上的接收机，并通过计算机将数据显示出来。
本文以此为出发点，设计一款基于浮标的海上风速风向采集处理系统。
1 传感器的选择
风作为一个二维矢量，包括风速、风向两个参量，因而需要风速传感器和风向传感器同时测量。而浮标属于非固定式的平台，单纯使用风传感器只能测得以浮标为参考的相对风向而无法获取真实的风向，因而还需要通过电子罗盘测量浮标自身的方位角。
1.1 风速风向传感器
常见的风速风向传感器根据工作原理的不同，可以分为机械式的旋转型风速计和声学原理为主的超声波风速计。
从海上的使用效果来看，旋转型风速计的可靠性比超声波风速计更好一些，所以这里选用了螺旋桨式风速风向计，如图2所示。该传感器主要由螺旋桨、主壳体、旋转轴、尾翼、接线盒、定位环和固定环等部件组成。主壳体、螺旋桨和其他内部结构都是通过轻盈而坚固的塑料材质压模而成，同时螺旋桨和旋转轴使用不锈钢精密滚珠轴承，减小了传感器自身的惯性，提高了风速和风向的追踪性。轴承上使用一层薄薄的聚四氟乙烯材料进行密封，并填充了具有大范围温度特性的脂，防止海水对仪器内部造成腐蚀。
风向信号的产生：在主壳体内的旋转轴上安装有10KΩ的精密导电塑料电位计。给电位计施加一个恒定的励磁电压电源后，当风传感器尾部在风的带动下使主壳体停留在某一个方向时，电位计的的滑动抽头会输出一个电压值，该电压值与电位计的滑动阻值成正比（电路原理如图3所示），而滑动抽头的位置与风向角一一对应，所以输出的电压值与风向角也成正比关系。根据这个电压值即可换算成相应的风向角度。
风速信号的产生：在螺旋桨轴上安装有六极永磁铁，当有外部风力作用时，螺旋桨旋转，同时带动六极永磁铁连轴转动，其原理类似于小型发电机，根据不同的旋转速度产生相应幅值和频率的正弦波（电路原理如图3所示）。其中，正弦波频率与风速成正比，螺旋桨旋转一次产生三个完整的正弦波周期。根据正弦波频率值即可获取相应的风速信息。
1.2 电子罗盘
电子罗盘集成了三轴磁场传感器和三轴倾斜传感器，能够输出方位角、倾斜角和磁场强度。本设计主要是利用电子罗盘（图4）输出的方位角来获取浮标的方位信息。这里采用的电子罗盘通过RS232串口进行数据通信，而且支持查询模式和自动输出模式，为了便于相对风向和方位的采集同步，这里采用查询模式。
1.3 采集参数规格
[参数名称＼&量程＼&准确度＼&风速＼&0～100m/s＼&±0.3m/s＼&风向＼&0～360°＼&±3°＼&]
本文设计了一款通用的水文气象采集器，它包括14路串行口，可连接RS232电平或TTL电平串口传感器；8路高分辨率模拟量输入端口，使用24位AD转换器进行模数转换；4路低分辨率模拟量输入端口，使用12位AD转换器进行模数转换。自身带有冗余设计，除了可采集处理水文气象参数外，还可同时采集水质生态类参数。
这里主要介绍风速L向的采集电路，如图5所示，主要包括信号调理电路，AD转换电路，MCU控制电路，电源电路，数据存储电路，数据发送电路，RTC电路和其他接口电路。
信号调理电路包括风向信号调理和风速信号调理，目的是将风传感器输出的风向、风速原始信号调理成后续的采集电路能够完整识别的近似理想的信号。AD转换电路负责将调理后的风向模拟量转换为数字量。MCU控制电路负责整个电路的控制和数据的处理。电源电路为整个电路提供额定工作电压以及参考电位。数据存储电路将MCU处理后的数据转以文件的形式进行存储。数据发送电路负责数据的远程发送。RTC电路为整个电路提供时间和工作节拍。
由于篇幅的限制，这里只介绍调理电路，AD转换电路，MCU控制电路。
2.1 信号调理电路
风向信号调理电路：
如图6所示，电源电路为风向传感器提供一个参考电位REF作为励磁电压电源，为了减小负载效应，在送入风向传感器之前增加了一个缓冲器，将缓冲后得到的WIND_REF作为励磁电压电源WD_EXC。此时输出电压WD_SIG经过缓冲器后输送到ADC转换电路的通道0（ADC_CHANNEL0）转换为数字量送入MCU中进行计算。风向输出电压WD_SIG范围控制在0～WIND_REF，而风向范围在0°～360°。根据风向角和电位计输出电压成正比的关系，算出WD_SIG与风向的关系公式为：
风速信号调理电路：
如图7所示，正弦波信号WS_SIG从风速传感器输出后进入风速调理电路。
由于正弦波的幅值会随风速的增大而增大，为了保护后续电路不被过高电压冲击，必须要设计保护电路。这里使用两个反向连接的二极管D1、D2（导通压降在1mA时约为0.7V），作用主要是将输入的正弦波信号的幅值限制在±0.7V以内，也就是当正弦波信号幅值超过±0.7V的范围时，超出的信号将会被削平。由于这里最终采集的是频率量，所以被削平的信号不会造成影响。
之后信号需要转换成MCU计数器能够识别的方波信号，所以需要在调理电路中增加滞回比较电路。该电路由U2B，R6，R7组成，此时滞回比较电路的门限值是：
[V+=R6VOHR6+R7，V-=R6VOLR6+R7 ] [（ 2 ）]
其中VOH和VOL是运算放大器的两个输出电压轨的电压值。
如果风速过低，往往产生的正弦波幅值也会很小，如果幅值小于滞回比较电路的门限值，该正弦波不仅不会转换成方波信号，还会被滞回比较电路过滤掉，所以为了使得滞回比较电路能够识别幅值较小的正弦波信号，必须在滞回比较电路前添加适当的信号放大电路。这里的放大电路由U2A，R4，R5组成。
最后，还需要对方波信号进行微调，转换成频率不变的0～3.3V的方波信号。例如，增加D3二极管将负半轴的方波信号过滤掉；增加R8、R9的分压电路调整输出电压幅值。
经实验验证，实际风速与调理后的方波频率之间的关系如下图7所示：
启动风速为1m/s，除此风速之外，曲线关系近似于
[V风（m/s）=0.098×f风传感器（Hz） ] [（ 3 ）]
2.2 AD转换电路
风向电压信号在经过调理电路之后送入到AD转换器ADS1256的通道0（AIN0），通过SPI总线以从机的身份向MCU发送转化为数字量的风向信号电压值。电路如图9所示。
2.3 MCU控制电路
这里使用以Cortex-M3为内核的STM32F207作为电路的控制芯片。主频120Mz，自带128KB RAM，1MB FLASH存储器，同时支持UART、SPI、I2C、USB Host、TIM等多种外设接口，完全满足本设计的功能需求。
其中，UART用于电子罗盘方位数据的采集和无线发送模块的数据通信；SPI用于与ADS1256进行通信，获取采集转换到的风向数据；TIM用于对调理后的风速方波信号的上升沿进行计数统计，从而获取频率值。I2C是实现与RTC电路和EEPROM的通信，从而获取实时时间以及实现参数的存储和读取。除此之外，MCU还会通过相应的电源控制模块控制传感器电源的输出。
3 数据的采集与处理
3.1 依据的规范
风的采集与处理依据国标《GBT14914-2006海滨观测规范》，风的采集应满足下列要求：每3秒采集一次，作为瞬时风速和相应风向；连续采样10分钟，计算风速和相应风向的平均值，作为该10分钟结束时刻的平均风速和相应风向；记录每1分钟的前10分钟平均风速和相应风向，将整点前10分钟的平均风速和相应风向，作为该整点的风速和相应风向值。风速记录到1m/s，风向记录取整数；静风时，风速记"0.0"，风向记“C ”。
这里将根据此规范，对程序进行设计。
3.2 采集和计算过程
设置RTC电路每3秒产生一次中断告知MCU进行一次数据采集，数据采集的参数包括风速、风向和浮标的方位角。
风速采集：从MCU计数器中读取方波上升沿的计数值，除以3后为该3秒内的平均方波频率，根据公式（3），求得3秒的瞬时风速。风向采集：ADS1256采集转换到的此时的风向电压值，根据公式（1），求得3秒的瞬时风向。方位角采集：读取电子罗盘输出的方位角。
三个参数都采集到之后，计算出真实的风向和风速，同时判断此时是否为最大的3秒瞬时风速，如果是最大值，则作为极大瞬时风速记录在内存中，并记录此时的时间。否则，等待超时后，将此3秒的采集过程记为失败，并等待下一个3秒的采集。
将此时的风速根据真实风向计算出北向（0°）和东向（90°）的分量，并将1分钟内每3秒的瞬时风速的东向、北向分量都存入到缓存中，用于后续平均值的求取。
当时间到达整分钟时，计算这1分钟内所有有效风速（有可能存在未采集到的数据）东向、北向的平均值。
在求得每分钟的风速平均值后，计算该分钟之前的10分钟内（包括该分钟）的东向、北向平均风速的平均值，之后将两个方向的风速合成，求得10分钟的平均风速和风向。如果该分钟之前的总时间不到10分钟，则有多少分钟就计算多少分钟的平均值，但仍作为10分钟的平均值。判断此时风速是否为10分钟平均风速的最大值，如果是最大值，则作为最大风速记录在内存中，并记录此时的时间。
当时间到达半点或是整点时（这里一次采集的周期为半小时），需要对数据进行存储和发送，在此之前，单独记录采集周期最后一分钟的10分钟平均风速和风向。
3.3 数据处理流程图
4 仪器的安装
浮标的结构布局如图10所示（左为主视图，右为俯视图）。
由于这里涉及风向和浮标方向这两个参数的采集，必须保证风传感器和电子罗盘的参考方向一致。电子罗盘输出的方向就是它的参考方向所指的方向，而风传感器的参考方向指的是它输出0°时的指向。
电子罗盘固定在仪器舱内壁上，保证传感器与浮标之间不会发生相对位移。风传感器主体安装在气象平台的垂直杆上，在安装主体前，先在垂直杆上固定定位环，定位环上有方向卡扣，保证方向卡扣指向的方向与电子罗盘的参考方向相同，也就是之间的夹角为0°，然后将风传感器主体卡在卡扣上，并用固定环固定。采集电路安装在保护壳体内，并将保护壳体放置在仪器舱内，传感器与采集电路之间通过电缆连接。
5 海上试验
完成了风传感器的安装调试后，首先将风传感器及数据采集板送到了相关计量站进行了风传感器的标定。之后整套浮标系统进入了岸上拷机试验阶段，该过程持续了1个月，经确认整套系统无故障后，于2016年11月14日成功布放到青岛某海域，下面为2016年11月18日至2016年11月24日获取的风向、风速数据。
5.1 风向数据
图12是根据3秒瞬时风向数据绘制的风向玫瑰图。玫瑰图将风向分割为16个区域，每个区域代表了固定区间（22.5°）的风向范围，如N代表348.76°到11.25°的风向范围。括号中的数据为风向出现频率（%）/该风向范围内的平均风速（m/s）。图中阴影是根据风向出现频率绘制的，长度越长说明出现频率越高。从图中可以看出，在这一段时间范围内风向主要以北风，西北风为主。
5.2 风速数据
图13是根据3秒瞬时风速数据绘制的风速折线图。
6 结束语
该风向风速数据采集和处理系统目前已成功应用于3m海洋生态水质浮标上，并取得了不错的效果。
参考文献：
[1] Joseph Yiu， 宋岩. ARM Cortex-M3 权威指南[M]. 北京：北京航空航天大学出版社， 2009.
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[3] Stephen Prata， 姜佑. C Primer Plus[M]. 北京：人民邮电出版社， 2016.
[4] GBT14914-2006， 海滨观测规范[S].
[5] 孙学金， 王晓蕾， 李浩， 等. 大气探测学[M]. 北京：气象出版社， 2009.
