雷擊監(jiān)測數(shù)據(jù)無線遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)設(shè)計

葉克江

(廣東外語藝術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東廣州 510640)

自然災(zāi)害種類很多，而雷電災(zāi)害是普遍存在的，特別在有些地區(qū)非常頻繁.雷電災(zāi)害也是聯(lián)合國公布的最嚴(yán)重的10種自然災(zāi)害之一.從衛(wèi)星、通信、導(dǎo)航、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)直到每個家庭的家用電器都可能會遭到雷電災(zāi)害的嚴(yán)重威脅.據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，全世界每分鐘平均發(fā)生雷暴大約2 000次，全球每年因雷擊造成的人員傷亡超過1萬人，我國每年因雷擊造成人員傷亡達(dá)3 000人左右，財產(chǎn)損失達(dá)50～100億元人民幣.雷擊監(jiān)測數(shù)據(jù)無線遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)在功能上類似于防火、防盜方面的自動監(jiān)測和報警系統(tǒng)[1-2]，通過實時監(jiān)測雷擊警情數(shù)據(jù)，對雷擊強(qiáng)度、發(fā)生時間、發(fā)生地點和頻次進(jìn)行研究，適時采取防護(hù)措施，可以在很大程度上減少雷擊造成的損失.目前國內(nèi)對雷擊的遠(yuǎn)程監(jiān)測和傳輸主要以專用設(shè)備為主，以國外進(jìn)口的雷電定位監(jiān)測系統(tǒng)為輔(例如深圳市氣象局).專用設(shè)備造價較高，且必須使用交流電源供電，使用范圍受限；雷電定位監(jiān)測系統(tǒng)是利用閃電回?fù)糨椛涞穆?、光、電磁場特性，遙測閃電回?fù)舴烹妳?shù)的一種自動化探測系統(tǒng)，成本更高[3].

本文設(shè)計的雷擊監(jiān)測數(shù)據(jù)無線遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)，硬件分為2大部分，即雷擊數(shù)據(jù)采集發(fā)送端(簡稱發(fā)送端)和接收處理端(簡稱接收端).其中發(fā)送端主要由雷擊記錄儀、單片機(jī)和發(fā)送端短信貓組成；接收端主要由接收端短信貓和計算機(jī)[4-5]組成.該系統(tǒng)具有2個優(yōu)點，其一是發(fā)送端可以用電池供電，具有便攜式的優(yōu)勢，不受現(xiàn)場有無交流電源的影響，其二是利用現(xiàn)有的移動網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)無線遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，不受地域限制.接收端的計算機(jī)用于實現(xiàn)雷擊監(jiān)測點地理位置相對圖形顯示、數(shù)據(jù)的管理、查詢、統(tǒng)計、分析和打印等功能，采用Visual Basic 6.0(VB6)語言和Microsoft Access 2000數(shù)據(jù)庫編程[6].與專用數(shù)字發(fā)送機(jī)和數(shù)字接收機(jī)相比，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，開發(fā)周期短，可靠性高[1].

1 工作原理及硬件組成

雷擊數(shù)據(jù)采集發(fā)送端和接收處理端的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 雷擊數(shù)據(jù)采集發(fā)送端(左)和接收處理端(右)示意框圖Figure 1 Lightning strike data sender (left) and receiver (right) diagram

記錄儀與單片機(jī)之間，單片機(jī)與發(fā)送端短信貓之間，接收端短信貓與計算機(jī)之間均采用RS232協(xié)議實現(xiàn)通信，發(fā)送端短信貓與接收端短信貓之間采用收發(fā)短信息的方式實現(xiàn)無線遠(yuǎn)距離通信.平時發(fā)送端的所有設(shè)備均處于休眠省電狀態(tài)，當(dāng)有雷擊發(fā)生時，記錄儀首先被喚醒，將采集的雷擊強(qiáng)度、雷擊時間和雷擊次數(shù)按照約定的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)喚醒并發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)控制打開發(fā)送端短信貓的電源，等待發(fā)送端短信貓初始化完成后，再發(fā)送AT格式的指令，將雷擊數(shù)據(jù)傳送給發(fā)送端短信貓，并命令發(fā)送端短信貓發(fā)送短信息，隨后發(fā)送端所有設(shè)備重新進(jìn)入休眠狀態(tài)；接收端短信貓接收到短信息之后轉(zhuǎn)發(fā)給計算機(jī)，接下來的工作均由計算機(jī)完成.

本系統(tǒng)使用的雷擊記錄儀和短信貓見圖2.短信貓(GSM modem)內(nèi)部的核心模塊實際上是手機(jī)的核心模塊，每個短信貓需要一片手機(jī)卡的支持.單片機(jī)和計算機(jī)均可直接使用AT指令操作短信貓，這是最底層的短信貓開發(fā)模式，無論是哪種接口的短信貓，其實質(zhì)都是通過短信貓的串行口通信AT指令來驅(qū)動的.

圖2 雷擊記錄儀(左)和短信貓(右)Figure 2 Lightning strike recorder (left) and GSM modem (right)

本系統(tǒng)中發(fā)送端單片機(jī)部分的主要設(shè)計原理圖如圖3所示.其中，單片機(jī)采用自帶雙串口的STC12C5A08S2型號，該型單片機(jī)內(nèi)部自帶8 K程序存儲器和1 280字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器RAM，同時集成了8 K閃存(即8 192字節(jié)的EEPROM)，具有單周期(1T)指令執(zhí)行功能，工作頻率可達(dá)35 MHz，運行速度快，工作電壓范圍寬(3.3～5.5 V)，抗干擾能力強(qiáng)，有5個外部喚醒引腳，可以通過串行口實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信喚醒，可以在線編程(即ISP功能)，方便開發(fā)調(diào)試.MAX3222芯片也具有休眠功能，與單片機(jī)連接，擴(kuò)展2個RS232串行口，分別與記錄儀和發(fā)送端短信貓通信，圖中省略了單片機(jī)控制發(fā)送端短信貓電源的部分電路.6伏電池通過2個二極管降壓至5 V為發(fā)送端供電，休眠時發(fā)送端電流小于5 μA.

圖3 單片機(jī)部分的主要設(shè)計原理圖Figure 3 The MCU’s primary design schematic diagram

2 軟件結(jié)構(gòu)

發(fā)送端單片機(jī)的軟件采用匯編語言編程[7]，主要涉及休眠，喚醒，利用單片機(jī)的第一串行口(RXD和TXD)與記錄儀通信，利用單片機(jī)的第二串行口(RXD2和TXD2)與發(fā)送端短信貓通信等功能.其中，AT指令集是適合操作短信貓的一套專用指令，可以用單片機(jī)的匯編語言方便地實現(xiàn).單片機(jī)與發(fā)送端短信貓的通信子程序主要包括：①單片機(jī)喚醒和休眠發(fā)送端短信貓;②發(fā)送端短信貓轉(zhuǎn)發(fā)來自于記錄儀的雷擊數(shù)據(jù);③單片機(jī)接收來自于發(fā)送端短信貓的“發(fā)送短信息成功”確認(rèn)字符串;④單片機(jī)接收來自于發(fā)送端短信貓的“接收端是否接收成功確認(rèn)字符串”等子程序.

接收端計算機(jī)的軟件采用VB6語言和Microsoft Access 2000數(shù)據(jù)庫編程，實現(xiàn)雷擊監(jiān)測點相對位置圖形顯示、數(shù)據(jù)的管理、查詢、統(tǒng)計、分析和打印等功能.VB6操作串行口非常簡單，只需調(diào)用串行口ActiveX控件MSCOMM即可，設(shè)置串行口的工作方式為：波特率9 600，8位數(shù)據(jù)，1位停止位，無校驗.計算機(jī)從接收端短信貓中接收數(shù)據(jù)后，首先判斷數(shù)據(jù)格式或內(nèi)容是否正確，如果不正確則回復(fù)重發(fā)AT命令，使接收端短信貓發(fā)送一條“接收端接收不成功”的短信息給發(fā)送端短信貓；如果正確則回復(fù)確認(rèn)接收AT命令，使接收端短信貓發(fā)送一條“接收端接收成功”的短信息給發(fā)送端短信貓.對于內(nèi)容完全重復(fù)的雷擊數(shù)據(jù)按一條雷擊數(shù)據(jù)存儲管理.

采用Access數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，是基于整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量不大，以及軟件的易安裝性的考慮.Access屬于簡單實用的中、小型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，以一個擴(kuò)展名為“.mdb”的文件形式存在.根據(jù)系統(tǒng)需要，在Access數(shù)據(jù)庫中分別建立了不同的表.

在計算機(jī)的軟件界面中，實現(xiàn)了簡單的雷擊監(jiān)測點相對位置圖形，較直觀地顯示出最近一次發(fā)生雷擊的監(jiān)測點位置.

AT指令集的幾個典型指令如表1所示.

表1 AT指令集的幾個典型指令Table 1 Some representative instruction of AT Set

單片機(jī)的8 K閃存用于滾動存儲最新的100條雷擊數(shù)據(jù)(每條雷擊數(shù)據(jù)有固定的50個字節(jié))，其作用是為了解決整個系統(tǒng)通信的難點，即2個短信貓之間的握手問題.發(fā)送端短信貓發(fā)送短信息不成功時，單片機(jī)會命令發(fā)送端短信貓重發(fā)，但是發(fā)送端短信貓發(fā)送短信息成功后，整個發(fā)送端出于省電的考慮，最多延遲30 s，然后會重新進(jìn)入休眠狀態(tài).而接收端短信貓接收短信息可能會因為“短信息中心”的原因出現(xiàn)正常延遲，因此接收端短信貓接收到短信息后，發(fā)送的“接收端是否接收成功確認(rèn)字符串”短信息到達(dá)發(fā)送端短信貓可能會超出30 s.如果發(fā)送時間在30 s內(nèi)，而且發(fā)送端短信貓能及時收到“接收端是否接收成功確認(rèn)字符串”短信息，說明本次握手成功；如果時間在30 s之后，或者發(fā)送端短信貓不能及時接收，則利用記錄儀每24 h自動喚醒1次，從而喚醒全部發(fā)送端設(shè)備的功能，由單片機(jī)持續(xù)掃描(最長30 s)發(fā)送端短信貓的最新接收的標(biāo)記為“未讀”的短信息，分析“接收端是否接收成功確認(rèn)字符串”的內(nèi)容，并將接收端沒有接收成功的對應(yīng)雷擊數(shù)據(jù)從8 K閃存中提取出來，重新發(fā)送1次.

部分匯編語言程序源代碼如下：

START: MOV SP, #80H;堆棧初始化-STC12C5A08S2

CALL SYS_INI;調(diào)用系統(tǒng)初始化部分子程序

MOV R5, #0;寄存器R5中保存接收到的雷擊記錄字節(jié)數(shù)

STAR2: MOV PCON, #2;單片機(jī)休眠命令

NOP

NOP

NOP

CJNE R5, #0, STAR3;R5不等于零則轉(zhuǎn)移

JMP STAR2;R5的值為零，說明沒有發(fā)生雷擊，單片機(jī)被意外喚醒

STAR3: CALL FSDX;R5不等于零，說明發(fā)生了1次雷擊，則調(diào)用發(fā)送短信子程序

CALL GSMXM;調(diào)用GSM模塊(短信貓)休眠子程序

MOV R5,#0;R5中保存接收到的雷擊記錄字節(jié)數(shù)

JMP STAR2;程序返回，重新休眠

......

;發(fā)送AT指令子程序

ATYKJ: MOV A, #41H;將ASCII碼A發(fā)送到串口去

CALL FS;調(diào)用發(fā)送1個字節(jié)到GSM模塊(短信貓)的子程序

MOV A, #54H;將ASCII碼T發(fā)送到串口去

CALL FS

RET

;發(fā)送1個字節(jié)的ASCII碼

FS: CALL S2TIQL;調(diào)用第二串行口發(fā)送完畢標(biāo)志S2TI清零子程序

MOV S2BUF, A;啟動發(fā)送

FS1: MOV A, S2CON

ANL A,#00000010B;讀取并檢測 S2TI 標(biāo)志位.

JZ FS1;等待發(fā)送結(jié)束

CALL S2TIQL;調(diào)用S2TI清零子程序,為下次發(fā)送做準(zhǔn)備

RET

3 小結(jié)

雷擊監(jiān)測數(shù)據(jù)無線遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)采用便攜式的電池供電，平時耗電極小，電池壽命可達(dá)5年以上，克服了短信貓之間因短信中心的延遲造成的通信握手的技術(shù)難點，有效解決了野外沒有交流電源的情況下，雷擊監(jiān)測點的數(shù)據(jù)采集和傳輸問題，而且結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，采用成熟的技術(shù)，十分可靠.自投產(chǎn)1年多來，運行良好，為雷電災(zāi)害的檢測和研究提供了非常重要的數(shù)據(jù)信息.同時，雷擊監(jiān)測數(shù)據(jù)無線遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)還可以擴(kuò)展功能，用于社會生產(chǎn)的其它方面，例如無線遠(yuǎn)距離森林火災(zāi)報警、無線遠(yuǎn)距離煤氣泄露報警或任何野外無交流電源的場合.

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