新型智能雷电灾害预警系统设计

2021-11-20 · 阅读220

0引言

雷电灾害发生的瞬间会产生巨大的电流、电磁波、超高的温度以及对地面具有强烈冲击的有效冲击波。按照不同的放电现象,可以将雷电灾害分成多种性质,现阶段人们更多研究的是云层放电以及对人类伤害较大云地放电，上述两类放电现象又被称为云地闪和云间闪。根据我国有关部门研究统计,地球上每秒钟越有超过1 800 个雷电活动区出现雷电灾害,这些雷电区可以产生每秒1 000次以上的云地闪和云间闪。在雷电发生的瞬间，强大的闪电电磁波的侵蚀会造成人员直接伤亡或者周围物体或基础设施部分甚至全部功能丧失，从而产生严重的经济后果。从伤害范围和综合伤害程度上来看,雷电灾害已经成为我国最严重的气象灾害之一,我国属于全球范围内雷电高发区,对于雷电灾害的准确预测和相关预报研究,已经成为我国相关部门急需解决的问题虽然雷电灾害的发生速率较快,但是通过科学技术进行合理的雷电灾害预警防护是可行且有效的。20世纪70年代以来,随着相关科技的不断发展,尤其是无线.传感网络和电机计算机技术的革新,具有无线传感自动化特征的雷电探测定位预警,已经成为一个专有的研究领域。其研究原理主要是探测雷电发生时的光波、音效、电磁波等可测信号,对其放电类型进行有效预测，这些在天气监测和预报中均起到主导作用。目前国内市.场上的雷电灾害预测系统整体产品虽然已经可以做到快速预警,但是单一产品的有效辐射区域较小,其核心.原因在于信号传感的限制。对此基于无线传感网络技术,设计了新型雷电灾害预警系统,在保证预警速率的前提下，通过利用无线传感技术,提高预警系统的有效传输距离,从而提高预警系统的有效辐射区。

1基于无线传感网络的智能防雷雷电灾害预警系统设计

基于无线传感网络的雷电灾害与预警系统主要由雷电数据采集模块、系统定位模块、系统数据传输以及系统电源模块构成。雷电数据的采集模块其核心是一个360度全方位感应式雷电无线传感器。该传感器支持四周全方位信号数据探测,可以有效获取雷电电磁波信号;定位模块整体采用了BD/GPS双模板芯片,该芯片可以提供系统自身的经纬度信息以及雷电灾害发生瞬间的时间信息,此外该模块可以提供1pps格式信号,保证系统数据传输的同步精度系统数据传输通信串口可以完成系统数据信息的无线传输,实现雷电灾害的预警。以下为系统各部分的设计过程。

1.1 360度雷电传感器

360度雷电传感器是基于无线传感网络技术，设计的系统前端数据传感部分,该传感器主要负责雷电信号的采集和初步传输工作。传感器采用双通道模式，可以分别记录雷电云间闪以及云地闪不同时期的电磁波脉冲次数A利用LED阵列数据,集中显示当前云地闪的实时强度。因为通常情况下，云地闪一般出现于云间闪之后,所以当LED阵列数据出现响应时,云间闪的记录一般已经出现了高频次数据。此时，预警数据被后续模块传输,实现预警触发。控制器可以通过数据内部记录的云地闪以及云间闪数据,对雷电预警触发点进行判断,并输出雷电电平信号。雷电触发信号具有两个通路,分别对应云地闪和云间闪，传感器结构如图1所示。
传感器前置探测天线主要负责采集闪电的低帧低频电磁波信号。其接收天线对云地闪测量频率为.8kHz,云间闪测量频率为24kHz。天线频段同样分为两个,每段包括两根天线,保证全角度测量。天线采用防水结构灌封，盖板采用CRE全铜镀金材料。其技术参数如表1所示。

外部的电源天线可以对定位模块进行供电，而定位模块则负责检测雷电传感器天线的接收状态和线路保护状态。传感器将接收到的电磁波信息传送给定位模块内的双模射频芯片，在芯片内部进行数据放大,再经.过混频后进行下级中频滤波处理。处理后经过AD转化成数字信号，传送给基带芯片。基带芯片接收到这些信号和串口电路传送过来的拆分信号后，通过串口输出数据并生成1pps信号。模块使用的信号格式为NEMA标准信号格式,在该格式下，数据字符使用ADCII 字符。传输方式使用“语句传输”,每个语句代号为“&”、“会话ID’ “语句ID’ ‘数据体”等。传输数据字段以逗号进行分割,语句末尾添加资源尾缀“CHECKSUM。每行语句包括回车和“&”，最多为57个语句字符。设计定位模块语句结构如表2所示。

1.3实现雷电灾害预测.

系统数据传输模块采用的时一款基于GPRS网络的无线数据传输终端引擎设备。该设备可以有效提供数据传输通道,保证通道透明性,方便远程无线网络化的数据传输,是设计提高有效监测区域的核心构件之。该终端内置30kB大型缓存区,内部采用动态数据划分技术，提高内存区使用效率。以传输终端设备为核心的数据传输模块采用通用分组无线服务技术，简称RPSE。其传输主要以数据包的形式进行。数据包内部为DTU,即数据传输单元,传输过程分为三部分。首先将定位模块发送传输的信号数据转换为IP数据包，再将IP数据包通过无线传感网络,传输给终端设备或者服务器,最后将已经完成传输业务的IP数据包转换为串口数据。整个传输过程主要由客户设备、DTU、后台数据中心以及服务器SOCKEY连接,构成整个传输脉络。在数据传输钱,客户设备主要通过传输接口232以及串口485与DTU相互连接,将传输信息注册到后台数据中心，实现数据调用和存储。数据包DTU整个工作过程如下:数据包连通后，读取内部PT-FLASH中的拨号参数,串口数据波特率以及数据中心IP地址等工作参数;数据包登录后台网络,进行网络PPS拨号,拨号成功后,提取后台分配IP地址;将数据包与数据中心相连,建立通信链路,锁存灾害信息，完成双向通信,实现数据预测。

2实验数据分析

上述过程完成了基于无线传感网络的雷电灾害预警系统的设计。为了详细验证该系统能否有效提高雷电灾害预警监测范围，进行实验。根据实际地址情况,在雷电灾害仿真基地共设置五个仿真探测点，点位坐标分别为
( 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°)。

在上述仿真探测点上，分别设立实验组和对比组。令实验组选择新设计的雷电灾害预警系统,令对比组选择传统预警系统，分别进行预测。点位1数据接收到的时间段为1.37 s、点位2数据接收到的时间段为1.28 s,点位3数据接收到的时间段为1.35s,点位4数据接收到的时间段1.33 s,点位5数据接收到的时间段为1. 19 s。针对数据接收结果，分别对比五个探测点，以及实验组和对比组云地闪和云间闪的有效监测预警范围https://www.zvspd.com/。

2.1云地闪有效预警范围对比

按照数据信息,将实验组和对比组云地闪的测量数据进行解析,提取完全有效数据和次有效数据,对比其有效范围,其结果如表3所示。(有效数据指准确率为95%以上的数据,次有效数据为准确率在85%以上的数据。表3云地闪有效预警范围对比
因为各探测点的地理条件和相关雷电信息频率不.同,所以整体有效和次有效监测范围有些许出入。根据表3数据可以看出,实验组有效监测范围区间为1.22平方公里到1.45平方公里之间,次有效监测范围为3.15
平方公里到3.32平方公里之间;对比组有效和次有效监测范围分别为1.01 到1.15平方公里和2.89到3.01.平方公里范围内。根据数据范围可以直观看出，实验组的有效预警范围提高了19. 5%左右。

2.2云间闪有 效预警范围

按照上述方式,对实验组和对比组针对云间闪的有效预警范围进行统计,其统计结果表4所示。
表4云 间闪有效预警范围对比