本實用新型涉及數據監測設備技術領域，具體而言，涉及一種森林風速監測裝置及系統。

背景技術：

目前，在森林火災監測系統中，風速做為林火蔓延模型分析的重要因素，研究人員可以根據森林中的風速參數分析林火的燃燒特性和蔓延機理，預測火勢蔓延趨勢。根據森林區域內局部區域的風速，可以估算火場形狀、過火面積，從而有效的判斷火災可能發生的地點、火災強度，以及火災可能發生的蔓延程度，最終達到優化滅火決策，盡可能地避免森林火災的發生。

當前，相關技術中提供了一種獲取森林風速的方式主要是：參考有關部門發布的森林中的風速數據，由于受當前測控技術制約，森林火場參數的實時監測與獲取一直是林火蔓延形態與趨勢研究的瓶頸。另外，當前還提供一種估算林火蔓延形態的方式，主要是：以可燃物熱值、森林可燃物載量、風力、空氣濕度以及坡度等相對穩定的量來估算林火蔓延形態，即以相對穩定的量為主體的林火蔓延數理模型來估算林火蔓延形態的方式，由于并未利用火場實時實地監測數據，在實際應用中很難在空間和時間上準確預測林火蔓延形態與趨勢。

在實現本實用新型的過程中，實用新型人發現相關技術中至少存在以下問題：目前無法實現實時獲取森林各個監控點的風速，導致數據的實時性差、精度低，從而無法準確地確定出林火蔓延形態與趨勢，因此，急需一種森林風速監測的設備，以實現實時獲取森林中的風速參數，進而指導工作人員準確地確定出林火蔓延形態與趨勢。

技術實現要素：

有鑒于此，本實用新型實施例的目的在于提供一種森林風速監測裝置及系統，以實現實時獲取森林中待測點的風速參數，進而指導工作人員準確地確定出林火蔓延形態與趨勢。

第一方面，本實用新型實施例提供了一種森林風速監測裝置，該裝置包括：風量采集器、與該風量采集器相連接的模數轉換器、與該模數轉換器相連接的主控制器、以及與該主控制器相連接的無線通信電路；

其中，上述風量采集器用于采集被測點的風量物理信號，將該風量物理信號轉換為風量模擬電信號，并將該風量模擬電信號傳輸至上述模數轉換器；

上述模數轉換器用于將上述風量模擬電信號轉換為風量數字信號，將該風量數字信號傳輸至上述主控制器；

上述主控制器用于接收上述風量數字信號，并根據該風量數字信號確定上述被測點的風速信號，將該風速信號傳輸至上述無線通信電路；

上述無線通信電路用于將上述風速信號傳輸至監控終端，以使監控終端實時顯示上述風速信號。

結合第一方面，本實用新型實施例提供了第一方面的第一種可能的實施方式，其中，上述風量采集器包括：風葉結構，其中，該風葉結構為至少七片葉片的水平軸風葉結構，該風葉結構的風輪半徑大于3厘米。

結合第一方面，本實用新型實施例提供了第一方面的第二種可能的實施方式，其中，上述裝置還包括：與上述風量采集器相連接的風力發電機、與該風力發電機相連接的二極管整流電路、與該二極管整流電路相連接的升降壓式變換器、以及與該升降壓式變換器相連接的能量存儲電路；

其中，上述風力發電機用于將上述風量采集器采集到的風能轉換為電能，并將該電能傳輸至上述二極管整流電路；

上述二極管整流電路用于對上述風力發電機傳輸的電能進行整流處理，并將整流處理后的電能傳輸至上述升降壓式變換器；

上述升降壓式變換器用于對上述二極管整流電路的輸出電壓進行調節，增加上述風力發電機向上述能量儲能電路傳輸的電能；

上述能量儲能電路用于將上述升降壓式變換器傳輸的電能進行存儲，并向外界設備傳輸電能，該能量存儲電路包括：超級電容。

結合第一方面的第二種可能的實施方式，本實用新型實施例提供了第一方面的第三種可能的實施方式，其中，上述裝置還包括：與上述能量存儲電路相連接的基于DVS功能的Buck變換器；

上述Buck變換器用于調節上述超級電容的輸出電壓，以穩定向外界設備傳輸電能。

結合第一方面的第二種可能的實施方式，本實用新型實施例提供了第一方面的第四種可能的實施方式，其中，上述風力發電機包括：單相兩極交流永磁同步電機。

結合第一方面的第二種可能的實施方式，本實用新型實施例提供了第一方面的第五種可能的實施方式，其中，上述二極管整流電路包括：第一二極管、第二二極管、第三二極管、以及第四二極管；

其中，上述第一二極管的正極與上述第二二極管的負極相連接，上述第二二極管的的正極與上述第三二極管的正極相連接，上述第三二極管的負極與上述第四二極管的正極相連接，上述第四二極管的負極與上述第一二極管的負極相連接；

上述第一二極管的正極與上述第二二極管的負極之間的連接點、上述第四二極管的正極與上述第三二極管的負極之間的連接點均與上述風力發電機相連接；

上述第一二極管的負極與上述第四二極管的負極之間的連接點、上述第二二極管的正極與上述第三二極管的正極之間的連接點均與上述升降壓式變換器相連接。

結合第一方面的第五種可能的實施方式，本實用新型實施例提供了第一方面的第六種可能的實施方式，其中，上述升降壓式變換器包括：第一電容、第一PWM發生器、第一絕緣柵型場效應管、以及第一電感；

其中，上述第一電容的正極與上述第二二極管的正極和上述第三二極管的正極之間的連接點相連接，上述第一電容的負極與上述第一二極管的負極和上述第四二極管的負極之間的連接點相連接；

上述第一絕緣柵型場效應管的漏極與上述第一電容的正極相連接，上述第一絕緣柵型場效應管的柵極與上述第一PWM發生器相連接；

上述第一電感的一端與上述第一絕緣柵型場效應管的源極相連接，所述第一電感的一端還與所述超級電容的負極相連接，上述第一電感的另一端與上述第一電容的負極相連接，上述第一電感的另一端還與上述超級電容的正極相連接。

結合第一方面的第三種可能的實施方式，本實用新型實施例提供了第一方面的第七種可能的實施方式，其中，上述Buck變換器包括：第二PWM發生器、第二絕緣柵型場效應管、第三絕緣柵型場效應管、第二電感、第二電容；

其中，上述超級電容、上述第二絕緣柵型場效應管的柵極、上述第三絕緣柵型場效應管的柵極均與上述第二PWM發生器相連接；

上述第二絕緣柵型場效應管的漏極與上述超級電容的正極相連接；

上述第三絕緣柵型場效應管的源極與接地端相連接；

上述第二電感的一端與上述第二絕緣柵型場效應管的源極和上述第三絕緣柵型場效應管的漏極相連接，上述第二電感的另一端與上述第二電容的一端向連接；

上述第二電容的另一端與接地端相連接。

第二方面，本實用新型實施例還提供了一種森林風速監測系統，該系統包括：上述森林風速監測裝置、以及通過上述無線通信電路與該森林風速監測裝置相連接的監控終端；

上述監控終端用于接收并顯示上述無線通信電路傳輸的風速信號。

結合第二方面，本實用新型實施例提供了第二方面的第一種可能的實施方式，其中，上述系統還包括：設置于上述監控終端側的報警裝置，該報警裝置與上述監控終端以無線或者有線的方式相連接；

上述報警裝置用于接收上述監控終端發送報警信號，并根據該報警信號進行警報。

在本實用新型實施例提供的森林風速監測裝置及系統中，該監測裝置包括：風量采集器、與該風量采集器相連接的模數轉換器、與該模數轉換器相連接的主控制器、以及與該主控制器相連接的無線通信電路；風量采集器采集被測點的風量物理信號，將風量物理信號轉換為風量模擬電信號；模數轉換器將風量模擬電信號轉換為風量數字信號；主控制器根據風量數字信號確定被測點的風速信號，將風速信號傳輸至無線通信電路；無線通信電路將風速信號傳輸至監控終端，以使監控終端實時顯示風速信號。本實用新型提供了一種結構簡單的森林風速監測裝置，通過將該森林風速監測裝置按照一定的分布方式設置于待測點處，可以實時獲取森林中待測點的風速參數，進而指導工作人員準確地確定出林火蔓延形態與趨勢，另外，由于上述森林風速監測裝置的結構簡單、成本低，提高了布設位置的靈活性，還可以實現高密度的進行布設，進而保證了獲取的風速數據的精度。

為使本實用新型的上述目的、特征和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合所附附圖，作詳細說明如下。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本實用新型的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1示出了本實用新型實施例所提供的一種森林風速監測裝置的結構示意圖；

圖2示出了本實用新型實施例所提供的另一種森林風速監測裝置的結構示意圖；

圖3示出了本實用新型實施例所提供的又一種森林風速監測裝置的結構示意圖；

圖4a示出了本實用新型實施例所提供的二極管整流電路的電路示意圖；

圖4b示出了本實用新型實施例所提供的升降壓式變換器的電路示意圖；

圖4c示出了本實用新型實施例所提供的Buck變換器的電路示意圖；

圖5示出了本實用新型實施例所提供的一種森林風速監測系統的結構示意圖。

具體實施方式

為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例中附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本實用新型實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。因此，以下對在附圖中提供的本實用新型的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本實用新型的范圍，而是僅僅表示本實用新型的選定實施例。基于本實用新型的實施例，本領域技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。

考慮到目前無法實現實時獲取森林各個監控點的風速，導致數據的實時性差、精度低，從而無法準確地確定出林火蔓延形態與趨勢，因此，急需一種森林風速監測的設備，以實現實時獲取森林中的風速參數，進而指導工作人員準確地確定出林火蔓延形態與趨勢。基于此，本實用新型實施例提供了一種森林風速監測裝置及系統，下面通過實施例進行描述。

如圖1所示的森林風速監測裝置的結構示意圖，該裝置包括：風量采集器11、與該風量采集器11相連接的模數轉換器12、與該模數轉換器12相連接的主控制器13、以及與該主控制器13相連接的無線通信電路14；

其中，上述風量采集器11用于采集被測點的風量物理信號，將該風量物理信號轉換為風量模擬電信號，并將該風量模擬電信號傳輸至上述模數轉換器12；

上述模數轉換器12用于將上述風量模擬電信號轉換為風量數字信號，將該風量數字信號傳輸至上述主控制器13；

上述主控制器13用于接收上述風量數字信號，并根據該風量數字信號確定上述被測點的風速信號，將該風速信號傳輸至上述無線通信電路14；

上述無線通信電路14用于將上述風速信號傳輸至監控終端，以使監控終端實時顯示上述風速信號。

具體的，上述風量采集器11包括：風葉結構，其中，該風葉結構為至少七片葉片的水平軸風葉結構，該風葉結構的風輪半徑大于3厘米；風量采集器11可以是風扇，通過風葉結構轉動產生電壓，即將風量物理信號轉換為風量模擬電信號，該風量模擬電信號通過模數轉換器12轉換為風量數字信號(即電壓值)，由于風扇轉動的速度和風速成正比關系，而風速轉動的速度和電壓也正比關系，由主控制器13根據風扇轉動產生的電壓值確定對應的風速數據，進而達到實時監測風速的目的；上述主控制器13可以是STM32F103單片機，該單片機具有高性能、低能耗、低成本等優點。上述無線通信電路14可以是SIM卡，如SIM900A，該SIM卡具有性能穩定、性價比高的特點，通過GPRS無線傳輸技術實時向監控終端上報各個被測點的風速數據，進而為森林火災相關應用提供實時的風速數據支持。

另外，基于物聯網可以設計成通過無線通信網絡由一定數量的上述森林風速監測裝置(將森林風速監測裝置設置于不同的被測點處)組成的監測系統，從而可以實現大范圍實時獲取全維度、全時相、全尺度實地觀測風速數據，進而使工作人員根據該風速數據定量描述林火蔓延機理，據火場動態參數修正林火蔓延模型，優化滅火決策。

在本實用新型提供的實施例中，提供了一種結構簡單的森林風速監測裝置，通過將該森林風速監測裝置按照一定的分布方式設置于待測點處，可以實時獲取森林中待測點的風速參數，進而指導工作人員準確地確定出林火蔓延形態與趨勢，另外，由于上述森林風速監測裝置的結構簡單、成本低，提高了布設位置的靈活性，還可以實現高密度的進行布設，進而保證了獲取的風速數據的精度。

考慮到可以同時將風量采集器11采集到的風能轉換為電能并進行存儲，從而到達即實現實時獲取森林中風速參數，又充分利用采集到的風能，將風能轉換為電能，進而為外界設備進行供電，而且還可以為風量采集器11、模數轉換器12、主控制器13、以及無線通信電路14供電，基于此，如圖2所示，上述裝置還包括：與上述風量采集器11相連接的風力發電機22、與該風力發電機22相連接的二極管整流電路23、與該二極管整流電路23相連接的升降壓式變換器24、以及與該升降壓式變換器24相連接的能量存儲電路25；

其中，上述風力發電機22用于將上述風量采集器11采集到的風能轉換為電能，并將該電能傳輸至上述二極管整流電路23；

上述二極管整流電路23用于對上述風力發電機22傳輸的電能進行整流處理，并將整流處理后的電能傳輸至上述升降壓式變換器24；

上述升降壓式變換器24用于對上述二極管整流電路23的輸出電壓進行調節，增加上述風力發電機22向上述能量儲能電路傳輸的電能；

上述能量儲能電路用于將上述升降壓式變換器24傳輸的電能進行存儲，并向外界設備傳輸電能，該能量存儲電路25包括：超級電容。

具體的，上述風力發電機22包括：單相兩極交流永磁同步電機，并在風力發電機22的輸出端連接二極管整流電路23，為了實現最大化的風能采集，還在二極管整流電路23和能量存儲電路25之間設置了升降壓式變換器24，該升降壓式變換器24可以跟蹤風能的最大功率工作點，保證始終能將最多的能量傳輸至能量儲能電路；其中，風力推動風葉結構旋轉將風能轉換為機械能；機械能再通過風力發電機22轉換成電能，電能再經二極管整流電路23整流處理、以及經升降壓式變換器24升壓或者降壓處理后存儲于能量存儲電路25。

其中，上述風量采集器11、模數轉換器12、主控制器13、以及無線通信電路14均與能量存儲電路25相連接，以使能量存儲電路25為風量采集器11、模數轉換器12、主控制器13、以及無線通信電路14供電，一方面無需鋪設電纜或更換電池，且保證可以為各個器件進行不間斷供電，另一方面通過密集布置的被測點，實時獲取不同位置的風速數據，提高了監測數據的密度和精度，另外，還可以實現為外界設備進行供電。

進一步的，為了穩定地向外界設備和上述森林風速監測裝置中各個器件傳輸電能，即使得能量存儲電路25為各個供電節點輸出穩定工作電壓，基于此，如圖3所示，上述裝置還包括：與上述能量存儲電路25相連接的基于DVS功能的Buck變換器26；

上述Buck變換器26用于調節上述超級電容的輸出電壓，以穩定向外界設備傳輸電能，具體的，該Buck變換器26負責調節超級電容的電壓，以將電能穩定輸出給外界設備。

具體的，如圖4a所示，上述二極管整流電路23包括：第一二極管D1、第二二極管D2、第三二極管D3、以及第四二極管D4；

其中，上述第一二極管D1的正極與上述第二二極管D2的負極相連接，上述第二二極管D2的的正極與上述第三二極管D3的正極相連接，上述第三二極管D3的負極與上述第四二極管D4的正極相連接，上述第四二極管D4的負極與上述第一二極管D1的負極相連接；

上述第一二極管D1的正極與上述第二二極管D2的負極之間的連接點、上述第四二極管D4的正極與上述第三二極管D3的負極之間的連接點均與上述風力發電機22相連接；

上述第一二極管D1的負極與上述第四二極管D4的負極之間的連接點、上述第二二極管D2的正極與上述第三二極管D3的正極之間的連接點均與上述升降壓式變換器24相連接。

具體的，如圖4b所示，上述升降壓式變換器24包括：第一電容241、第一PWM發生器242、第一絕緣柵型場效應管243、以及第一電感244；

其中，上述第一電容241的正極與上述第二二極管D2的正極和上述第三二極管D3的正極之間的連接點相連接，上述第一電容241的負極與上述第一二極管D1的負極和上述第四二極管D4的負極之間的連接點相連接；

上述第一絕緣柵型場效應管243的漏極與上述第一電容241的正極相連接，上述第一絕緣柵型場效應管243的柵極與上述第一PWM發生器242相連接；

上述第一電感244的一端與上述第一絕緣柵型場效應管243的源極相連接，所述第一電感244的一端還與所述超級電容的負極相連接，上述第一電感244的另一端與上述第一電容241的負極相連接，上述第一電感244的另一端還與上述超級電容的正極相連接。

其中，上述第一電容241用于尖峰吸收，防止尖脈沖反向擊穿二極管整流電路23中的二極管。

具體的，如圖4c所示，上述Buck變換器26包括：第二PWM發生器261、第二絕緣柵型場效應管262、第三絕緣柵型場效應管263、第二電感264、第二電容265；

其中，上述超級電容、上述第二絕緣柵型場效應管262的柵極、上述第三絕緣柵型場效應管263的柵極均與上述第二PWM發生器261相連接；

上述第二絕緣柵型場效應管262的漏極與上述超級電容的正極相連接；

上述第三絕緣柵型場效應管263的源極與接地端相連接；

上述第二電感264的一端與上述第二絕緣柵型場效應管262的源極和上述第三絕緣柵型場效應管263的漏極相連接，上述第二電感264的另一端與上述第二電容265的一端向連接；

上述第二電容265的另一端與接地端相連接。

具體的，通過第二PWM發生器261控制第二絕緣柵型場效應管262SW2和第三絕緣柵型場效應管263SW3，來調節Buck變換器26的輸出電壓。

在本實用新型提供的實施例中，提供了一種結構簡單、成本低的森林風速監測裝置，通過將該森林風速監測裝置按照一定的分布方式設置于待測點處，可以實時獲取森林中待測點的風速參數，進而指導工作人員準確地確定出林火蔓延形態與趨勢，另外，由于上述森林風速監測裝置的結構簡單、成本低，提高了布設位置的靈活性，還可以實現高密度的進行布設，進而保證了獲取的風速數據的精度；進一步的，通過增加能量存儲電路25一方面無需鋪設電纜或更換電池，且保證可以為各個器件進行不間斷供電，另一方面通過密集布置的被測點，實時獲取不同位置的風速數據，提高了監測數據的密度和精度，另外，還可以實現為外界設備進行供電，更進一步的，通過增加基于DVS功能的Buck變換器26，可以實現穩定地向外界設備和上述森林風速監測裝置中各個器件傳輸電能，即使得能量存儲電路25為各個供電節點輸出穩定工作電壓。

本實用新型實施例還提供了一種森林風速監測系統，如圖5所示，該系統包括：上述森林風速監測裝置1、以及通過上述無線通信電路14與該森林風速監測裝置1相連接的監控終端2；

上述監控終端2用于接收并顯示上述無線通信電路14傳輸的風速信號。

具體的，上述監控終端2包括：服務器端(如云端服務器)和客戶端(用戶終端，如手機、平板電腦ipad、或其它便攜式電子設備等移動終端)。

進一步的，上述系統還包括：設置于上述監控終端2側的報警裝置，該報警裝置與上述監控終端2以無線或者有線的方式相連接；

上述報警裝置用于接收上述監控終端2發送報警信號，并根據該報警信號進行警報。

在本實用新型實施例提供的森林風速監測系統中，該系統包括森林風速監測裝置1和監控終端2，其中，該監測裝置包括：風量采集器11、與該風量采集器11相連接的模數轉換器12、與該模數轉換器12相連接的主控制器13、以及與該主控制器13相連接的無線通信電路14；風量采集器11采集被測點的風量物理信號，將風量物理信號轉換為風量模擬電信號；模數轉換器12將風量模擬電信號轉換為風量數字信號；主控制器13根據風量數字信號確定被測點的風速信號，將風速信號傳輸至無線通信電路14；無線通信電路14將風速信號傳輸至監控終端2，以使監控終端2實時顯示風速信號。本實用新型通過將上述森林風速監測裝置1按照一定的分布方式設置于待測點處，可以實時獲取森林中待測點的風速參數，進而指導工作人員準確地確定出林火蔓延形態與趨勢，另外，由于上述森林風速監測裝置1的結構簡單、成本低，提高了布設位置的靈活性，還可以實現高密度的進行布設，進而保證了獲取的風速數據的精度。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

在本實用新型的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，或者是該實用新型產品使用時慣常擺放的方位或位置關系，僅是為了便于描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”等僅用于區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本實用新型的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“設置”、“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。

最后應說明的是：以上所述實施例，僅為本實用新型的具體實施方式，用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制，本實用新型的保護范圍并不局限于此，盡管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術范圍內，其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改或可輕易想到變化，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改、變化或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本實用新型實施例技術方案的精神和范圍。都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。因此，本實用新型的保護范圍應所述以權利要求的保護范圍為準。