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基于无线网络的风速风向测量系统设计研究

作　者: 陈康奇
导　师: 唐慧强
学　校: 南京信息工程大学
专　业: 系统分析与集成
关键词: 交通气象站 风速 ZigBee 无线传感网络
分类号: P414.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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引　用: 3次
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内容摘要


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Atmega128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。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-7
第一章 绪论  7-13
  1.1 前言  7
  1.2 研究背景及意义  7-8
  1.3 国内外研究现状及主要的测风原理  8-11
    1.3.1 机械式原理  9
    1.3.2 热线式原理  9-10
    1.3.3 压力式原理  10
    1.3.4 超声波式原理  10-11
    1.3.5 激光式原理  11
  1.4 本文主要研究内容  11-13
第二章 ZigBee网络及其检测系统集成  13-19
  2.1 ZigBee网络的主要特点  13-14
  2.2 ZigBee网络通信协议  14-15
  2.3 ZigBee网络结构  15-17
    2.3.1 ZigBee网络设备  15-16
    2.3.2 ZigBee网络拓扑  16-17
  2.4 基于ZigBee的系统集成  17-19
第三章 风速测量原理研究及系统设计  19-25
  3.1 系统需求分析  19
  3.2 测量原理分析  19-23
    3.2.1 理论模型  20-21
    3.2.2 测量方法研究  21-23
  3.3 测风传感器的设计  23-25
第四章 系统硬件设计  25-44
  4.1 无线处理器电路设计  25-31
    4.1.1 微处理器ATmega128L  25-28
    4.1.2 射频芯片CC2420  28-29
    4.1.3 ATmega128L和CC2420的连接  29-31
  4.2 外围电路设计  31-41
    4.2.1 差压传感器电路设计  31-33
    4.2.2 模数转换电路设计  33-34
    4.2.3 温度传感器电路设计  34-35
    4.2.4 气压传感器电路设计  35-37
    4.2.5 串口通信电路设计  37-38
    4.2.6 JTAG接口电路设计  38
    4.2.7 LCD显示电路设计  38-39
    4.2.8 电源电路设计  39-40
    4.2.9 时钟电路和复位电路设计  40-41
  4.3 PCB设计  41-44
第五章 系统软件设计  44-60
  5.1 开发环境  44
  5.2 总体软件结构  44-45
  5.3 数据采集程序设计  45-57
    5.3.1 差压采集程序  45-47
    5.3.2 温度采集程序  47-50
    5.3.3 差压传感器非线性校正  50-51
    5.3.4 气压采集程序  51-53
    5.3.5 串口通信模块程序设计  53-54
    5.3.6 液晶显示程序  54-57
  5.4 无线传感网络软件设计  57-60
    5.4.1 CC2420的寄存器简介  57
    5.4.2 CC2420的启动和初始化  57-58
    5.4.3 CC2420发送和接收数据  58-60
第六章 基于神经网络的风速风向检测研究  60-69
  6.1 BP网络模型  60-62
    6.1.1 BP网络结构  60-61
    6.1.2 BP网络的学习过程  61-62
  6.2 风速风向的训练和检测  62-66
  6.3 数据通信及风速风向检测软件  66-69
    6.3.1 MATLAB与单片机的数据通信  66-67
    6.3.2 MATLAB GUI界面设计  67-69
第七章 总结与展望  69-70
参考文献  70-72
致谢  72-73
附录  73-74
硕士在读期间发表的论文清单  74

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中图分类: > 天文学、地球科学 > 大气科学（气象学） > 大气探测（气象观测） > 大气探测仪器及设备 > 测风仪器
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