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专利名称：基于poe技术的超声波风速风向仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种超声波风速风向仪，特别是一种可实现三维空间内风速风向测量 的基于POE (Power over Ethernet,以太网供电或网线供电)技术的超声波风速风向仪。 它摒弃了传统的以机械传动感知风向风速、复杂的数据传输和供电方式。
背景技术：
目前，现有的风速、风向仪主要有机械传动风速风向仪，如公告号为CN2708333Y 记载的"风向风速仪"、热敏式风速仪，如公告号为CN86205994U记载的"微风速仪"和超 声波风速风向仪，如专利公开号为CN101236213A记载的"超声波风速仪及运用超声波测 量风速和风向的方法"等。其中，机械式风速风向测试设备一般采用机械传动形式感测环 境参数，机械设备的长期应用存在精度和使用寿命降低的问题，且需定期频繁的维护；热 敏式风速仪受环境温度影响较大，适合测试低速风；虽然现有的超声波风速风向仪的应用 可以避免上述问题的存在，延长设备使用寿命，减少设备的维护次数，但是环境参数监测 中使用的气象站，根据其测量需要通常安置在与监控中心具有一定距离的位置上，该设计 的供电和数据通讯方式受到通讯距离长度等因素的限制，需要另外铺设设备供电线缆。另 外，在超声波风速仪安装过程中，需要进行精确的方向定位，在测试结果校准过程需要多 次对超声波风速仪的安装角度进行微调，这种基座和支撑导柱固定连接的结构，就需要预 先反复的调整超声波风速仪的装置，不仅操作误差较大，又费工、费时。
POE技术是一项使用LAN (Local Area Network,局域网)接口来同时传输电源和数 据的成熟技术，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。但迄今为止还未发现基于POE技术感知 风向风速的测量仪。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种基于POE技术的超声波风速风向仪，其解决了现有技术 中存在的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，将采集风速和风向 以及供电和通讯共用以太网线路，结构设计合理，安装、调试、维护操作比较简便、调整 容易，省工、省时，可实现长距离安装及通讯的三维空间的风速和风向测量，为远程监测 设备提供全新的供电方式，有效地降低了安装工艺的复杂程度，并提高了测量精度。
本实用新型所采用的技术方案是基于POE技术的超声波风速风向仪包括基座、组 装其上的支撑导柱、利用支撑臂连接在支撑导柱上部的超声波传感器、固定在基座内的控制电路板及其超声波控制回路，其技术要点是所述超声波传感器采用三个具有发送和接 收功能的超声波探头，所述超声波控制回路中的数据通讯单元的主控MCU的方波输出端 口分别通过驱动变压器、选通开关连接风速风向数据采集单元的所述超声波探头，以太网
接口芯片利用RJ45插座连接供电单元的POE电源控制器芯片，所述以太网接口芯片与所 述主控MCU的并行数据接口相连，并通过局域网通信和供电，所述POE电源控制器芯 片工作电源端连接备用电池，用于连接所述风速风向数据采集单元的超声波探头的所述支 撑导柱采用旋转调节支撑导柱，所述基座与所述旋转调节支撑导柱活动连接，并以所述基 座上的锁紧旋钮对所述旋转调节支撑导柱进行固定。
所述与基座活动连接的旋转调节支撑导柱的转动角度由导柱上的指针及其所对应的 基座的刻度盘上的起始刻度来显示。
所述超声波传感器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 支撑导柱内腔的连接导线与所述控制电路板相连接，且使所述探头的发送和接收点在同一 水平面上，彼此间相隔120度。
所述主控MCU实时产生的方形脉冲信号经由所述选通开关轮流触发三个超声波探 头中的一个作为超声波发送传感器，其它两个作为超声波接收传感器。
本实用新型具有的优点及积极效果是由于该超声波风速风向仪采用成熟的POE技 术，超声波控制回路中的数据通讯单元的以太网接口芯片利用RJ45插座连接供电单元的 POE电源控制器芯片，以太网接口芯片与主控MCU的并行数据接口相连，并通过局域网 通信和供电，将采集风速和风向以及供电和通讯共用以太网线路，其结构设计合理，所以 解决了现有技术中存在的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，提 高了测量精度，节省了管线铺设的费用和工时。这既为远程监测设备提供了全新的供电方 式，也实现了长距离安装及通讯的三维空间的风速和风向测量。因其支撑导柱釆用旋转调 节支撑导柱，基座与旋转调节支撑导柱活动连接，在基座固定的条件下可以进行安装角度 的调整，故安装、调试、维护的操作较简便、快捷，避免了人工调节安装角度而引起的操 作和测量误差。以下结合附图对本实用新型作进一步描述。


图1是本实用新型的一种具体结构示意图。
图2是图1的俯视图。
图3是图1的左视图。
图4是本实用新型的一种工作原理框图。
图中序号说明l旋转调节支撑导柱内腔、2控制电路板、3胶圈、4底部端盖、5基座、6锁紧旋钮、7胶圈、8旋转调节支撑导柱、9支撑臂、IO超声波传感器、ll刻度盘、 12指针、13 RJ45插座J101、 14 POE电源控制器芯片U101、 15备用电池B101、 16运 放电路U301、 17运放电路U302、 18运放电路U303、 19超声波探头S303、 20超声波 探头S302、 21超声波探头S301、 22驱动变压器T401、 23主控MCUU201、 24环境温 度测试单元SIOI 、 25以太网接口芯片U202。
具体实施方式

根据图1 3详细说明本实用新型的具体结构，该基于POE技术的超声波风速风向仪 采用以太网作为通讯数据及控制指令的传输媒介，它包括基座5、组装基座5上的支撑导 柱、利用支撑臂9连接在支撑导柱上部的超声波传感器10、固定在基座5内的控制电路 板2及其超声波控制回路等。其中超声波控制回路是由风速风向数据采集单元、数据通讯 单元、供电单元和利用RJ45插座13连接的局域网及通过与其相匹配的常用电子元件等 组成的控制回路。
风速风向数据采集单元是采用具有发送和接收功能的超声波传感器10，本实施例采 用三个具有发送和接收功能的超声波探头(S303) 19、超声波探头(S302) 20、超声波 探头(S301) 21，来测量三维空间的风速和风向。用于连接超声波探头19、 20、 21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之间采用通过密封垫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。其可以在基座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19、 20、 21，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。
数据通讯单元由RJ45插座13连接的局域网的以太网接口芯片(U202)25、主控MCU (U201) 23及其控制的环境温度测试单元(S101) 24、驱动变压器(T401) 22、运放电 路(U301) 16、运放电路(U302) 17、运放电路(U303) 18等组成。U202是集成了 IEEE 802.3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100/1000ASE-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校验；支持广播和多播MAC寻 址等功能；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。J101为集成有 隔离变压器的RJ45插座。主控MCU23为该超声波风速风向仪的核心单元，其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。可以通过硬件调试接口实现软件程序的在系统调试。主控MCU23通过常 用的环境温度采集单元24实时的釆集测试环境温度，并用其补偿到超声波传播速度的变 化。主控MCU23的方波输出端口通过驱动变压器22、选通开关分别连接超声波探头19、 20、 21。主控MCU 23实时产生的方波信号经过驱动变压器22后驱动超声波传感器10 进行超声波信号的发送、接收。主控MCU23通过以太网接口芯片25进行测试数据和控 制指令的发送和接收。
该超声波风速风向仪利用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。测量过程中，主控MCU23下达选通指令决定由超声波探头21进行超声波信号的 发送，另外两个超声波传感器20和19则被选通为超声波信号的接收器，接收到的信号经 过放大电路17和18后到达主控MCU 23的输入端，主控MCU 23计算超声波信号从发 送到接收过程的时间并进行记录，然后轮换选通三个超声波探头19、 20、 21，并重复上 述测试过程。由主控MCU23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 计算出三维空间内的风的传播速度及传播方向。
供电单元由POE电源控制器芯片(U101) 14、备用电池(B101) 15及DC-DC转换电路 等组成。U101为具有电源管理和控制功能的POE电源控制器芯片，其完全兼容IEEE802.3 协议且具有过压、过热等保护功能。以太网接口芯片25利用RJ45插座13连接供电单元 的POE电源控制器芯片14，以太网接口芯片25与主控MCU23的并行数据接口相连，并 通过局域网通信和供电。POE电源控制器芯片14的工作电源端连接备用电池15,备用电 池15为POE电源控制器14供电。POE电源控制器14通过RJ45插座13将以太网上的 电能转换成设备工作电压输送给各基本单元。POE电源控制器14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，縮小了封装，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运放电路16、 17、 18的工作特性，触发或 停止超声波探头19、 20、 21的工作状态。
权利要求1、一种基于POE技术的超声波风速风向仪，包括基座、组装其上的支撑导柱、利用支撑臂连接在支撑导柱上部的超声波传感器、固定在基座内的控制电路板及其超声波控制回路，其特征在于所述超声波传感器采用三个具有发送和接收功能的超声波探头，所述超声波控制回路中的主控MCU的方波输出端口分别通过驱动变压器、选通开关连接风速风向数据采集单元的所述超声波探头，数据通讯单元的以太网接口芯片利用RJ45插座连接供电单元的POE电源控制器芯片，所述以太网接口芯片与所述主控MCU的并行数据接口相连，并通过局域网通信和供电，所述POE电源控制器芯片工作电源端连接备用电池，用于连接所述风速风向数据采集单元的超声波探头的所述支撑导柱采用旋转调节支撑导柱，所述基座与所述旋转调节支撑导柱活动连接，并以所述基座上的锁紧旋钮对所述旋转调节支撑导柱进行固定。
2、 根据权利要求l所述的基于POE技术的超声波风速风向仪，其特征在于所述与 基座活动连接的旋转调节支撑导柱的转动角度由导柱上的指针及其所对应的基座的刻度 盘上的起始刻度来显示。
3、 根据权利要求l所述的基于POE技术的超声波风速风向仪，其特征在于所述超 声波传感器釆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 腔的连接导线与所述控制电路板相连接，且使所述探头的发送和接收点在同一水平面上， 彼此间相隔120度。
4、 根据权利要求l或3所述的基于POE技术的超声波风速风向仪，其特征在于所 述主控MCU实时产生的方形脉冲信号经由所述选通开关轮流触发三个超声波探头中的 一个作为超声波发送传感器，其它两个作为超声波接收传感器。
专利摘要一种基于POE技术的超声波风速风向仪，其将采集风速和风向以及供电和通讯共用以太网线路，它包括基座、支撑导柱、超声波传感器及其超声波控制回路，其技术要点是采用三个具有发送和接收功能的超声波探头，超声波控制回路中的主控MCU的方波输出端口分别通过驱动变压器、选通开关连接超声波探头，以太网接口芯片利用RJ45插座连接POE电源控制器芯片，并通过局域网通信和供电，基座与支撑超声波探头的旋转调节支撑导柱活动连接。结构设计合理，安装、调试、维护操作简便、调整容易，可实现长距离安装及通讯的三维空间的风速和风向测量，为远程监测设备提供全新的供电方式，有效地降低了安装工艺的复杂程度，并提高了测量精度。
文档编号G01P5/18GK201331540SQ200820232308
公开日2009年10月21日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者刘玉来, 刘翔宇, 孙方亮, 季洪波, 张利斌, 辉 彭, 鑫 胡, 郭玉岩, 马晓杰 申请人:本溪满族自治县小水电管理站