(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210821504.4 (22)申请日 2022.07.13 (71)申请人 西北大学 地址 710127 陕西省西安市 郭杜学府大道1 号 (72)发明人 郭军　罗全　肖云　白文磊　黄准　 张奥　陈晓江　刘宝英　 (74)专利代理 机构 西安瀚汇 专利代理事务所 (普通合伙) 61279 专利代理师 章冬霞 (51)Int.Cl. G01P 5/24(2006.01) G01P 13/02(2006.01) G01K 13/00(2021.01) G06F 30/20(2020.01)H04Q 9/00(2006.01) H04W 4/38(2018.01) (54)发明名称 土遗址局部风速分级实时测量装置及风场 数值计算模型 (57)摘要 本发明涉及物联网应用和文物监测保技术 护领域， 公开了一种土遗址局部风速分级实时测 量装置及局部风场数值计算模型。 本发明装置包 括主控制器模块和风速数据采集模块， 主控制器 模块包括数据采集模块、 数据处理模块和通信传 输模块， 风速数据采集模块包括多路超声波风速 风向传感器， 用于测量土遗址本体周围多点位的 风速风向， 主控制器模块通过RS485通讯模块连 接多路超声波风速风向传感器， 数据采集模块自 动实时采集风速风向以及温度数据的采集， 通过 LoRa通讯模块实现测量数据的无线传输。 本发明 装置测量精度满足气象测量规范要求， 测量效率 高， 有利于建立 风场模型。 权利要求书2页 说明书15页 附图4页 CN 115201512 A 2022.10.18 CN 115201512 A 1.土遗址局部风速分级实时测量装置， 其特征在于， 包括主控制器模块和风速数据采 集模块， 所述主控制器模块包括数据采集模块、 数据处理模块和通信 传输模块， 所述风速数 据采集模块包括多路超声波风速风向传感器， 用于测量土遗址本体周围多点位的风速风 向， 所述主控制器模块通过RS48 5通讯模块连接多路超声波风速风向传感器， 所述数据采集 模块自动实时采集风速风向以及温度数据的采集， 通过Lo Ra通讯模块 实现测量数据的无线 传输。 2.根据权利要求1所述土遗址局部风速分级实时测量装置， 其特征在于， 所述风速数据 采集模块包括四路超声波风速风向传感器， 共八个， 分别布置在土遗址本体土体或墙体的 两侧不同距离、 不同高度上。 3.根据权利要求1所述土遗址局部风速分级实时测量装置， 其特征在于， 还包括人机交 互模块、 电源 模块和电路复位模块。 4.根据权利要求1所述土遗址局部风速分级实时测量装置， 其特征在于， 还包括温度采 集模块， 所述温度采集模块用于设备工作环境安全性检测， 所述温度采集模块的信号输出 端连接主控制器模块的信号输入端。 5.根据权利要求1所述土遗址局部风速分级实时测量装置， 其特征在于， 所述数据处理 模块分别计算最近3s、 2min、 10min的平均风速风向数值， 并完成风速持续时间分级统计、 数 据异常处 理和设备状态检查。 6.根据权利要求5所述土遗址局部风速分级实时测量装置， 其特征在于， 所述数据异常 处理， 包括超声波风速风向传感器工作状态异常检测和超声波风速风向传感器数据异常检 测， 其中超声波风速风向传感器工作状态异常检测是判断采集节点对特定传感器发送数据 请求后， 能否正常收到并解析出数据， 采集数据是否超过传感器所测范围； 超声波风速风向 传感器数据异常检测是对特定传感器设定时间段内是否有异常数据点的出现进行判断。 7.根据权利要求5所述土遗址局部风速分级实时测量装置， 其特征在于， 数据异常的具 体判断算法如下： 设数据时间 窗为10min、 数据为每1min的风速均值， 共10个 数据xi， 通过欧式距 离依次计 算相邻两点的距离di作为本时间窗内数据异常判断的一维距离数组： di＝|xi‑xi‑1|1≤i≤9， i∈Z 然后， 对该一维距离数组求平均值， 即平均距离 最后， 依次对数 组中的每个距离di与均值距离 做比较， 若 则判断该距离为异 常距离， 同时该数 组异常得分+1； 最 终该距离数组统计得分如果大于3 分， 判定为异常数 组， 即该超声 波风速风向传感器该时间段内数据异常。 8.根据权利要求5所述土遗址局部风速分级实时测量装置， 其特征在于， 所述风速持续 时间分级统计， 方法如下： 取3s风速平均 值作为基本统计单位， 每个统计周期总时间为10min， 其 中3s风速平均 值 计算公式如下 所示：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115201512 A 2其中xi表示风速大小， 采样频率1次/s； 根据风力等级表， 设置了对应的12个变量计数器统计时间， 当风速均值数据 位于对 应等级区间内， 则该风力等级计数器加1。 9.根据权利要求1所述土遗址局部风速分级实时测量装置， 其特征在于， 采用软件和硬 件协同实现设备低功 耗运行， 包括： 系统应答响应全部采用中断方式； 在 满足性能需求的同 时将CPU和对应的外 设时钟频率降到最低； 关断未使用的外 设， 将不使用的I/O时钟组关闭， 将不使用的I/O设置为模拟输入； 数据处理部分不使用库函数， 全部使用查找表， 通过牺牲 内存资源来换 取数据处理速度的提升， 从而让CPU 有尽可能多的时间休眠。 10.一种局部风场数值计算模型， 其特 征在于： 采用指数率公式计算同一 位置不同高度的风速， 具体公式如下： 式中， 为采用如权利要求1～10任一项所述风速分级实时测量装置获得的离地参考 高度zr处的平均风速； α 为超参数， 表示地面粗糙程度， 其数值与地面粗糙程度有关， 地面越 光滑， α 越小； 反 之地面越粗糙， α 越大； 采用反距离 权重插值法计算在同一水平面， 不同位置的风速， 具体 计算公式如下： 其中， Z(S0)为S0处的插值预测值； N为样本数； λi为各样本点的权重， 权重值随样本点与 预测点之间距离的增大而减小； Z(Si)为在Si处采用如权利要求1～10任一项所述风速分级 实时测量装置获取 得到的真实值； 其中， 权重的计算公式为： 式中， p为指数值， 本文取p为2； di0为预测点S0到各个已知点的距离 。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115201512 A 3