基于无线传输的智能双经纬仪小球测风系统经纬仪数据收发板设计毕业设计论文Word文档格式.docx

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3）其它

基于无线传输的智能双经纬仪小球测风系统

—经纬仪数据收发板设计

摘要

目前对于局部区域测风经常采用的方法是双经纬仪小球测风。

在高空风测量中使用的普通测风经纬仪需手工记录观测数据、手工录入数据计算，同步性和实时性难以保证，会造成较大的误差和人力损耗。

本文提出了一种解决上述问题的方法并设计了一种新的智能化、应用范围广的数字化小球测风系统。

在测量过程中只需人工跟踪测风气球，系统能够自动采集测风数据并且自动计算测风结果。

整个系统可以由电子测风经纬仪、无线数据收发模块、数据采集板和移动终端设备（笔记本计算机）组成。

本文着重研究经纬仪数据收发板的设计，具体分析设计了无线数据收发模块。

本文所设计的无线数据收发模块主要由Silabs公司生产的一种微控制器芯片C8051F310和TI公司生产的一种无线芯片CC1020组成。

这部分的设计包括：

原理图设计，PCB设计和C8051F310的应用程序设计。

本文先从整体上介绍了该课题的设计思想和层次结构，然后详细介绍了无线数据收发模块的设计过程，并给出了程序流程图。

本设计实现了通过无线数据收发模块把从经纬仪那接收来的数据传送给主机处的数据采集板，并且可以通过主机来控制系统状态的功能。

关键词：

C8051F310；

CC1020；

无线传输；

测风系统

Theintelligencepilotballoonobservationsystemwithdualtheodolitebasedonwirelesstransmission

—theodolitedatatransceiverboarddesign

Abstract

Atpresentthecommonmethodofanemometryforsomeareasisthepilotballoonobservationwithdualtheodolite.Thecommonpilotballoontheodoliteisusedintheobservationtorecordobservationdataandtocalculateinputdatamanuallywhenmeasureupperlevelwind.Thesynchronismandreal-timeperformancecannotbeachievedandthatwillcausemoremistakesandmoremanpowerwastage.

Thispaperprovidesawaytosolvetheproblemanddesignsanewintelligentizedandwidelyapplicabledigitalpilotballoonobservationsystem.Intheprocessofobservationthepilotballooncanbeman-tracked,andthesystemisabletorecordwinddataandcalculatetheresultofobservationautomatically.Wholesystemcompriseselectronicpilotballoontheodolite，wirelessdatatransceivermodule,dataacquisitionboardandmoveterminalunit（notebookcomputer）.Importantdesignofthispaperistheodolitedatatransceiverboard,andanalyseswirelessdatatransceivermodule.ThewirelessdatatransceivermodulecomprisestheC8051F310,akindofMCUthatisdesignedbySilabsIncandtheCC1020,akindofwirelesschipthatisdesignedbyTIInc.Thispartofthedesigncomprises:

theschematicdiagramdesign,thePCBdesign,andtheapplicationprogramdesigninC8051F310.Thepapershowsawholeideaandlayerstructureofthisdesign,andthengivestheflowcharts.Thisdesignachievesthefunctiontotransmitthedatafromthetheodolitetothedataacquisitionboardconnectedtothecomputerviathewirelessdatatransceivermodule,andtocontrolthesystemconditionwithcomputer.

KeyWords:

C8051F310;

CC1020;

wirelesstransmission;

observationsyst

第一章绪论

1.1课题背景

靠近地球表面、受地面摩擦阻力影响的一部分大气层被称为大气边界层。

就整个地球大气而言，该层只不过是紧贴地球表面的很薄的一层大气。

从地表向上，大气边界层的厚度随地面粗糙度和风速的增大或大气不稳定度的增强而增加，不同的时间和地点厚度不同，其变化的范围在三四百米到一两千米之间，平均而言厚度约为1Km。

在大气边界层内，风速、温度和湿度有明显的日变化，这种日变化随着高度的增大而减少；

大气电、光和其他物理特性也明显随高度而变化。

地面和自由大气之间的热量、水汽等物理量的交换，都是通过大气边界层进行的。

大气边界层是人类生活和生产活动的主要空间，天气变化以及大气污染主要是发生在这里。

大气边界层中气象物理场的变化直接关系到人们的社会生产活动，所以研究大气边界层的特性和规律是十分重要的。

大气边界层的研究主要有以下用途：

（1）首先的一个应用是天气预报，准确及时的天气预报有利于经济建设、国防建设的趋利避害，在保障人民生命财产安全等方面有极大的社会和经济效益，是人们社会生产活动的重要参考。

（2）城市边界层研究：

空气污染预报已在我国各大城市普遍开展，但是尚处初级阶段，数值预报的科学基础亟待充实。

在一个短时期内，污染源排放是相对稳定的，因此城市大气边界层结构及其时空变化，就是直接影响污染物浓度分布的主要原因。

要弄清污染扩散的规律就必须弄清楚大气边界层中风向场、温度场和湍流场的规律。

另外城市中绿地以及工业设施的布局也需要对当地的局部气候深入了解。

（3）风能利用：

在能源匮乏的今天，矿物资源减少以及污染问题越来越严重，人们开始加强对非矿物资源的开发和利用。

风能作为一种清洁廉价的资源越来越受到人们的重视，所以对特定区域的风能资源分布的调查也成为了大气边界层研究的一个重要方面，这就需要对边界层大气中风力场的分布和变化规律有充分的认识。

（5）用于建筑的风振及风压问题。

风振是建筑物的结构对大气湍流的频率响应问题，风压是建筑物能够经受的风力大小问题。

建筑工程结构的正确设计来源于对大气边界层中风和湍流规律的深刻了解，特别是大桥和摩天大楼的设计。

1.2测风技术的发展

大气中各种物理过程和天气的变化都是在三维空间中进行的，不同层次大气的性质和物理过程各不相同，地面以上各高度上的气流情况就有很大的差异，因此必须进行高空观测以取得空中各高度上的气象要素值。

大气在空间的运动基本上是水平的，气流在垂直方向的分量与水平方向的分量相比，一般是很小的。

测量近地面直至30公里高空的风向风速，通常将飞升气球作为随气流移动的质点，用地面设备（经纬仪或雷达）跟踪气球的飞升轨迹，读取其各时间间隔的仰角、方位角、斜距，确定其空间位置的坐标值，求出气球所经过高度上的平均风向风速。

以下是几种测风方法的不同分类：

1、风廓线测量法可分为两大类：

（1）根据气流对测风仪器的动力作用（压力的方向和大小）来测定各高度上的风向、风速。

这类方法广泛用于测定近地面风。

如铁塔，升空装置（系留气球、飞机等）将测风仪（风杯、风标、风压管等）固定或带到各个高度上，但在观测高度、观测时间上受到限制。

（2）根据随气流飘动的物体在空中运动的轨迹，从而测定出风向、风速。

这类方法称轨迹法，在高低空观测中广泛采用。

用来测风的飘浮物体，要求其惯性很小，没有相对于空气的水平运动的对象才能作为气流水平方向运动轨迹的示踪物。

测定出示踪物的运动轨迹即可计算出大气各层中的平均风向、风速。

需要指出的是，这样求出的风向、风速是某一时段或某一气层厚度内气流方向和速度的平均值。

示踪物一般是定速上升的气球，即测风气球。

此外，天空中云团、人工施放的烟团和铝箔也可作为示踪物。

2、气球轨迹法测风概况：

（1）气球轨迹法测风可以分为三类：

①单点测风。

②基线测风，或称为双点（经纬仪）测风。

③导航测风。

（2）气象气球可分为三类：

①探空气球：

作为各种大气探测仪器升空运载工具，分无线电探空气球、系留气球等。

②平衡气球：

作为气流运动的示踪物。

③测云气球：

测定云层高度的云幕气球。

（3）气球的一般性质：

①膨胀型：

球皮由伸缩性较大的橡皮制成，充气后，球内外压力差很小，可随大气压的降低而自由膨胀，直到破裂为止，一般用于大气的垂直探测，如探空仪。

②非膨胀型：

球皮由聚乙烯塑料薄膜、聚酯薄膜制成，一般在超压状态下工作，球皮几乎无伸缩性，用于水平探测，制作定高气球、系留气球等。

（4）其他用途气球

①洛宾（ROBIN）气球：

下投式垂直探空气球，非膨胀型。

②棘面气球（Jimsphere）：

用于雷达测风的气球，直径为2米。

3、根据追踪设备不同，又可分为：

光学经纬仪测风、无线电经纬仪测风、雷达测风和GPS导航测风。

（1）光学经纬仪测风（又称小球测风）：

角坐标测量精度高，但受天气条件限制。

光学测风经纬仪主要观测气球仰角和方位角。

施放气球后，借助于经纬仪上的光学望远镜，由人眼追踪气球，使其瞄准气球的位置，从刻度盘上直接读出仰角和方位角的度数（精度一般为0.05度）。

光学经纬仪测风只适用于能见度好的少云天气，夜间必需配挂可见光源，阴雨天气只能在可见气球高度的范围内测风。

（2）无线电经纬仪测风：

适合全天候，但测角精度低于光学测风经纬仪。

利用无线电定向原理，跟踪气球携带的探空仪发射机信号，测得角坐标数据，气球高度则由探空资料计算得出。

因此无线电经纬仪适用于全天候，但当气球低于其最低工作仰角时，测风精度将迅速降低。

无线电经纬仪与测风雷达相比，具有低能耗，设备重量轻的优点。

共有两组天线，一组监测探空仪信号的仰角，另一组监测探空仪信号的方位角。

（3）雷达测风：

让气球携带能够反射雷达波的反射靶在天空飞行，就可以定出气球在每个时刻的位置，从而测定高空风。

701雷达是我国测风专用雷达。

一次雷达测风法：

是利用气球上悬挂的金属反射体反射雷达发射的脉冲信号，测定气球角坐标和斜距。

二次雷达测风法：

把气球上的反射靶换成回答器，就能增强回波的强度，这种雷达叫二次雷达。

气球上的回答器收到地面雷达发来的询问脉冲后，立即发射一个脉冲代替反射波，称为回答脉冲，回答脉冲被地面接收机接收，实现测距的目的。

它不仅测定气球的角坐标，而且能测定气球与雷达的距离，即斜距。

显然，在相同的发射功率下，二次雷达比一次雷达探测距离更远，可测更高的高空风。

但随着技术的发展，发射功率已不是大的技术障碍时，着眼于提高测风精度和经济效益等方面，一次雷达测风也有其独特优势。

风廓线雷达：

是一种遥感高空风向、风速分布的仪器，精度、可靠度较高，但造价昂贵。

当向大气层发射一束无线电波时，由于温度和湿度的湍流脉动，大气折射指数产生相应的涨落，雷达波束的电磁波信号将被散射，其中的后向散射部分将产生一定功率的回波信号，这种回波信号与大气的云雨质点回波散射有所不同，称之为晴空散射。

由于散射气团随风飘移，沿雷达波束径向的风速分量的大小将导致回波信号产生一定量的多普勒频移，测定回波信号的频移值可以直接计算出某一层大气沿雷达波束径向的风速分量值。

（4）GPS导航测风：

是利用气球携带的GPS设备，测定跟踪气球的位置，目前已经有一些应用，但是受到民用GPS自身定位精度的限制，准确度有待提高。

1.3课题意义

工程项目的环境影响分析是十分重要的，所以需要通过一种性能可靠、成本低廉、使用简便的测风系统来掌握这个特定地区大气边界层的运动规律，以便研究当地大气污染物稀释、扩散的规律，为工业布局、城市规划、大气污染预报等提供可靠的资料。

本课题的目的是为了替代当前性能低下、适应性差的双经纬仪小球测风系统而提出的一种高性能、多功能的测风系统。

相对于现在使用的双经纬仪测风系统而言，通过用电子经纬仪代替传统的光学经纬仪以及用无线传输代替有线传输等方法有效的降低了成本，而且适应性较强，大大提高了野外、区域气象数据探测的速度和效率。

第二章系统的硬件设计

2.1系统的整体设计方案

相对于其他测风方法而言双经纬仪小球测风方法具有原理简单、成本低廉、移动性好的优点，比较适合于对野外和特定区域内气象参数的测量和分析。

当前所使用的双经纬仪小球测风方法仍旧是使用传统的光学经纬仪作为测量工具，通过放置在两个基点上的光学经纬仪来测得小球的俯仰角和方位角，需要依靠测量人员使用对讲机发出统一指令来保证数据采集的同步性。

当操作员将光学经纬仪对准小球后按对讲机的口令一起读数并进行数据记录，等到全部数据记录完成后，再人工完成后续数据处理工作。

整个测量过程程序繁琐，而且需要多名测量员协同，同步性和实时性难以保证，造成较大的误差和人力损耗，很难保证对特定地区气象数据采集和分析的完整性和全面性。

本课题仍然使用双经纬仪小球测风的原理来测量特定地区的风速风向，采用电子经纬仪代替传统的光学经纬仪，电子经纬仪采用增量式或绝对式光电码盘测量俯仰角和方位角，具有人为误差小，可靠性和效率较高，以及可自动采集数据等优点，而且近年来价格也和传统的光学经纬仪相差无几。

在数据传输方面采用了ISM通用数传频率433MHz的无线数传模块传送电子经纬仪采集到的数据，成本较低且适应性较强。

与上位计算机的数据传输采用了带USB2.0接口的单片机作为接收控制板的核心芯片，以解决当前适合野外使用的笔记本电脑不提供RS-232接口的问题。

本课题中双经纬仪小球测风系统整体布置如图2.1所示。

图2.1双经纬仪小球测风系统示意图

将电子经纬仪放置在A、B两点，AB′为AB在水平面上的投影称为“基线”，BB′为实际应用时放置两台电子经纬仪存在的高度差，P点为测风气球，PA为测风气球在水平面的投影，α、β、γ、δ分别为两台电子经纬仪测出的气球的方位角和俯仰角，数据通过接于电子经纬仪RS-232串口的无线数传模块传送到上位机处的接收控制模块中，控制模块通过USB口将数据传送到上位计算机中，计算机中的应用程序经过数据分析和处理得出当前小球的位置和对应实时风速风向。

本课题的系统结构总框图如图2.2所示。

图2.2测风系统总原理框图

2.2系统数据处理及其误差分析

在气象领域中关于仰角和方位角的规定是：

仰角以水平方向为0°

，向上增加；

方位角以北向为0°

，顺时针增加。

在实际工作中通常采用的坐标系有两种：

一种是x轴指向北、y轴指向东的坐标系；

二是x轴指向东、y轴指向北的坐标系。

由于按气象领域的惯例z轴指向天顶，上面两种坐标系的选取就会产生x轴、y轴、z轴形成左手坐标系和右手坐标系两种不同的结果。

不论对于何种坐标系以及方位角和俯仰角方向的规定如何，角度经过简单变换都可以变化为如图2.3所示的α、β、γ、δ四个角度。

其中α、δ分别为经纬仪1的方位角和俯仰角，β、γ分别为经纬仪2的方位角和俯仰角。

以经纬仪1所处的A点作为坐标原点，B为经纬仪2的位置，经纬仪1、2之间的高度差为BB′，P为当前气球所处的位置，PA为气球在地面的投影，基线AB′的长度为L。

图2.3经纬仪测量系统示意图

由此可以得出气球的坐标为：

（2-1）

在实际应用中应当利用γ值再计算z的坐标，通过和上式的z求平均值来实现利用冗余数据进行数据质量控制。

设两次测量角度的间隔时间为t，两次测得的坐标分别为（x1，y1，z1）（x2，y2，z2）,则水平方向上这段时间的风速v和方向θ为：

（2-2）

在实际测量时，基线长度的测量需要通过A点的经纬仪测量B点相对于水平面的俯仰角Φ，并通过激光测距仪等测距方式得出A、B两点间的距离，或者在B点设立垂直标杆求出BB′的值，再通过三角关系计算AB′也就是基线L的长度。

图2.4基线测量示意图

实际测量中在使用经纬仪准线对准气球时，由于气球有一定的体积同时位置不断变化，如果两台经纬仪对准气球的不同位置或者读数的时候并未完全对准气球，就会产生误差，使得计算坐标和实际坐标偏离。

图中P点处两经纬仪视轴偏差越大，误差就越大。

这种偏差同时会因为信道切换产生的大约10-20ms的延时而加大，两台经纬仪传回的角度数据就只是近似同时采集，对于风力较大的状况下会加大误差。

对于这种误差，在精度要求较低的情况下可以忽略不计，但是对于大风力和精度要求较高的情况下可以通过电子经纬仪的内存进行数据备份，在测量完成后一并传回主机，以减小误差。

或者根据事先设定的测风误差来处理数据，例如偏差范围为5-10米的时候可以接受，如果超过这个限制，就应剔除相关数据。

经纬仪测角和激光测距仪测距的误差也会影响测风数据的准确性，应当尽量采用精度较高的仪器。

2.3系统中无线数据传输部分设计

本课题主要是做基于无线传输的智能双经纬仪小球测风系统中的经纬仪数据收发板的设计。

在该数据收发板的设计中，无线收发芯片用的是Chipcon公司（现被TI公司收购）生产的CC1020，微控制器用的是Cygnal公司（现已被SiliconLaboratories公司收购）的完全集成的混合信号片上系统型（SystemOnChip,SOC）MCU芯片C8051F310，天线用简单的1/4波长单极天线就可以符合本设计的要求了。

电源部分一般用干电池或充电电池供电，便于携带。

无线数传模块与外界设备的通信方式用的是UART0串行通讯。

无线数传模块内部C8051F310与CC1020之间的通信用的是SPI（增强型串行外设接口）方式。

无线数传模块硬件结构框图如图2.5所示。

图2.5无线数传模块硬件结构框图

2.3.1无线传输的选择

采用电子经纬仪代替光学经纬仪之后，采集到的数据传输到上位机的方式可以采用有线和无线方式。

无线双经纬仪测风系统经常应用于野外特定地区的气象数据测量，而且在两台经纬仪之间要求有500到1000米的距离以保证测风数据的准确性。

野外架设有线数据传输线路会增加人力和时间的花费，而且当遇到一些特殊的应用环境，比如山地、湖泊、林区等特殊的地理环境时，布线比较困难，将会对有线传输带来很大的制约，适应性差。

另外当希望给系统中添加新设备的时候也会比较麻烦，当系统出现故障的时候也很难确定出现问题的位置，维修时耗力多。

而采用无线数据传输的方法可以有效的降低成本、提高效率，并且不受地理环境和地面状况的影响，当系统中添加新设备时只要采取时分复用、频分复用或者址分复用就可以方便的把新设备加入到系统中。

系统无线通路发生故障时可以直接更换无线数传模块，立刻恢复系统的数据传输通路，维修方便。

目前，无线数据通信技术可分为两大类：

一是基于蜂窝的接入技术，如蜂窝数字分组数据（CDPD），通用分组无线传输技术（CPRS）、EDGE等。

二是基于局域网的技术，如IEEE802.11WLAN、Bluetooth、IrDA、Home-RF、短距离无线通信技术等。

本设计采用短距离无线通信技术（RF技术）来进行无线数据传输。

随着大规模集成电路技术的发展，短距离无线通信系统的大部分功能都可以集成到一块芯片内部。

一般使用单片数字射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件即可构成专用或通用的无线