马晓明
【摘要】随着科技的发展，超声波测量风速风向逐渐替代原始的三杯式测量。本文介绍了三种超声波测量风速风向的方法。它们都可以测量平面内任意方向的风速风向，但是其精确度略有不同。
【关键词】超声波;风速;风向
目前国内外风速风向传感器可以分为三类。第一类为螺旋桨式传感器，第二类为三杯式测量风速、单翼式测量风向的传感器，第三类为超声波传感器。其中超声波传感器测量与其他两类相比具有其独特的优点：它没有机械转动部件，不存在磨损问题;超声波频率快，测量精度高等。
1.超声波测量风速的基本原理
超声波在空气中传播时，顺风与逆风方向传播存在一个速度差，当传播固定的距离时，此速度差反映成一个时间差，这个时间差与待测风速具有线性关系[1]。
对于特定方向的风速测量，可以采用一对收发一体的超声波传感器，保持传感器距离不变，按特定方向放置，以固定频率发射超声波，通过测量两个方向上超声波到达时间，即可得到超声波在顺风和逆风下的传播速度，经过系统处理计算即可得到风速值。
图1 超声波检测风速原理
如图1所示，假设传感器1到传感器2的方向为风向，两超声波传感器距离为d，超声波由传感器1到传感器2的时间的t12，传感器2到传感器1的时间为t21，风速为V，超声波传播速度为Vu，那么可以得到：
从而 （1）
从式中可以看出风速的测量没有包含影响风速测量的超声波传输速度Vu（不同环境下数值不同），即避免了温度等其他因素对系统测量精度的影响。
图2 垂直放置方法检测原理
2.超声波测量风向的三种方法
2.1 垂直放置方法
如图2所示，设两对超声波传感器距离均为d，x轴方向的传输时间分别为t12和t21，y轴方向的传输时间分别为t34和t43，风速为V，x轴方向的风速为Vx，y轴方向的风速为Vy，超声波传播速度为Vu。根据公式（1）可得：
x轴方向的风速，y轴方向的风速
风速
设x轴正方向为0o，角度按逆时针方向增大，则风向：
化简并求反函数：
随着风向的变化，可得某时刻风向为：
图3 中心发射放置方法检测原理 圖4 等边三角放置方法检测原理
2.2 中心发射放置方法
如图3所示，中心位置超声波传感器发射部件与其他四个接收部件的距离均为d，发射部件传输到接收部件1至4的时间分别为t1、t2、t3和t4。此方法与垂直放置方法的计算方式相同，因此我们可以直接得到：
风速
随着风向的变化，某时刻的风向为：
2.3 等边三角放置方法
如图4所示，设超声波传感器距离为d，传感器1到传感器2的传播时间为t12，传感器2到传感器3的传播时间为t23，传感器3到传感器1的传播时间为t31。风速为V，超声波速度为Vu，此时风速与x轴的夹角为θ。
我们可以得到：
化简可得：
由式可得：
3.超声波测量风速风向系统设计
3.1 硬件设计
硬件我们采用HC-SR04超声波模块和S3C2440处理器进行连接。HC-SR04超声波模块可提供范围2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达到3mm，模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。超声波模块包含四个引脚，其中VCC连接开发板的5V电源接口，GND为地线，TRIG触发控制信号输入，ECHO回响信号输出，TRIG和ECHO均连接开发板GPIO接口。超声波传感器根据测量方法采用合适的数量和位置，其输入输出控制也要根据具体情况进行设计，垂直方法输入输出同时工作;中心发射方法中心位置的传感器朝四个方向发射不接收，四个方向的传感器接收不发射;三角放置方法输入输出同时工作，但要保证60o角。
3.2 软件设计
软件基于Linux平台进行程序开发，通过Qt实现了软件界面化，程序流程如图5所示。
设计原理为利用单片机产生信号，经放大后驱动传感器发射超声波，等待接收信号，单片机通过计时器对发射时间和接收时间进行判断，计算出传播时间，通过分析处理计算出风速风向值，最后将结果传输给开发板显示单元。
4.三种测试方法的比较
超声波传播速度Vu易受空气温度影响，三种测试方法的共同点是避免了不同环境下超声波传播速度的不同对系统测量精度造成的影响[2]。其中垂直放置方法实现简单方便，计算量小，缺点是同一方向上同时发射两条超声波，会对测量精度产生影响。中心发射方法与垂直放置方法类似，但是同一时间某段距离只有一条超声波传播，测量精度最高，缺点是传感器需求较多，增加了硬件成本。而三角放置方法同一时间具体方向只有一条超声波传播，消除了两条超声波在一个方向上同时传播对测量结果造成的影响，同时传感器需求最少，缺点是计算量最大，硬件初始设计时对传感器位置要求严格，否则产生的误差最大。
5.结论
三种超声波测量风速风向的方法都实现了对风速风向的测量，达到了系统设计的目的。三种方法都有其优缺点，根据需求的不同选用合适的风速风向测量方法，对风速风向的测量具有参考意义。
参考文献
[1]金晶，唐慧强.基于ARM的超声波风速检测系统设计[D].南京：南京信息工程大学，2005.
[2]TANG Huiqiang，HUANG Weiyi，LI Ping，et al.Utrasonic wind velocity measurement based on DSP[J].J Southeast University，2005（1）：21-23.
