新型智能雷電災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

2021-11-20 · 閱讀242

0引言

雷電災(zāi)害發(fā)生的瞬間會產(chǎn)生巨大的電流、電磁波、超高的溫度以及對地面具有強烈沖擊的有效沖擊波。按照不同的放電現(xiàn)象,可以將雷電災(zāi)害分成多種性質(zhì),現(xiàn)階段人們更多研究的是云層放電以及對人類傷害較大云地放電，上述兩類放電現(xiàn)象又被稱為云地閃和云間閃。根據(jù)我國有關(guān)部門研究統(tǒng)計,地球上每秒鐘越有超過1 800 個雷電活動區(qū)出現(xiàn)雷電災(zāi)害,這些雷電區(qū)可以產(chǎn)生每秒1 000次以上的云地閃和云間閃。在雷電發(fā)生的瞬間，強大的閃電電磁波的侵蝕會造成人員直接傷亡或者周圍物體或基礎(chǔ)設(shè)施部分甚至全部功能喪失，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的經(jīng)濟后果。從傷害范圍和綜合傷害程度上來看,雷電災(zāi)害已經(jīng)成為我國最嚴(yán)重的氣象災(zāi)害之一,我國屬于全球范圍內(nèi)雷電高發(fā)區(qū),對于雷電災(zāi)害的準(zhǔn)確預(yù)測和相關(guān)預(yù)報研究,已經(jīng)成為我國相關(guān)部門急需解決的問題雖然雷電災(zāi)害的發(fā)生速率較快,但是通過科學(xué)技術(shù)進行合理的雷電災(zāi)害預(yù)警防護是可行且有效的。20世紀(jì)70年代以來,隨著相關(guān)科技的不斷發(fā)展,尤其是無線.傳感網(wǎng)絡(luò)和電機計算機技術(shù)的革新,具有無線傳感自動化特征的雷電探測定位預(yù)警,已經(jīng)成為一個專有的研究領(lǐng)域。其研究原理主要是探測雷電發(fā)生時的光波、音效、電磁波等可測信號,對其放電類型進行有效預(yù)測，這些在天氣監(jiān)測和預(yù)報中均起到主導(dǎo)作用。目前國內(nèi)市.場上的雷電災(zāi)害預(yù)測系統(tǒng)整體產(chǎn)品雖然已經(jīng)可以做到快速預(yù)警,但是單一產(chǎn)品的有效輻射區(qū)域較小,其核心.原因在于信號傳感的限制。對此基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù),設(shè)計了新型雷電災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng),在保證預(yù)警速率的前提下，通過利用無線傳感技術(shù),提高預(yù)警系統(tǒng)的有效傳輸距離,從而提高預(yù)警系統(tǒng)的有效輻射區(qū)。

1基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能防雷雷電災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的雷電災(zāi)害與預(yù)警系統(tǒng)主要由雷電數(shù)據(jù)采集模塊、系統(tǒng)定位模塊、系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸以及系統(tǒng)電源模塊構(gòu)成。雷電數(shù)據(jù)的采集模塊其核心是一個360度全方位感應(yīng)式雷電無線傳感器。該傳感器支持四周全方位信號數(shù)據(jù)探測,可以有效獲取雷電電磁波信號;定位模塊整體采用了BD/GPS雙模板芯片,該芯片可以提供系統(tǒng)自身的經(jīng)緯度信息以及雷電災(zāi)害發(fā)生瞬間的時間信息,此外該模塊可以提供1pps格式信號,保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐骄认到y(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸通信串口可以完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的無線傳輸,實現(xiàn)雷電災(zāi)害的預(yù)警。以下為系統(tǒng)各部分的設(shè)計過程。

1.1 360度雷電傳感器

360度雷電傳感器是基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計的系統(tǒng)前端數(shù)據(jù)傳感部分,該傳感器主要負(fù)責(zé)雷電信號的采集和初步傳輸工作。傳感器采用雙通道模式，可以分別記錄雷電云間閃以及云地閃不同時期的電磁波脈沖次數(shù)A利用LED陣列數(shù)據(jù),集中顯示當(dāng)前云地閃的實時強度。因為通常情況下，云地閃一般出現(xiàn)于云間閃之后,所以當(dāng)LED陣列數(shù)據(jù)出現(xiàn)響應(yīng)時,云間閃的記錄一般已經(jīng)出現(xiàn)了高頻次數(shù)據(jù)。此時，預(yù)警數(shù)據(jù)被后續(xù)模塊傳輸,實現(xiàn)預(yù)警觸發(fā)。控制器可以通過數(shù)據(jù)內(nèi)部記錄的云地閃以及云間閃數(shù)據(jù),對雷電預(yù)警觸發(fā)點進行判斷,并輸出雷電電平信號。雷電觸發(fā)信號具有兩個通路,分別對應(yīng)云地閃和云間閃，傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。
傳感器前置探測天線主要負(fù)責(zé)采集閃電的低幀低頻電磁波信號。其接收天線對云地閃測量頻率為.8kHz,云間閃測量頻率為24kHz。天線頻段同樣分為兩個,每段包括兩根天線,保證全角度測量。天線采用防水結(jié)構(gòu)灌封，蓋板采用CRE全銅鍍金材料。其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

外部的電源天線可以對定位模塊進行供電，而定位模塊則負(fù)責(zé)檢測雷電傳感器天線的接收狀態(tài)和線路保護狀態(tài)。傳感器將接收到的電磁波信息傳送給定位模塊內(nèi)的雙模射頻芯片，在芯片內(nèi)部進行數(shù)據(jù)放大,再經(jīng).過混頻后進行下級中頻濾波處理。處理后經(jīng)過AD轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，傳送給基帶芯片。基帶芯片接收到這些信號和串口電路傳送過來的拆分信號后，通過串口輸出數(shù)據(jù)并生成1pps信號。模塊使用的信號格式為NEMA標(biāo)準(zhǔn)信號格式,在該格式下，數(shù)據(jù)字符使用ADCII 字符。傳輸方式使用“語句傳輸”,每個語句代號為“&”、“會話ID’ “語句ID’ ‘?dāng)?shù)據(jù)體”等。傳輸數(shù)據(jù)字段以逗號進行分割,語句末尾添加資源尾綴“CHECKSUM。每行語句包括回車和“&”，最多為57個語句字符。設(shè)計定位模塊語句結(jié)構(gòu)如表2所示。

1.3實現(xiàn)雷電災(zāi)害預(yù)測.

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模塊采用的時一款基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的無線數(shù)據(jù)傳輸終端引擎設(shè)備。該設(shè)備可以有效提供數(shù)據(jù)傳輸通道,保證通道透明性,方便遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)傳輸,是設(shè)計提高有效監(jiān)測區(qū)域的核心構(gòu)件之。該終端內(nèi)置30kB大型緩存區(qū),內(nèi)部采用動態(tài)數(shù)據(jù)劃分技術(shù)，提高內(nèi)存區(qū)使用效率。以傳輸終端設(shè)備為核心的數(shù)據(jù)傳輸模塊采用通用分組無線服務(wù)技術(shù)，簡稱RPSE。其傳輸主要以數(shù)據(jù)包的形式進行。數(shù)據(jù)包內(nèi)部為DTU,即數(shù)據(jù)傳輸單元,傳輸過程分為三部分。首先將定位模塊發(fā)送傳輸?shù)男盘枖?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)包，再將IP數(shù)據(jù)包通過無線傳感網(wǎng)絡(luò),傳輸給終端設(shè)備或者服務(wù)器,最后將已經(jīng)完成傳輸業(yè)務(wù)的IP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)。整個傳輸過程主要由客戶設(shè)備、DTU、后臺數(shù)據(jù)中心以及服務(wù)器SOCKEY連接,構(gòu)成整個傳輸脈絡(luò)。在數(shù)據(jù)傳輸錢,客戶設(shè)備主要通過傳輸接口232以及串口485與DTU相互連接,將傳輸信息注冊到后臺數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)用和存儲。數(shù)據(jù)包DTU整個工作過程如下:數(shù)據(jù)包連通后，讀取內(nèi)部PT-FLASH中的撥號參數(shù),串口數(shù)據(jù)波特率以及數(shù)據(jù)中心IP地址等工作參數(shù);數(shù)據(jù)包登錄后臺網(wǎng)絡(luò),進行網(wǎng)絡(luò)PPS撥號,撥號成功后,提取后臺分配IP地址;將數(shù)據(jù)包與數(shù)據(jù)中心相連,建立通信鏈路,鎖存災(zāi)害信息，完成雙向通信,實現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)測。

2實驗數(shù)據(jù)分析

上述過程完成了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的雷電災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計。為了詳細(xì)驗證該系統(tǒng)能否有效提高雷電災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測范圍，進行實驗。根據(jù)實際地址情況,在雷電災(zāi)害仿真基地共設(shè)置五個仿真探測點，點位坐標(biāo)分別為
( 120.356 852 65°，31.558 623 26°) ( 120.559 655 26°,
31.526 536 23°) ( 120. 365 625 689°, 32.265599 85°)
( 120.265 869 850)( 120.658 885 48°,31.903 405 85°)。

在上述仿真探測點上，分別設(shè)立實驗組和對比組。令實驗組選擇新設(shè)計的雷電災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng),令對比組選擇傳統(tǒng)預(yù)警系統(tǒng)，分別進行預(yù)測。點位1數(shù)據(jù)接收到的時間段為1.37 s、點位2數(shù)據(jù)接收到的時間段為1.28 s,點位3數(shù)據(jù)接收到的時間段為1.35s,點位4數(shù)據(jù)接收到的時間段1.33 s,點位5數(shù)據(jù)接收到的時間段為1. 19 s。針對數(shù)據(jù)接收結(jié)果，分別對比五個探測點，以及實驗組和對比組云地閃和云間閃的有效監(jiān)測預(yù)警范圍http://www.youliou.cn/。

2.1云地閃有效預(yù)警范圍對比

按照數(shù)據(jù)信息,將實驗組和對比組云地閃的測量數(shù)據(jù)進行解析,提取完全有效數(shù)據(jù)和次有效數(shù)據(jù),對比其有效范圍,其結(jié)果如表3所示。(有效數(shù)據(jù)指準(zhǔn)確率為95%以上的數(shù)據(jù),次有效數(shù)據(jù)為準(zhǔn)確率在85%以上的數(shù)據(jù)。表3云地閃有效預(yù)警范圍對比
因為各探測點的地理條件和相關(guān)雷電信息頻率不.同,所以整體有效和次有效監(jiān)測范圍有些許出入。根據(jù)表3數(shù)據(jù)可以看出,實驗組有效監(jiān)測范圍區(qū)間為1.22平方公里到1.45平方公里之間,次有效監(jiān)測范圍為3.15
平方公里到3.32平方公里之間;對比組有效和次有效監(jiān)測范圍分別為1.01 到1.15平方公里和2.89到3.01.平方公里范圍內(nèi)。根據(jù)數(shù)據(jù)范圍可以直觀看出，實驗組的有效預(yù)警范圍提高了19. 5%左右。

2.2云間閃有 效預(yù)警范圍

按照上述方式,對實驗組和對比組針對云間閃的有效預(yù)警范圍進行統(tǒng)計,其統(tǒng)計結(jié)果表4所示。
表4云 間閃有效預(yù)警范圍對比