基于超聲波的微型化氣象站設計在艦船氣象監測中的應用研究?

董天天，郝 曼，丁 晟，梅筱語，黃 乙，肖錢宇

(1.江蘇信息職業技術學院微電子學院，江蘇 無錫 214153；2.無錫學院自動化學院，江蘇 無錫 214105；3.常州大學應用技術學院，江蘇 常州 213164)

隨著現代艦船的迅速發展，艦船氣象監測日益成為一個關鍵的領域[1－2]。氣象數據的收集對于艦船的安全[3]和操作至關重要。海洋氣象探測技術手段包括艦船自動氣象站[4]、海島自動氣象站[5]和海上浮標氣象站等[6－7]，這些探測技術主要依靠安裝在諸如艦船、島嶼和浮標等平臺設施上的各種自動氣象站進行各種氣象探測。對于艦船觀測平臺來說[8]，船舶頂甲板比較狹小并且需裝配各種設備，而傳統氣象監測設備往往龐大且不易移動，這限制了在船上進行實時氣象監測。因此，設計一種微型化氣象站成為一個有意義的研究方向[9]。

其中，風速風向傳感器在艦船上測風有嚴格要求[10－12]，為了保護儀器免受強風、雨雪的影響，需考慮傳感器的材質和使用壽命，而傳統三杯式風速風向儀的機械結構決定了海上測量誤差不可避免[13－15]，長時間使用會導致傳感器磨損，影響儀器性能，并且容易受惡劣環境的影響。然而，超聲波的特性使其在船上進行氣象監測具有獨特的優勢[16]，因為其可以穿透水霧和降雨，并且可以在艱難的環境中工作[17－18]。

為了滿足海上復雜環境下氣象探測的需求，特別是對海上風速、風向測量，迫切需要開發具有高穩定性、微型化、輕量化和高可靠性的新一代自動氣象站和氣象傳感器。針對海洋氣象探測中的一些問題，本文介紹了一款新一代自動氣象站和氣象傳感器，通過一體化設計、數字化傳感器、超聲波原理測量風速風向等技術手段，解決了傳統自動氣象站體積大、架設復雜、穩定性和可靠性差等問題。該款自動氣象站可實現對六種氣象參數的測量，并可通過上位機顯示和存儲數據。同時，該氣象站采用抗干擾濾波措施，具有較強的穩定性和可靠性，通過使用基于超聲波的微型化氣象站，船員可以更好地了解航行路線的天氣條件，從而提高船舶的安全性和效率，適用于海上環境的長期在線監測。

1 艦載氣象系統總體設計

系統總體設計結構示意如圖1 所示。

圖1 系統結構示意圖

整個系統主要包括電源電路、氣象傳感器電路、主控制單元、數據傳輸、數據管理、系統測試與試驗分析，各部分之間的關系如圖2 所示。

圖2 技術路線圖

其中，氣象傳感器電路包括風速風向傳感器電路、雨量傳感器電路、溫濕壓采集電路，實現對六要素數據的采集，將溫度、相對濕度、氣壓、風向、風速、雨量參數轉化為相應的電信號，并以數字的形式傳到主控制單元，輸出的信號經過轉換電路轉化為RS232/RS485 信號，再經過通訊線纜傳到上位機終端；通訊線纜是氣象傳感器和計算機終端間信息傳送的物理介質，連接計算機端接口采用USB 接口，數據傳到上位機后實時顯示和保存。最后對艦載自動站進行試驗測試，并結合對比自動氣象站數據進行綜合分析和試驗驗證。

2 系統硬件設計

2.1 電源電路

電源電路為自動氣象站系統提供穩定的電壓，電壓的穩定是自動氣象站系統正常穩定工作的重要前提。系統各模塊所需供電電壓情況如表1所示。

表1 主要模塊實際供電電壓 單位:V

從表1 可知，本設計涉及多路不同電壓值的電源，溫濕度傳感器SHT75、壓力傳感器MS5540C、STM32F103 均支持3.3 V 電壓，而超聲波風速風向傳感器支持12 V 電壓，系統采用12V～36V 寬電源電壓輸入，因此需要將輸入電壓轉換成3.3 V、5 V和12 V。系統電源設計方案如圖3 所示。

圖3 系統電源設計方案

本設計選用LM317 穩壓器進行兩級降壓，第一級采用LM317 穩壓器將電壓從12 V 降至5 V，然后再使用LM317 穩壓器將電壓從5 V 降至3.3 V，為控制器及各傳感器電路模塊提供3.3 V 的電壓，保證各模塊穩定工作，如圖4、圖5 所示。

圖4 5 V 電源設計方案

圖5 3.3 V 電源設計電路圖

2.2 傳感器電路

2.2.1 壓電式雨量傳感器

雨量傳感器采用壓電轉換原理設計，當雨滴落到受力表面上時，壓電傳感器會產生壓力，在力的作用下，沿著表面形成與該力成比例的電荷信號，通過采集的電壓信號大小來計算傳感器的受力大小，然后計算出雨滴撞擊時具有的動量大小，就可以計算出當前雨量，降雨強度等參數。

雨量傳感器包括鋼蓋、壓電傳感器、電荷放大器。電荷放大器電路包括電荷－電壓信號轉換電路、歸一化電路、低通濾波電路。電荷－電壓信號轉換電路由第一運算放大器和電阻、電容并聯的反饋網絡組成，電容負反饋對于直流工作點相當于開環，零漂很大，所以在電容兩端并聯反饋電阻，形成直流負反饋，減小零漂。

歸一化電路由第二運算放大器和放大器反相端與輸出端連接的可變電阻器組成，調節可變電阻可使不同壓電傳感器輸出的電壓大小相同。電荷轉換電路中放大倍數的增大，不僅放大有用信號，也放大干擾信號，原始信號經過傳輸、放大和變換后，會混入各種形式的噪聲，影響測量精度，低通濾波電路可補償壓電傳感器引起的高頻幅頻特性，該電路由兩個電阻、兩個電容構成兩階RC 網絡和第三運算放大器組成。經過電荷放大器把電荷信號處理后形成的模擬電壓信號轉換為數字信號，設計流程如圖6所示。

圖6 電路設計流程

濾波處理后的模擬信號經過AD 模數轉換進行數字采集，與處理器STM32 進行數據交互。第一運算放大器、第二運算放大器和第三運算放大器由一片TL082 芯片運算放大器構成。這種測量方法比翻斗式、虹吸式等方法具有更高的精度、小體積、測量自動化、免維護等優勢。

2.2.2 溫濕度傳感器

本設計采用SHT75 數字溫濕度傳感器采集溫度和濕度數據，傳感器在極其精確的濕度腔室內校準，校準系數以編程方式存在OTP 存儲器中，用于內部信號校準。兩線串行接口和內部電壓調整使外圍系統集成變得快速和簡單，從而使傳感器在各種苛刻的應用中便捷集成，并確保最佳性能。SHT75引腳接線與SHT71 相同，如圖7 所示。

圖7 SHT75 接線連接圖

SHT75 與處理器的連接，是通過STM32 的兩個I/O 口與傳感器SHT75 的SCK 引腳和DATA 引腳相連，實現數據的交換。為避免信號沖突，微處理器驅動DATA 在低電平，所以DATA 引腳上加上一個10 kΩ 的上拉電阻接至3.3V 電壓，將信號提拉至高電平，電源引腳(VDD、GND)之間加一個0.1 μF 的電容進行濾波。該傳感器使用的2 線制通信，通信時序基本符合I2C 的通信時序，但與I2C 通信方式的通信協議不同。電路設計和PCB 布線如圖8所示。

圖8 SHT75 外圍電路圖

2.2.3 氣壓傳感器

氣壓測量采MS5540C 傳感器，首先把壓力傳感器輸出的未補償的模擬電壓值轉換成16 位數字值，包括氣壓測量值和溫度測量值共兩個16 位的數字值，通過接口電路把16 位數字值輸出，然后處理器STM32 進行補償計算，最終得出精確的結果。該傳感器具有低電壓，低功耗等特性，且帶自動斷電開關，具有極高的密封防護能力，可抵抗100 m 深水壓，適合海上使用。

氣壓傳感器MS5540C 供電電壓為2.2 V～3.6 V，與微處理器STM32 采用SPI 方式通信，由于MS5540C 需要32.768 kHz 的時鐘作為單獨的時鐘輸入，而STM32 提供的時鐘在寬范圍溫度下不能保證穩定，因此設計了32.768 kHz 的有源晶振SG3030為其提供輸入源，電路設計如圖9 所示。

圖9 MS5540C 電路圖

2.2.4 超聲波風速風向傳感器

超聲波風速風向傳感器采用微處理器STM32F103RCT6 和中心頻率為200 kHz、探頭間距為15 cm 的超聲波換能器設計，控制器STM32 產生10 個200 kHz 的方波脈沖，經過Boost 升壓電路，驅動超聲波發射端發送信號。為了確保同一時刻只有一對超聲波探頭工作，STM32 定時器定時產生信號，循環驅動模擬開關控制換能器工作。波形發出后開啟定時器計時，相應的接收端會接收到200 kHz的正弦波，對波形進行放大處理，通過濾波器濾除噪聲和干擾，經過峰值檢測模塊得到檢波信號，最后處理器測出時間，得出風速和風向值，硬件結構如圖10 所示。

圖10 硬件系統結構圖

3 超聲波風速風向測量算法

與傳統機械式風速風向儀相比，超聲波測量風速風向的優點非常明顯，具有響應速度快、環境適應能力強和抗干擾能力強的特點，它避免了傳統風速風向儀的機械磨損，延長了設備壽命和測量精度，降低了設備的維護成本，并且儀器具有很強的抗腐蝕性，滿足海上氣象探測的要求。

3.1 時差測量法

風速、風向采用超聲波時差法測量，當超聲波在空中傳播時，逆風和順風傳播之間存在速度差，當傳播距離一定時，速度差反映為時間差，其與測量的風速具有線性關系。對于接收和發射一體的超聲波傳感器，以一個特定的方向放置，并以固定頻率發射超聲波，通過測量超聲波在兩個方向上的到達時間，計算超聲波在順風和逆風下的傳播速度，經過計算便可得到風速值，采用兩組正交的探頭分別測量兩個相應的風速分量，合成后即可得到風速。如圖11 所示。

圖11 超聲波測量風速原理

當超聲波傳播方向與風向一致時，其傳播速度會更快，反之亦然，會降低超聲波的傳播速度。如圖11 所示，設超聲波探頭1 與探頭2 之間的間距為L，順風和逆風時超聲波傳播時間分別為t12和t21，風速為v，無風時超聲波傳播速度為c，則:

由式(1)和式(2)可以得到:

從式(3)可看出風速v與c無關，避免了環境因素對風速測量的影響。

風向采用垂直放置的方法進行測量，兩對接收發送一體的超聲波換能器彼此垂直放置，兩者相對呈180°且每對超聲波探頭之間的距離相同，安裝在同一水平面上，如圖12 所示，設兩對超聲波探頭距離均為L，X軸向的傳輸時間分別為t12和t21，Y軸向的傳輸時間分別為t34和t43，風速為v，X軸向的風速為vx，Y軸向的風速為vy，超聲波傳播速度為c。根據式(3)可得:

圖12 垂直放置方法檢測原理

X軸方向的風速:

Y軸方向的風速:

風速:

將X軸正方向設置為0°，按逆時針方向角度增加，則風向:

化簡，求反函數:

隨著風向的變化，某時刻的風向為:

3.2 真風計算方法

艦船在行駛中，方向和位置會不斷改變，這對風速風向的測量產生影響。因此，在艦船航行氣象測量時，方向和位置的改變需要電子羅盤和GPS 傳感器對測量的風速風向數據進行修正，得出真風數據，計算過程如圖13 所示。

圖13 真風計算過程

超聲波風速風向傳感器測量風向值及風速值，電子羅盤測量艦船行使方向與正北方向的夾角，通過計算得出真實風向。GPS 測量艦船的航行速度，由于風速為矢量，對艦船速度和超聲波傳感器測得風速進行分解及疊加，通過計算可以得出真實的風速。

4 系統軟件設計

系統軟件設計包括應用程序設計和上位機軟件設計，應用程序設計主要包括氣象六要素傳感器的程序設計，實現傳感器對氣象六要素的數據采集，并將采集的數據上傳到上位機軟件進行數據顯示及存儲。上位機軟件主要功能包括顯示和保存氣象六要素數據，有效地實現自動氣象站的數據實時顯示及存儲。

4.1 自動氣象站數據應用程序設計

自動氣象站系統實現對溫度、濕度、氣壓、雨量、風速、風向氣象六要素的數據采集、處理、通信和顯示。應用程序主要實現傳感器采集的數據通過相應的通信方式上傳到微處理器進行數據處理，再將處理后的數據通過RS232 或RS485 發送到上位機軟件進行顯示和存儲的功能。程序設計流程如圖14 所示。

圖14 程序設計流程圖

首先主控制器進行自檢，喂看門狗，然后進入主函數完成各個模塊的初始化設置；初始化完成后，進入主循環，開始啟動各個模塊的采集程序，此時通過I/O 口發送一個下降沿到控制超聲波傳感器的從控制器，超聲波傳感器啟動；溫濕壓模塊以及雨量模塊開始采集氣象數據并上傳相應的采集值，如果采集值有誤則程序跳轉到主循環開始，重新采集，采集完成后進入等待，等待超聲波數據上傳，超聲波數據全部上傳完成，所有數據統一進行打包，通過串口通信發送給到上位機軟件。

4.2 上位機軟件設計

該上位機系統的主要功能是接收自動氣象站下位機采集的六要素氣象數據，將數據實時顯示并保存，供用戶查詢和監測。上位機包括登錄界面和數據顯示界面，用戶通過登錄界面進入系統，數據接收顯示界面包括通信端口的初始化、儀器名稱的選擇、數據實時顯示、數據保存等模塊。

上位機通過無線數傳模塊與氣象要素探測系統通信，方便氣象要素的數據傳輸。界面內容包括串口參數設置、實時數據顯示、時間信息、歷史數據查詢及各功能按鍵，實現對氣象要素數據的接收及顯示等功能。數據在界面上實時顯示，在傳感器數據接口實時顯示當前的數據信息，并通過曲線進行數據分析，超過設定值預警指示燈提醒。數據采集界面如圖15 所示。

圖15 上位機界面

5 系統測試與分析

本文設計將壓電陶瓷傳感器安裝在鋼蓋中央，依次安裝雨量傳感器和超聲波傳感器四個探頭，傳感器安裝如圖16 所示。

圖16 傳感器安裝示意圖

雨量傳感器安裝在最上面，超聲波傳感器在雨量傳感器的下面，溫濕壓傳感器在超聲波傳感器下面的百葉內，外殼組裝時，上下殼之間加一層防水圈，防止海水進入設備內部對設備帶來的影響。最后固定百葉片。整機安裝如圖17 所示。

圖17 整機安裝實物圖

5.1 測試結果分析

經過測試，數據傳輸無異常，顯示正常無亂碼，間隔為1 次/10 s；讀溫濕度值正常，敲擊鋼蓋有雨量值顯示，顯示值與敲擊次數同比例上升，讀取氣壓值正常，風速風向值顯示正常，擾動后顯示值改變。

其中，以地址為“01”為例，發送16 進制命令“21 3F 0D 0A”，返回值格式為16 進制“01 0D 0A”，再發送16 進制命令“21 01 52 30 0D 0A”，返回值格式為字符串“R0，S ＝0.6，D ＝192.8，P ＝1 008.2，T ＝23.6，H＝79.4，R＝33.7”，以TXT 文件保存的數據如圖18 所示。

圖18 采集數據返回值

5.2 數據對比分析試驗

為了確保自動氣象站在海上長期工作的穩定性，按照氣象觀測規范的要求，通過試驗樣機與其他氣象站進行對比測試。

試驗設備包括一套自動氣象站樣機、一套維薩拉自動氣象站、一套長望自動氣象站、一臺電腦、三套數據采集軟件和一個220 V 轉12 V 開關電源，電源給測試的三套自動氣象站供電。

試驗天數為30 d，每天檢查開關電源的供電、觀看設備的運行狀態，對比數值的變化。由于測試時間比較長，保存的測試數據較多，本文針對試驗樣機、維薩拉自動氣象站和長望氣象站所測的六要素數據，從中選取13 天所測的數據，算出這13 天的日平均數據進行對比，繪制的各個要素對比測試曲線如圖19 所示。

圖19 各個要素對比測試曲線圖

通過為期一個月的試驗數據對比，設計的自動氣象站與其他兩套自動氣象站所測量的數據進行了對比，結論如下:

根據圖19(a)溫度曲線圖，可以看出，試驗樣機、維薩拉自動氣象站和長望氣象站三個氣象站溫度采集器在同一時刻所測的溫度值比較接近，試驗樣機和對比站相比，測量誤差均在±0.3 ℃以內。

根據圖19(b)濕度曲線圖，可以看出，三個氣象站的濕度采集器在同一時刻所測的濕度值比較接近，試驗樣機和對比站相比，測量誤差均在±3%RH以內。

根據圖19(c)大氣壓力曲線圖，可以看出，三個氣象站在同一時刻采集的大氣壓力值比較接近，試驗樣機和對比站相比，測量誤差均在±0.5 mbar 以內。

根據圖19(d)風向曲線圖，可以看出，三個氣象站在同一時刻采集的風向值比較接近，試驗樣機和對比站相比，測量誤差均在±3°以內。

根據圖19(e)風速曲線圖，可以看出，三個氣象站在同一時刻采集的風速值比較接近，試驗樣機和對比站相比，測量誤差均在±0.3 m/s 以內。

根據圖19(f)雨量曲線圖，可以看出，三個氣象站在同一時刻采集的雨量值比較接近。試驗樣機和對比站相比，測量誤差均在±4%以內。

通過每天檢查開關電源的供電和觀看設備的運行狀態，發現本設計的自動氣象站長期工作穩定性相對較好，對比測試數據可以看出，試驗樣機所測的六要素數據準確性較高，數據偏差均在合格范圍之內，測量結果也基本符合應用需求，因此本設計的自動氣象站穩定性和準確性都較好。

6 結語

針對海上復雜環境下氣象探測的需求，特別是對海上風速、風向測量，本文介紹了一款一體式、微型化艦載自動站系統，集溫度、濕度、大氣壓力、風向、風速、雨量六種氣象參數測量功能于一體，實現對六要素數據的采集、顯示和存儲，并通過上位機顯示。系統中的風速風向傳感器采用超聲波原理自主設計測量風速風向數據，在海上惡劣環境下能夠正常工作，與傳統機械式風速風向儀相比，具有磨損小、壽命長、響應快、抗干擾強等優點。本氣象站采用一體化設計，可降低機械復雜度，提高傳感器的抗風能力，具有較強的穩定性和可靠性，適用于海上環境的長期在線監測。