基于POE供电的超声波风速风向仪设计原理

季洪波，路 奔，刘玉来

（1.辽宁省本溪满族自治县水务局 本溪 117100；2.辽宁省农村水电及电气化发展中心 沈阳 110003；3.辽宁省本溪满族自治县松树台水力发电厂 本溪 117100）

在平静的空气中，声波的传播速度被在风方向上的空气流动所改变。如果风向和声波的传播方向相同，就会提高声波的传播速度，反之则会减小声波的速度。在一个固定的测量路径中，在不同的风速和风向上叠加而成的声波传播速度会导致不同的声波传播时间。二维超声波风传感器由4个超声波收发器组成，分为彼此垂直的两对。当开始测量时，在测量路径的四个方向上进行8组单独的测量，就可以在形成的矩形区域中获得风速的矢量值和风向的角度。

1 基于POE供电的超声波风速风向仪特点

由辽宁省本溪满族自治县水务局设计并研发的，基于POE供电的超声波风速风向仪，利用超声波的传输特性，实现三维空间的风速和风向测量，并为远程监测设备提供一种新型的供电方式，解决由于通讯和供电距离长而引起的线路复杂和通讯信号衰减等问题。设计可应用于水力发电系统的气象环境监测。

传统的风速、风向测试设备一般采用机械方式感测环境参数，机械设备的长期应用存在精度和使用寿命的降低的问题，且需定期频繁的进行维护。超声波测试设备的应用可以避免上述问题，并延长设备使用寿命，减少设备的维护次数。

环境参数监测中使用的气象站, 根据测量需要通常安置在与监控中心一定距离的位置上, 传统的供电和数据通讯方式受到通讯距离长度等因素的限制。因此，本设计的目的是探讨环境风速、风向的测量、测量信息的传输以及测量设备的供电最优设置的解决方案。

2 超声波测风速、风向及POE供电原理概述

POE（以太网供电）是一项电源和数据的技术。POE（以太网供电）技术允许在现有的五类线、超五类线和六类线网络上安全可靠地传输功率高达15W的48V电源，特别适合于通信方面的应用。例如，它可以用来为13W(在被供电设备侧测量)范围内的IP电话、WLAN接入点、网络摄像机和其他各类网络终端供电。以太网供电也被称为局域网供电，基于IEEE802.3af标准，设备测量数据通讯基于以太网传输，设备中MCU(Micro Controller Unit)及通讯单元使用以太网传输的电能。

该设备不采用机械传动方式采集环境风速和风向，以及供电及通讯共用以太网线路，安装方便、维护简单、测量准确，优点主要体现在以下方面：

（1）采用超声波装置采集环境风速和风向，延长了设备的使用寿命，提高了设备的测试精度，减少了设备的维护次数，降低了运行维护成本。

（2）LAN网络的应用提高了数据传输的及时性，可在用户端实时的检测环境参数的变化。

（3）使用POE供电，减少了供电线路的成本和维护周期，提高了设备使用的灵活性。

3 系统的主要组成单元及实现原理

3.1 基于POE供电的超声波风速风向仪的组成

图1 基于POE供电的超声波风速风向仪的组成原理框图

图2 平面风速的测量原理图

图3 POE供电单元的原理图

超声波风速风向仪的供电模块和通讯模块共用相同标准以太网通讯电缆。该装置的测控及供电模块共有8部分组成：RJ45连接座、POE供电控制器、 DC-DC模块、以太网控制器、MCU(Micro Controller Unit) 、驱动电路、超声波传感器、超声波接收放大电路，见图1。

3.2 系统各结构的实现原理

（1）平面风速的测量实现原理

测量原理如图2所示，该图可导出以下三个方程：

a1 + a2 = 60°

S/(V12+V风*cos a1)= t12

S/(V13+V风*cos a2)= t13

由该方程可以计算出平面内风的传播方向和传播速度。三维空间内的风速及风向测量，在上述计算过程中增加Z轴的矢量因子。

超声波风速风向仪是利用超声波在空气中传导速度受空气流动作用而改变的特性设计的，如果风向和声波的传播方向相同，就会提高声波的传播速度，反之则会减小声波的速度。在一个固定的测量路径中，在不同的风速和风向上叠加而成的声波传播速度会导致不同的声波传播时间。

超声波风速风向仪包含三个发送和接收一体的超声波传感器，实现三维空间内风速和风向的测量。图2中S1、S2、S3分别表示具有发送和接收功能的超声波传感器。测量过程中三组传感器中的一组交替发出228KHz的超声波信号，其余两组接收。由MCU(Micro Controller Unit)记录超声波在各个方向上的传播时间，并利用矢量和的方法计算出风的传播速度及传播方向。

测试仪具有环境温度测试单元，由此测量并补偿环境温度对超声波传播速度的影响。

（2）POE供电单元的实现原理

如图3所示，其中J101为集成有隔离变压器RJ45插座，U101为具有电源管理和控制功能的POE电源设备，该设备完全兼容IEEE802.3协议且具有过压、过热等保护功能。

图4 核心控制及测量数据传输原理图

POE供电控制器通过10/100/1000BASE-T以太电缆将输入的高电压转换成标准的低电压输出，优化了结构，缩小了封装，保持了高性能的特性，又大幅减少元器件用料和电路板面积。同时基于POE的超声波风速风向仪中的主控MCU可以根据控制信息调整超声波放大单元的工作特性，触发或停止超声波放大电路及超声波探头的工作状态。

如图4所示的MCU（U201）为混合信号系统级芯片，速度可达48MIPS、40个I/O口线，可同时使用硬件的SMBus、SPI和两个UART接口。U202是集成了IEEE802.3以太网媒体访问控制器（MAC）、10Base-T物理层（PHY）和8KB非易失性FLASH存储器的单芯片以太网控制器，具有完全兼容100/1000 BASE-T网络、全/半双工、自适应、自动极性检测和纠正、碰撞自动重发、自动填充和CRC生成、支持广播和多播MAC寻址等功能。采用以太网作为通讯数据及控制指令的传输媒介，POE供电的超声波风速风向仪中集成的以太网控制芯片，以动态网页或文件批量传输的形式传输监测数据及控制指令。

（3）可调节角度的机械结构原理

可调节的机械结构如图5所示，连接超声波探头的支撑导柱采用旋转调节支撑导柱8，基座5与旋转调节支撑导柱8之间采用密封垫7活动连接的结构形式。与基座5活动连接的旋转调节支撑导柱8的转动角度由导柱上的指针12及其所对应的基座5的刻度盘11上的起始刻度来显示，可以在基座5固定的条件下进行安装角度微调，从而避免了人工调节安装角度而引起的操作和测量误差。安装角度调整完毕即以基座5上的锁紧旋钮6对旋转调节支撑导柱8进行固定。胶圈3用于提高机械装置的防护性能，底部端盖4和胶圈3用于封闭控制电路板2所在基座5的内腔。超声波传感器10采用的三个具有发送和接收功能的超声波探头，分别通过旋转调节支撑导柱内腔1的连接导线与控制电路板2相连接，且使探头的发送和接收点在同一水平面上，彼此间相隔120度。

图5 机械结构图

4 应用情况

在实际应用中，由于基于POE供电的超声波风速风向仪采用了微调节支架，提高了调节精度可便利性，有效的降低了设备安装产生的误差。另外超声波技术的应用大大提高了水文气象监测的便利性，该风向仪无启动风速限制，360°操作，同时具备风速、风向、温度的测量，可全天候工作，不受暴雨、冰雪、霜冻、沙尘天气的影响。测量精度高，性能稳定，结构坚固，不会磨损，不易变形，使用寿命长。设计灵活、轻巧，携带轻便，安装、拆卸容易。信号接入方便，同时提供数字和模拟两种信号，兼容性强，可替代各类风速风向仪。免维护，不需现场校准。

5 结论

无人职守的小型水力发电站控制单元是具有信息采集、信息处理、信息传输以及指令执行和反馈的智能化系统，低维护甚至是免维护的设备应用也是该控制单元的设计和发展方向.基于POE技术的超声波风速风向仪，可广泛的应用在水文气象站的之中，提高气象监测的精确度，降低监控设备的维护频率，为合理调节水文状况提供准确的理论依据。

[1]胡萍. 超声波测距仪的研制[J]. 计算机与现代化, 2003,(7): 21～23.

[2]何希才. 传感器技术及应用[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2005.