基于无线网络的风速风向测量系统设计研究

摘要

风速、风向的测量在气象预报、环境监测、风力发电、航空航天等领域中有着重要意义。随着传感器技术、微处理器技术和网络通信技术的发展,相比传统的人工观测,数字化、智能化的气象仪器在观测精度、速度和稳定性等方面都有较大优势。
　　 本文设计了一套运用于交通气象站的风速风向测量系统,选用了以压力传感器作为探头的测风方式,分析了ZigBee技术和无线传感网络结构,构建了基于交通气象站的无线传感网络模型。本文研究了一种压力式测风装置,通过采集4路差压信号结合神经网络算法推算出实际风速风向值,经过实验验证了其测量的可行性,完成了硬件电路和软件的设计。系统由数据采集模块、数据处理模块、无线通信模块、电源模块等组成,以主控芯片Atmegal28和无线传感模块CC2420为核心,实现了对风压及其相关量的采集、模数转换、风速风向计算、无线收发以及液晶显示等功能。整个系统作为交通气象站无线传感网络中的一个节点,能够和其他气象要素采集模块协同工作,并通过无线网络实现和协调节点的通信,将气象数据汇总到交通气象站数据库。将ZigBee无线传感网络技术运用到交通气象站中,实现了气象信息采集、管理、发布的智能化和网络化,大大提高了气象部门的工作效率,降低了管理成本。整个系统在精度、功耗、抗干扰等方面也有较大优势,具有广泛的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 研究背景及意义

1.3 国内外研究现状及主要的测风原理

1.3.1 机械式原理

1.3.2 热线式原理

1.3.3 压力式原理

1.3.4 超声波式原理

1.3.5 激光式原理

1.4 本文主要研究内容

第二章 ZigBee网络及其检测系统集成

2.1 ZigBee网络的主要特点

2.2 ZigBee网络通信协议

2.3 ZigBee网络结构

2.3.1 ZigBee网络设备

2.3.2 ZigBee网络拓扑

2.4 基于ZigBee的系统集成

第三章 风速测量原理研究及系统设计

3.1 系统需求分析

3.2 测量原理分析

3.2.1 理论模型

3.2.2 测量方法研究

3.3 测风传感器的设计

第四章 系统硬件设计

4.1 无线处理器电路设计

4.1.1 微处理器ATmega128L

4.1.2 射频芯片cC2420

4.1.3 ATmega128L和CC2420的连接

4.2 外围电路设计

4.2.1 差压传感器电路设计

4.2.2 模数转换电路设计

4.2.3 温度传感器电路设计

4.2.4 气压传感器电路设计

4.2.5 串口通信电路设计

4.2.6 JTAG接口电路设计

4.2.7 LCD显示电路设计

4.2.8 电源电路设计

4.2.9 时钟电路和复位电路设计

4.3 PCB设计

第五章 系统软件设计

5.1 开发环境

5.2 总体软件结构

5.3 数据采集程序设计

5.3.1 差压采集程序

5.3.2 温度采集程序

5.3.3 差压传感器非线性校正

5.3.4 气压采集程序

5.3.5 串口通信模块程序设计

5.3.6 液晶显示程序

5.4 无线传感网络软件设计

5.4.1 CC2420的寄存器简介

5.4.2 CC2420的启动和初始化

5.4.3 CC2420发送和接收数据

第六章 基于神经网络的风速风向检测研究

6.1 BP网络模型

6.1.1 BP网络结构

6.1.2 BP网络的学习过程

6.2 风速风向的训练和检测

6.3 数据通信及风速风向检测软件

6.3.1 MATLAB与单片机的数据通信

6.3.2 MATLAB GUI界面设计

第七章 总结与展望

参考文献

致谢

附录

硕士在读期间发表的论文清单