氣象中心利用最新的無線技術(shù)監(jiān)測異常多變的風(fēng)況。

圖1：互聯(lián)網(wǎng)連接路徑。氣象中心擴(kuò)展到顯示節(jié)點37，它配備了風(fēng)速計來測量風(fēng)速。

明尼蘇達(dá)州北部經(jīng)歷了各種各樣的天氣。空氣溫度范圍從-40°F到100°F，包括幾周零度以下的白天高點和風(fēng)寒因素下降到-70°F以下。季節(jié)帶來致命的暴風(fēng)雪，令人印象深刻的雷暴和龍卷風(fēng)，范圍不到8.5小時到每天超過16小時的陽光，以及一系列風(fēng)速，以補(bǔ)充這種可變的氣候。這種獨特的極端天氣組合，以及展示無線連接的愿望（圖1），促成了Digi-Key氣象中心的創(chuàng)建（圖2）。氣象中心的一個組成部分是風(fēng)速計，它可以跟蹤平均風(fēng)速和最近的陣風(fēng)。

圖2：Digi-Key氣象中心。

選擇能夠承受明尼蘇達(dá)州北部嚴(yán)酷天氣而不會破壞銀行的風(fēng)速計是一項挑戰(zhàn)。雖然聲波風(fēng)速計非常堅固，并具有無可否認(rèn)的“極客”吸引力，但只要看一眼氣象中心預(yù)算就會鼓勵我們繼續(xù)尋找另一種解決方案。經(jīng)過深思熟慮和比較，選擇并安裝了APRS（aprsworld.com）的40R型（圖3）。

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

這款風(fēng)速計采用三杯設(shè)計，帶有干接觸簧片開關(guān)，可感應(yīng)旋轉(zhuǎn)。簧片開關(guān)的輸出頻率與軸的旋轉(zhuǎn)速度成比例。 Microchip PIC18LF14K22微控制器可輕松處理頻率測量，平均和峰值速度計算以及通信。根據(jù)要求，數(shù)據(jù)通過PIC的UART發(fā)送到xBee Pro無線模塊，該模塊通過ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)將其傳遞到Digi Connectport X4無線網(wǎng)關(guān)。

網(wǎng)關(guān)定期組合來自每個傳感器的信息，并通過Etherios服務(wù)器以XML文件的形式將其發(fā)送到Device Cloud上的數(shù)據(jù)庫。 Etherios服務(wù)的Device Cloud存儲數(shù)據(jù)，并通過各種顯示機(jī)制（例如網(wǎng)頁，移動設(shè)備應(yīng)用程序，Google小工具等）按要求提供。

硬件設(shè)計

硬件設(shè)計風(fēng)速計節(jié)點相當(dāng)簡單。該系統(tǒng)由鉛酸電池供電，該電池由太陽能電池陣列充電。電源通過密封的Switchcraft電源插孔L712AS進(jìn)入節(jié)點。另一個L712AS用于連接來自風(fēng)速計的電纜。 V-Infinity DC/DC轉(zhuǎn)換器V7803-500用于提供3.3 V的穩(wěn)壓，這是PIC和xBee所要求的。為了保護(hù)微控制器和xBee不受元件影響，使用了Bud Industries的鋁制NEMA 4級外殼（NBA-10148）。圖4顯示了風(fēng)速計電路的示意圖。

風(fēng)速計固定在鋼桅桿上，鋼桅桿連接到氣象中心框架或“樹”（稱為“樹”，因為它與每個新傳感器一起生長）。風(fēng)速計的旋轉(zhuǎn)部分包含四個磁體，每個磁體在旋轉(zhuǎn)時閉合單個簧片開關(guān)觸點。簧片開關(guān)連接到PIC的引腳RA2，其配置為實現(xiàn)電平變化中斷（IOC）功能。當(dāng)RA2引腳切換時，中斷服務(wù)程序處理程序會增加脈沖計數(shù)。在定義的時間段內(nèi)的IOC中斷的數(shù)量用于計算風(fēng)速。以下是APRS為40 R風(fēng)速計提供的傳遞函數(shù)：

MPH =（Hz * 0.857）+ 0.725

m/s =（Hz * 0.383）+ 0.324

km/h =（（Hz * 0.383）+ 0.324）* 3.6

PIC的定時器零點配置為三秒鐘。每三秒鐘，觸發(fā)定時器中斷，將計數(shù)保存到一組風(fēng)速樣本中，并丟棄最舊的樣本。電平變化中斷和定時器零配置為高優(yōu)先級中斷。或者，UART通信配置為低優(yōu)先級中斷，因此不會忽略任何引腳更改或定時器中斷。

圖4：氣象中心風(fēng)速計電路的詳細(xì)示意圖。

最終結(jié)果

ZigBee網(wǎng)絡(luò)上的每個傳感器模塊都由其節(jié)點識別number（Node_x）。每個節(jié)點可以連接任意數(shù)量的傳感器。傳感器節(jié)點收集的數(shù)據(jù)被格式化為預(yù)定義的數(shù)據(jù)串。此數(shù)據(jù)字符串以連接到傳感器節(jié)點的傳感器數(shù)量開始，然后是測量類型，并完成傳感器的數(shù)據(jù)。在該示例中，風(fēng)速計是連接到傳感器節(jié)點的唯一傳感器，導(dǎo)致數(shù)據(jù)串以“1”開始，接著是“W”，表示風(fēng)速。以下是傳感器節(jié)點針對平均風(fēng)速和自上次輪詢以來的峰值陣風(fēng)收集的最新數(shù)據(jù)。一個正確的Node_37數(shù)據(jù)字符串如下所示：“1W011015”，轉(zhuǎn)換為1個傳感器，傳輸平均風(fēng)速為11 Km/h，風(fēng)速為15 Km/h。一旦網(wǎng)關(guān)收到此字符串，就會解析此字符串并存儲數(shù)據(jù)，直到啟動定期XML上載。