一种风速球测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种风速球测量系统包括一个转接器和一个装有风速测量软件模块的电脑，风速球通过无线传输的方式按照一定的规则将数据传到转接器，经过转接器处理后数据被传送到电脑，软件通过标准I/O流的方式从COM口中读取数据。读取的数据被在计算模块中，结合温度传感器与湿度传感器的数据，插值计算出球体表面的压强分布情况，并依此计算出风速和风向。数据显示模块可以实时显示风速风向等数据，图形显示模块上能直观的显示出物体表面的压力分布状况及风向。数据分析单元中可以分析此次测量的风速风向变化状况或读取存储于文件中的风速风向数据。数据分析单元中可以对滤波器的层次进行选择，测量人员可以根据实际需求选择滤波器的层次。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术公开了一种风速球测量系统，属于物联网传感和测试

技术介绍
有一种测量风速风向的测量球，利用空气在流经其表面时会对球面上的压力传感器施加不同的压力的原理实现对风速和风向的准确判断。这一系统获得的结果能较好的反映实际情况。所述风速球可以最大程度的排除由于安装部件等带来对测试空气流动状态的干扰,获得准确的测量数据。但是，在实际测量过程中往往需要旋转测量球，反复测量，人工干预程度大，自动化程度较低，且不利于长时间的风速风向测量，对于环境的适应能力有限。基于以上考虑。高性能的风速球测量系统要能实现风速的自动测量和长期的风速监测，降低测试成本并获得可靠的测试结果，并与硬件系统配合紧密。本专利技术针对这一需求的上位机软硬件方面进行了研究，提出了一种风速球测量系统。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种风速球测量系统，能实现风速的自动测量和长期的风速监测，降低测试成本并获得可靠的测试结果，并与硬件系统配合紧密。本专利技术的技术方案是：一种风速球测量系统，包括一个转接器和一个装有风速测量软件模块的电脑，转接器与电脑通过USB接口连接；所述转接器具有信号采集，存储，转发的功能，包括无线传输模块，数据存储介质，起控制作用的单片机，提供时间参考的时钟模块，USB接口；所述风速测量软件模块包括数据接口模块，计算模块，数据显示模块，图形显示模块，数据读写模块，数据分析模块；风速球通过无线传输的方式将数据传到转接器，经过转接器处理后数据被传送到风速测量软件模块，风速测量软件模块通过标准I/O流的方式从COM口中读取数据；读取的数据被在计算模块中，结合风速球上的温度传感器与湿度传感器的数据，插值计算出球体表面的压强分布情况，并依此计算出风速和风向；数据显示模块能够实时显示风速风向数据，并能显示最近多次测量结果的折线图；图形显示模块上能直观的显示出物体表面的压力分布状况及风向，通过旋转控件和缩放控件，用户能够方便地对压力分布进行观察；数据分析模块中能够分析此次测量的风速风向变化状况，或读取存储于文件中的风速风向数据；数据分析模块中能够对滤波器的层次进行选择，测量人员能够根据实际需求选择滤波器的层次；所述文件为数据读写模块中自动生成的具有特定存储格式的txt文件。进一步的，电脑操作界面包括开关及模式选择按钮组，3d绘图按钮组，数据分析按钮组，风速风向分析显示框，3d图显示框，3d图对应的风速风向数据以及测量时间显示框，风速风向的滚动图显示框，测量数据实时显示框；所述开关及模式选择按钮组包含开始及结束按钮，模式选择单选按钮；所述3d绘图按钮组包含3d按钮，点击3d按钮，能够实现压力分布3d图的绘制及在3d图显示框中显示，且能够选择使用旋转控件或放大控件，实现球体的旋转和放大；用户能够方便地对压力分布进行细致的观察；所述数据分析按钮组能够选择数据源来自于目前的测量结果或者是来自于文件，下拉框中能够选择对风的风速，垂直方向风向以及水平方向上风向进行分析，范围输入框能够输入感兴趣的范围，滤波器模式下拉选框选择滤波器层次，点击分析按钮能够刷新视图；且为了防止用户输入越界错误，当范围输入框输入越界时，能够自动检测数据的大小，强制将输入框中的内容改为合适的大小；所述3d图显示框含有一个显示球体表面压力分布的球体；所述风速风向的滚动图显示框能够默认显示最近多次的测量结果；所述测量数据实时显示框能够实时显示风速，风向以及时间，并显示当前的点是此次测量的第几个测量点；当按下结束按钮时，会将测试数据写入txt文件中，并产生提示框，提示用户数据的存储位置；用户可在存储路径下打开txt文件，为二次开发提供了方便。进一步的，采用转发器连接电脑，实现多个风速球组网测量；具体步骤如下：当风速球全部连接到转接器之后，开启转接器；这时转接器第一次给风速球发送数据，告诉风速球其组网中的编号，并使风速球进入工作状态；此后每一轮中，转接器定时发送控制信号告诉风速球数据通道可用，风速球1接收到信息后将数据发送回转接器；间隔一小段时间后转接器再发送控制信号，控制风速球2传输数据；如此循环，直到本轮所有风速球均读取完毕；转接器轮训读取完所有的风速球之后将数据打包发送到风速测量软件模块中，并在数据包头中说明组网状况；转接器提供每轮依照次序读取风速球信息和每轮随机读取风速球信息两种模式。进一步的，所述转接器能够选择独立于电脑工作，将数据存储在内部的存储介质中，即使在用户退出电脑端的软件之后仍然能继续接受风速球数据，并能够按照用户的要求读取有限时间间隔内的传感器数据。进一步的，风速球内部含有一个微处理器，用于控制以轮询的方式读取压力传感器的数据。进一步的，插值计算采用基于极坐标和直角坐标变换的球面展开法，具体的计算步骤为：(1)平面扩展；球面在直角坐标系下为一个封闭曲面图形，首先将其映射到球坐标系中，将其展开为平面；并将研究的区域变为π×6π的矩形区域，在这样具有周期性重复的图形中，截取中间的π×2π部分作为贴图，变换到球面上能够使得球面平滑；在插值过程中使用梯度值插值的算法，能够避免由于坐标变换引起的极点处的值突变；(2)贴图计算：将生成的平面压力分布图变换到球坐标系中，将图形贴到球体表面；(3)计算风速风向：风速求解基于公式：Cp=p-p012ρv02]]>其中：P为正对风的点受到的压强，P0为距离风速球无限远处的压强，ρ为空气的密度，v0为没有风速球时的风速，Cp为压力系数；通过搜寻最大压力的位置反推风向并依据公式计算出风速的大小，因为正对风的点必然有最大的压力值，而且此点Cp的值均为1。进一步的，所述数据分析模块采用十层小波分解的方法，将风速分解为不同的层次，用户能够通过数据分析按钮组中的下拉菜单选择合适的滤波器层次。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1.直观，方便的展现了当物体放置在风场中时，物体表面的压力分布情况，可以用于直观的显示风速和风向；同时也可在实际的工程测量当中实现对风速的准确测量。2.提供了一种管理风速球连接和数据转发的转接器，使本地同时测量多个风速球的数据成为可能。同时该转接器可以脱离电脑中软件实现数据采集，使得测量更加自由灵活。3.提供了简单易懂的图形化操作界面，非专业人员学习代价小，方便掌握。4.集成实时风场状况的采集与显示和长期风场状况的分析的功能。既可用于短期的测量，又可用于长期的风速风向监测。5.拥有测量状况可恢复能力。使用文件中记录的任意时刻所对应的的14个压力传感器的数据，风速风向数据，温度及湿度传感器的数据，可以恢复出该时刻，风速球放置处其表面压力分布及变化的情况，为科学研究和实验模拟提供依据。6.采用基于极坐标和直角坐标变换的球面展开法可以提高风速球系统的鲁棒性。由于在计算风速和风向时不必考虑Cp具体分布状况，所以面对复杂的风场状况时也能够计算出风向分布。在计算中可能会出现有多个点均有最大压力值的状况，但这些点一般相距很近，默认选择得到的第一个点作为最大压强点。附图说明图1为系统硬件连接图。21为风速球，22为转接器，23为装有风速测量软件模块的电脑。图2为风速测量软件模块操作界面。31为开关及模式选择按钮组，包含开始及结束按钮，模式选择单选按钮；32为3d绘图按钮组，点击“3D”按钮来刷新3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风速球测量系统，其特征是：包括一个转接器和一个装有风速测量软件模块的电脑，转接器与电脑通过USB接口连接；所述转接器具有信号采集，存储，转发的功能，包括无线传输模块，数据存储介质，起控制作用的单片机，提供时间参考的时钟模块，USB接口；所述风速测量软件模块包括数据接口模块，计算模块，数据显示模块，图形显示模块，数据读写模块，数据分析模块；风速球通过无线传输的方式将数据传到转接器，经过转接器处理后数据被传送到风速测量软件模块，风速测量软件模块通过标准I/O流的方式从COM口中读取数据；读取的数据被在计算模块中，结合风速球上的温度传感器与湿度传感器的数据，插值计算出球体表面的压强分布情况，并依此计算出风速和风向；数据显示模块能够实时显示风速风向数据，并能显示最近多次测量结果的折线图；图形显示模块上能直观的显示出物体表面的压力分布状况及风向，通过旋转控件和缩放控件，用户能够方便地对压力分布进行观察；数据分析模块中能够分析此次测量的风速风向变化状况，或读取存储于文件中的风速风向数据；数据分析模块中能够对滤波器的层次进行选择，测量人员能够根据实际需求选择滤波器的层次；所述文件为数据读写模块中自动生成的具有特定存储格式的txt文件。...

【技术特征摘要】
1.一种风速球测量系统，其特征是：包括一个转接器和一个装有风速测量软件模块的电脑，转接器与电脑通过USB接口连接；所述转接器具有信号采集，存储，转发的功能，包括无线传输模块，数据存储介质，起控制作用的单片机，提供时间参考的时钟模块，USB接口；所述风速测量软件模块包括数据接口模块，计算模块，数据显示模块，图形显示模块，数据读写模块，数据分析模块；风速球通过无线传输的方式将数据传到转接器，经过转接器处理后数据被传送到风速测量软件模块，风速测量软件模块通过标准I/O流的方式从COM口中读取数据；读取的数据被在计算模块中，结合风速球上的温度传感器与湿度传感器的数据，插值计算出球体表面的压强分布情况，并依此计算出风速和风向；数据显示模块能够实时显示风速风向数据，并能显示最近多次测量结果的折线图；图形显示模块上能直观的显示出物体表面的压力分布状况及风向，通过旋转控件和缩放控件，用户能够方便地对压力分布进行观察；数据分析模块中能够分析此次测量的风速风向变化状况，或读取存储于文件中的风速风向数据；数据分析模块中能够对滤波器的层次进行选择，测量人员能够根据实际需求选择滤波器的层次；所述文件为数据读写模块中自动生成的具有特定存储格式的txt文件。2.根据权利要求1所述的一种风速球测量系统，其特征是：电脑操作界面包括开关及模式选择按钮组，3d绘图按钮组，数据分析按钮组，风速风向分析显示框，3d图显示框，3d图对应的风速风向数据以及测量时间显示框，风速风向的滚动图显示框，测量数据实时显示框；所述开关及模式选择按钮组包含开始及结束按钮，模式选择单选按钮；所述3d绘图按钮组包含3d按钮，点击3d按钮，能够实现压力分布3d图的绘制及在3d图显示框中显示，且能够选择使用旋转控件或放大控件，实现球体的旋转和放大；所述数据分析按钮组能够选择数据源来自于目前的测量结果或者是来自于文件，下拉框中能够选择对风的风速，垂直方向风向以及水平方向上风向进行分析，范围输入框能够输入感兴趣的范围，滤波器模式下拉选框选择滤波器层次，点击分析按钮能够刷新视图；且当范围输入框输入越界时，能够自动检测数据的大小，强制将输入框中的内容改为合适的大小；所述3d图显示框含有一个显示球体表面压力分布的球体；所述风速风向的滚动图显示框能够默认显示最近多次的测量结果；所述测量数据实时显示框能够实时显示风速，风向以及时间，并显示当前的点是此次测量的第几个测量点；当按下结束按钮时，会将测试数据...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨文彬，万能，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32