散射式无线能见度仪设计*

唐慧强, 张　耀

(南京信息工程大学 信息与控制学院, 江苏 南京 210044)



散射式无线能见度仪设计*

唐慧强, 张耀

(南京信息工程大学 信息与控制学院, 江苏 南京 210044)

摘要:设计了一种前向散射式高精度能见度仪。该能见度仪接收端采用光电传感器BPV10,将发射光在空气中的散射信号，并经过放大、滤波和A/D转换取得数字信号。系统采用TMS320X2812以提高系统终端数据处理速度，采用CC2530实现无线数据传输。实验结果表明：该系统精度高、使用维护方便,能够较好满足气象站的观测要求。

关键词:能见度； 散射信号； A/D转换； CC2530

0引言

大气能见度是气象观测的重要要素之一，对环境保护、交通运输等都有着重大影响[1]。随着全球大气污染日益严重,作为空气质量的直接表征,能见度日益引起人们的关注,不少地区和国家都把它作为空气污染的指标之一。近年来，雾霾天气的频繁出现，人们越来越需要一种能进行实时监测，高精度的能见度仪。

目前，国内市场上较为普遍的能见度仪主要是透射式、散射式和摄像式[2]。透射式是依据光辐射在大气传输过程中的透射率，换算大气消光系数，由于安装严格，基线长，主要用于机场等场所，而没有被广泛使用；散射式能见度仪通过检测光被大气粒子散射的状况来反演大气消光系数，并取得能见度值；摄像式能见度仪是通过图像处理技术识别检测目标来获取能见度值。

本文设计了一种无线前向散射式能见度仪，具有安装简便，精度高，易于实时观测等特点。

1能见度检测原理

散射式能见度仪是通过直接测量一个小的采样体积的散射光强来计算大气消光系数。散射式能见度测量方法是基于大气是匀质的、大气衰减系数σ等于大气中颗粒的散射系数、测量光强正比于散射仪的散射系数这三个假设[3]。前向散射能见度仪可采用透射式散射能见度计算公式，用被测的散射系数代替大气的消光系数。能见度可表示为

(1)

式中V为气象能见度，σ为大气消光系数，ε为观测员的视觉感阈(取0.05)，c为目标特性系数(黑体目标c=1)[4]。设目标为黑色物体，近似为黑体，则简化为

(2)

因此,只要测量出大气的消光系数，就能反演出能见度的值。

2电路硬件设计

2.1前向散射能见度仪的整体结构设计

前向散射能见度仪的光路如图1所示。

图1　前向散射能见度仪的光路图Fig 1　Light path diagram of forward scatter visibility instrument

前向散射能见度仪的电路由发射模块、接收模块、数据采集模块、A/D转换模块、数据处理和显示模块组成。系统整体结构框如图2所示。

图2　系统结构Fig 2　System structure

2.2发射电路设计

驱动电路采用恒流驱动。通过对DSP编程，端口输出频率为10 kHz，占空比为50 %的方波信号。通过图3的OPA357构成的电压/电流转换电路，可提供100 mA的恒流输出，可以直接驱动发光二极管。

图3　驱动电路Fig 3　Driver circuit

2.3接收电路设计

发光二极管发出的光照射到采样处空气时，由于空气中存在大量固体颗粒和水汽凝结物等杂质，会向四周散射，经过透镜聚焦到接收端光电二极管的滤光片上。接收端采用高速高敏感性的PIN光电二极管BPV10，适用于可见光和近红外辐射。将接收到的光信号转换成电信号，信号经过放大、滤波，A/D转换电路输出，通过主控芯片处理并显示。由于接收端散射信号比较微弱，背景光影响比较明显，为了降低噪声，采用多级滤波电路进行滤波。光电二极管采用光伏模式工作[5]。图4为信号接收电路图。

图4　接收端电路Fig 4　Receiving end circuit

因为接收端接收的散射信号经过滤波放大电路输出是交流信号，不能直接送到A/D转换电路，所以，采用模拟开关进行整流，模拟开关作用主要用于多路信号的切换。本文选用NC7SB3157是基于CMOS技术的一种高性能2∶1多路复用器。B1连接输出信号，B0连接到反相后的输出信号，在S端信号来源于发光二极管的发射信号，S为高电平时输出信号的正半周，低电平时输出信号的负半周的反相值，从而实现全波整流。图5为模拟开关原理图。

图5　模拟开关原理图Fig 5　Principle diagram of analog switch

2.4A/D转换电路

由于DSP自带的12位A/D转换器不能满足测量所需的精度要求，为了保证精度，采用TI公司的24位Δ—Σ型A/D转换器ADS1248。ADS1248是一种低功耗、高集成、高分辨、低噪声的24位A/D转换器。数据传输速率为2 kSPS，功耗仅为2.56 mW,具有完整的前端，板载集成了低噪声可编程增益放大器(PGA),PGA提供可选择的1～128的增益，同时可抑制50 Hz和60 Hz的信号干扰。经过整流的电信号送至A/D转换器ADS1248，转换成数字信号通过无线传输模块传送到上位机并显示。图6为A/D转换电路。

图6　A/D转换电路Fig 6　A/D conversion circuit

2.5数据通信电路

CC2530是基于2.4 GHz IEEE 802.15.4,Zig Bee和RF4CE上的一个片上系统解决方案，其特点是以极低的总材料成本建立较为强大的网络节点[6]。CC2530芯片结合了RF收发器，其中,RF内核控制模拟无线模块，另外,微处理器部分可以完成初步的数据处理。

3能见度仪的软件设计

系统采用整体结构化设计方法，在嵌入式系统中基于DSP使用C语言编程。程序中包括信号采集、数据通信等函数。图7为系统信号采集流程图。

图7　数据采集流程图Fig 7　Flow chart of data collection

数据采集函数主要负责采集光束通过采样面积处的散射光强度。通过检测接收端采集信号的强弱判断能见度的好坏，采集信号越强，能见度越差;反之，越好[7]。

CC2530构成的无线传感器网络中，主要负责无线数据传输和数据安全。系统每隔5 s完成对散射亮度进行采样、数据处理和传输，并进入到待机模式，以降低功耗。图8为无线通信部分流程图。

图8　无线通信流程图Fig 8　Flow chart of wireless communication

4能见度检测结果与分析

在晴朗天气，能见度比较高，散射光弱，从而接收到信号比较微弱，很容易淹没在噪声中。而在雾霾天气情况下，能见度低，散射光强，检测精度相对较高。此外，在光散射接收过程中，光辐射的衰减还与大气成分、环境温度、气压等气象条件有关。能见度测量结果如表1。

表1　能见度测量结果

5结束语

本文设计的一种基于前向散射式无线能见度仪，介绍了能见度仪的结构，对发射电路和信号接收电路进行了设计研究，采用CC2530模块构建无线传感器网络对数据进行传输。实验证明：该能见度仪稳定性好，测量误差相对较小，能够较好满足自动气象站和高速公路的检测要求。

参考文献:

[1]李彤.基于Arduino的便携式能见度仪的设计[D]南京:南京理工大学,2013:64-65.

[2]邓可,胡建平.基于红外散射原理的能见度仪设计[J].测控技术,2004(2):19-21.

[3]王海先.能见度仪在激光测距能力检测中的应用研究[J].舰船科学技术,2008(6):91-94.

[4]朱乐坤,李林.前向散射能见度仪校准技术[J].气象科技,2013(6):1003-1007.

[5]李佰鹤,魏计林,邱选兵,等.FBG传感器微弱信号预处理[J].电子科技,2013(1):45-48.

[6]李新慧,俞阿龙,潘迪.基于CC2530的水产养殖监控系统的设计[J].传感器与微系统,2013，32(3):85-88.

[7]宋毅,鲍恩波.基于Si4432的散射式大气低能见度仪设计[J].电子世界,2013(19):135-136.

唐慧强(1965-)，男，浙江嘉兴人，教授，博士生导师，主要研究方向为智能仪器与集成。

张耀，通讯作者，E—mal:690343901@qq.com。

Design of wireless scattering visibility meter*

TANG Hui-qiang, ZHANG Yao

(School of Information & Control,Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044,China)

Abstract:A high precision visibility meter based on forward scattering is designed by using photoelectric sensor.The receiver of visibility meter adopts photoelectric sensor BPV10,receive light scattering signals in air,after amplifying,filtering and A/D conversion to obtain digital signal.The system uses TMS320X2812,in order to improve data processing speed of system terminals,wireless data transmission is realized by using CC2530.Experimental results show that the system has advantage of high-precision,easy maintenance,and can meet requirements of meteorological observations.

Key words:visibility; scattering signal; A/D conversion; CC2530

作者简介:

中图分类号:TP 216

文献标识码:A

文章编号:1000—9787(2016)01—0121—03

*基金项目：国家重大科学仪器设备开发专项项目(2012YQ170003—5)

收稿日期：2015—03—16

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0121—03