采用无线技术监测天气状况

气象中心利用最新的无线技术监测异常多变的风况。

图1：互联网连接路径。气象中心扩展到显示节点37，它配备了风速计来测量风速。

明尼苏达州北部经历了各种各样的天气。空气温度范围从-40°F到100°F，包括几周零度以下的白天高点和风寒因素下降到-70°F以下。季节带来致命的暴风雪，令人印象深刻的雷暴和龙卷风，范围不到8.5小时到每天超过16小时的阳光，以及一系列风速，以补充这种可变的气候。这种独特的极端天气组合，以及展示无线连接的愿望（图1），促成了Digi-Key气象中心的创建（图2）。气象中心的一个组成部分是风速计，它可以跟踪平均风速和最近的阵风。

图2：Digi-Key气象中心。

选择能够承受明尼苏达州北部严酷天气而不会破坏银行的风速计是一项挑战。虽然声波风速计非常坚固，并具有无可否认的“极客”吸引力，但只要看一眼气象中心预算就会鼓励我们继续寻找另一种解决方案。经过深思熟虑和比较，选择并安装了APRS（aprsworld.com）的40R型（图3）。

图3：APRS＃40R Anemoter。 （由ARPS World，LLC提供）。

这款风速计采用三杯设计，带有干接触簧片开关，可感应旋转。簧片开关的输出频率与轴的旋转速度成比例。 Microchip PIC18LF14K22微控制器可轻松处理频率测量，平均和峰值速度计算以及通信。根据要求，数据通过PIC的UART发送到xBee Pro无线模块，该模块通过ZigBee网状网络将其传递到Digi Connectport X4无线网关。

网关定期组合来自每个传感器的信息，并通过Etherios服务器以XML文件的形式将其发送到Device Cloud上的数据库。 Etherios服务的Device Cloud存储数据，并通过各种显示机制（例如网页，移动设备应用程序，Google小工具等）按要求提供。

硬件设计

硬件设计风速计节点相当简单。该系统由铅酸电池供电，该电池由太阳能电池阵列充电。电源通过密封的Switchcraft电源插孔L712AS进入节点。另一个L712AS用于连接来自风速计的电缆。 V-Infinity DC/DC转换器V7803-500用于提供3.3 V的稳压，这是PIC和xBee所要求的。为了保护微控制器和xBee不受元件影响，使用了Bud Industries的铝制NEMA 4级外壳（NBA-10148）。图4显示了风速计电路的示意图。

风速计固定在钢桅杆上，钢桅杆连接到气象中心框架或“树”（称为“树”，因为它与每个新传感器一起生长）。风速计的旋转部分包含四个磁体，每个磁体在旋转时闭合单个簧片开关触点。簧片开关连接到PIC的引脚RA2，其配置为实现电平变化中断（IOC）功能。当RA2引脚切换时，中断服务程序处理程序会增加脉冲计数。在定义的时间段内的IOC中断的数量用于计算风速。以下是APRS为40 R风速计提供的传递函数：

MPH =（Hz * 0.857）+ 0.725

m/s =（Hz * 0.383）+ 0.324

km/h =（（Hz * 0.383）+ 0.324）* 3.6

PIC的定时器零点配置为三秒钟。每三秒钟，触发定时器中断，将计数保存到一组风速样本中，并丢弃最旧的样本。电平变化中断和定时器零配置为高优先级中断。或者，UART通信配置为低优先级中断，因此不会忽略任何引脚更改或定时器中断。

图4：气象中心风速计电路的详细示意图。

最终结果

ZigBee网络上的每个传感器模块都由其节点识别number（Node_x）。每个节点可以连接任意数量的传感器。传感器节点收集的数据被格式化为预定义的数据串。此数据字符串以连接到传感器节点的传感器数量开始，然后是测量类型，并完成传感器的数据。在该示例中，风速计是连接到传感器节点的唯一传感器，导致数据串以“1”开始，接着是“W”，表示风速。以下是传感器节点针对平均风速和自上次轮询以来的峰值阵风收集的最新数据。一个正确的Node_37数据字符串如下所示：“1W011015”，转换为1个传感器，传输平均风速为11 Km/h，风速为15 Km/h。一旦网关收到此字符串，就会解析此字符串并存储数据，直到启动定期XML上载。