基于风压力检测的机场跑道风速风向测量系统设计

张同杰　顾俊林　肖洋　邹艳

摘要：飞机起飞和降落的过程中，风会影响飞机的姿态角、飞行速度和滑行距离。若不能掌握实时风速和风向，则会导致飞机冲出跑道等意外情况而造成事故。本文设计了一种基于风压力检测的风速风向测量系统，通过对来自不同方向的风压力信号进行处理得到实际风速及风向，再通过ZigBee无线网络传输至服务器，及时的向飞行管理部分提供风速、风向数据，从而为其决策和相应提供帮助。

关键词：机场跑道;风压力;风速风向;ZigBee

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）02-0134-02

0 引言

保障机场地面飞机运行的安全性是民航业的重中之重。对于飞机飞行安全来说，最危险的时段就是飞机的起飞和着陆阶段。其中，该阶段最大的影响因素是机场的地面风[1]。飞机在机场起飞或者降落时，地面的风速和风向不仅影响到飞机运行的平稳性，还影响到飞机在跑道上滑跑距离的长短，从而直接关系到整个飞行活动的安全性。

目前，机场常用风向袋来估计风速，这种方法的测量精度较差、自动化程度低，实际使用不便。针对该问题，本文设计了一种基于风压力检测的风速风向测量系统。采用全桥式压力传感器采集风力数据转换成实时风速风向，并通过无线传输至监测台服务器。相比于肉眼观察风速袋的方式更加方便且高效。

1 风速风向测量原理

本文提出了一种基于压力传感器的风速风向测量方法，测量系统的原理如图1所示。

通过安装在四个不同方向上的挡风板将风速转换为风压力，再通过与之连接的压力传感器的形变量将风压力转换成电压信号。在此基础上，对风速的测量可通过标定风速和电压的关系，并经由单片机结合相应算法处理来实现。对于风向值的确定，可以根据力的合成原理，将四个挡风板中受力最大的两个方向的风压力进行合成，得到实际风向角度。

2 系统方案设计

本系统以Arduino mega2560为控制核心，其具有54路的数字输入输出。其余部分主要由压力采集电路、无线传输电路和上位机组成，具体如图2所示。

2.1 压力采集电路

压力采集电路由压力传感器和A/D转换电路组成。其中，压力传感器结构如图3所示。

将4个阻值为1kΩ的应变片粘贴在铝材料块上。风压作用下铝材发生形变，应变片也随之发生形变，导致其阻值发生变化。4个应变片组成了惠斯通电桥，根据电桥特点，即使应变片形变很微弱，也能通过阻值的变化反映出来，因此可以保证较高的灵敏度[2]。另外，对于惠斯通电桥本身的温度漂移问题，由于4个应变片的阻值变化大致相似，在温度变化影响阻值时，其影响便可以相互抵消[3]。当挡风板受到风压力时，应变片会随铝材发生形变，导致R1、R2、R3、R4的阻值发生变化，进而使压力传感器输出的电压产生变化。电压的变化经由A/D转换芯片HX711转变为数字信号发送给Arduino Mega2560控制板，再采用相应算法即可得到风速风向等信息。

2.2 无线传输电路

本文采用ZigBee来搭建系统的无线传输网络，如图4所示。以在网络中的不同功能将ZigBee模块分为三类：终端节点、中继器和网络协调器。终端节点与Arduino Mega2560连接，通过串口接收风速风向信息后发送给中继器。中继器将数据发送给更上一级中继器，通过这种逐级上传的方式将数据最终传递至网络协调器，并在上位机上进行显示。

2.3 上位机

通过串口通信将ZigBee网络协调器接收到的数据信息传输给上位机，并进行显示。本系统上位机显示界面通过VB语言设计，如图5所示。

3 系统搭建及实验验证

搭建的系统实物如图6所示。

通过实验，将本系统实际测量数据与PM6252型风速计测量数据进行对比，结果如表1所示。由实验结果可知，本系统风速测量精度可达±0.3m/s，可以准确判断当前的风级，基本可以满足机场跑道的风速测量需求。

4 结语

本文设计了一种基于风压力检测的机场跑道风速风向测量系统，可以通过测量来自不同方向的风压力来得到实际风速及风向。实验结果表明系统测量精度基本满足机场跑道的风速测量需求。另外，由于采用ZigBee构成了无線传输网络，测量节点可采用多点分布式安装实现大范围空间内多点风速风向的快速精确测量，使用灵活便捷，应用前景广泛。

参考文献

[1] 张朝光.地面风对飞机起落的影响[J].气象，1976，2（6）：14-14.

[2] 周振.基于MEMS悬臂梁压阻桥式传感器的检测仪的研制[D].中北大学，2012.

[3] 程军.基于惠斯通电桥传感器的温度补偿方法[J].仪器仪表与分析监测，2010（4）：10-13.

Design of Runway Wind Speed and Direction Measurement

System Based on wind Pressure Detection

ZHANG Tong-jie，GU Jun-lin，XIAO Yang，ZOU Yan

（Civil aviation university of China School of electronic information and automation，Tianjin  300300）

Abstract：during the takeoff and landing of an aircraft， wind will affect the attitude Angle， flight speed and taxi distance of the aircraft. Failure to control the real-time wind speed and direction will result in an accident such as an aircraft running off the runway. This paper designed a kind of wind speed and direction measurement system based on the wind pressure detection， based on the wind pressure signal processing from different directions to get the actual wind speed and direction， again by ZigBee wireless network transmission to the server， timely provide wind speed， wind direction to the flight management part of the data， which provide help for the decision-making and the corresponding.

Key words：airport runway; the wind pressure; wind speed and direction; ZigBee