基于时差法的物联网超声波测风系统
期刊: 《社会发展与科技创新》 DOI:10.64649/yh.shfzykjcx.2025070009 全文阅读 返回期刊
摘要
本研究设计并实现了一种高精度、无机械磨损的超声波风速风向测量系统，针对传统机械式风速风向仪存在的启动风速高、易受恶劣天气影响及存在机械磨损等问题，提出了基于时差法（ToF）的固态测量解决方案。在硬件设计方面，系统采用主从双机协同架构，主控芯片选用具备强大浮点运算与高速ADC采集能力的STM32L476RGT6，负责超声波信号的收发与数字信号处理（DSP）；通信网关搭载ESP32-C3 SuperMini芯片，专门负责物联网数据传输。在核心算法上，系统创新性地结合了自适应波形匹配（MSE算法）与线性插值过零检测技术，突破了传统阈值法的精度瓶颈，实现了微秒级的飞行时间测量精度[5]。此外，系统基于MQTT协议并引入双向SSL/TLS（mTLS）证书加密机制，实现了将包含风速、风向、声速等特征的JSON格式数据安全、低延迟地上云至EMQX企业级物联网平台。实验结果表明，该系统实现了对风速风向的非接触式、高频实时测量，有效提升了复杂环境下的气象监测精度，并显著增强了数据的云端互联与安全交互能力。
关键词
超声波风速仪；时差法；STM32主控；MQTT协议；物联网技术
参考文献
[1]刘小松,解晓冉,单泽彪,等.基于二次相关的超声波风速风向测量方法[J].仪器仪表学报, 2023, 44(4): 322-329.
[2]单泽彪,韩明轩,谢世娟,刘小松.基于二次相关的双阵元接收阵列超声波风矢量测量[J].电子测量与仪器学报, 2023, 37(8): 113-119.
[3]任晓晔,陈晓,郭妍.超声波测风换能器对风速的影响研究[J].电子测量技术, 2019, 42(7): 118-124.
[4]张捷光,齐文新,齐宇.三维超声波测风仪原理与应用[J].计算机与数字工程, 2013, 41(1): 124-126.
[5]曹长宏,蒋立辉.高精度超声波测风仪的设计[J].传感器与微系统, 2010, 29(2): 87-89.
[6]徐立强,郑贵林.超声波风速风向仪的研制[J].微计算机信息, 2009, 25(8): 92-93.
[7]罗中必.基于DSP的超声波风速风标测量系统研究[D].内蒙古科技大学, 2009.
[8]周立功,等. STM32微控制器应用开发实战[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2018.
[9]卢胜林,单泽彪,刘小松,等.基于ESB波束形成的超声波传感器风速风向测量[J].仪表技术与传感器, 2021(10): 115-119.