基于ZigBee的中波發(fā)射臺雷電監(jiān)測系統(tǒng)

廣東省廣播電視技術(shù)中心八O八臺 舒杰磊

一、引言

中波發(fā)射臺通常地處平原地帶，而中波天線通常高達(dá)數(shù)十米乃至數(shù)百米，再加上周圍少有高層建筑，所以很容易成為雷電襲擊的目標(biāo)。本文設(shè)計(jì)了一套無線雷電監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)檢測和記錄雷擊發(fā)生時(shí)間和次數(shù)，并通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，將檢測結(jié)果匯總到中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)，并設(shè)計(jì)了記錄和統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)的軟件，可以用對雷電發(fā)生頻率等情況進(jìn)行準(zhǔn)確分析，為中波臺防雷系統(tǒng)提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)。

二、雷電監(jiān)測系統(tǒng)的組成

本雷電監(jiān)測系統(tǒng)主要由現(xiàn)場雷電計(jì)數(shù)器、無線傳送裝置、中央雷電監(jiān)測統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)三部分組成。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

現(xiàn)場雷電計(jì)數(shù)器安裝在監(jiān)測現(xiàn)場，其檢測探頭固定在金屬放電球或石墨放電球的接地線上，實(shí)時(shí)監(jiān)測避雷裝置的雷擊動(dòng)作情況；現(xiàn)場雷電計(jì)數(shù)器集成ZigBee通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、命令的無線實(shí)時(shí)傳輸。無線傳送裝置安裝于該無線網(wǎng)絡(luò)的局部網(wǎng)絡(luò)中心，起到ZigBee網(wǎng)絡(luò)組織及與上位中控機(jī)通信的功能。系統(tǒng)中可采用多個(gè)無線傳送裝置組建多個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。中央雷電監(jiān)測統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)是運(yùn)行于上位中控機(jī)的軟件系統(tǒng), 由LabVIEW編制，其功能是匯總、統(tǒng)計(jì)和分析無線網(wǎng)絡(luò)匯集的雷電數(shù)據(jù)和防雷器故障信息，對故障信號進(jìn)行聲光報(bào)警顯示；對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和控制。

1．現(xiàn)場雷電計(jì)數(shù)器

現(xiàn)場雷電計(jì)數(shù)器是實(shí)時(shí)監(jiān)測通過避雷裝置的雷電流，記錄雷電發(fā)生次數(shù)和發(fā)生時(shí)間，無線傳送雷電信息的裝置。當(dāng)雷電發(fā)生，防雷裝置經(jīng)接地線將雷電流導(dǎo)入大地時(shí)，計(jì)數(shù)器將自動(dòng)記錄雷電發(fā)生時(shí)間，同時(shí)經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至無線傳送裝置并最終由中控機(jī)顯示和處理。其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2。

現(xiàn)場雷電計(jì)數(shù)器核心MCU采用了某公司的MSP430系列單片機(jī)。該系列單片機(jī)具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、片內(nèi)資源豐富的特性，特別是其超低功耗的優(yōu)點(diǎn)，待機(jī)電流只需0.1uA，特別適用于電池供電的系統(tǒng)。

針對實(shí)際監(jiān)測現(xiàn)場的不同環(huán)境，計(jì)數(shù)器的供電電路采用了兩種不同的設(shè)計(jì)：室內(nèi)或容易連接交流電的現(xiàn)場，采用500mA的AC-DC模塊、LDO穩(wěn)壓芯片構(gòu)建；室外且不易連接交流電的現(xiàn)場，采用9V-100mA太陽能電池板、2000mA鎳氫電池組、電池充電及穩(wěn)壓電路構(gòu)建。復(fù)位電路對MCU和各模塊進(jìn)行上電和低電壓復(fù)位，保證設(shè)備上電后的自動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行。

雷電流監(jiān)測探頭固定在避雷設(shè)備接地線上，用于監(jiān)測感應(yīng)雷電流。探頭使用鐵芯及漆包線繞制，并使用環(huán)氧樹脂固定在塑料密封盒內(nèi)。探頭緊貼接地線固定，當(dāng)雷電流通過地線時(shí)，地線周圍產(chǎn)生變化磁場，由電磁感應(yīng)原理在探頭輸出端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，經(jīng)信號變換后產(chǎn)生觸發(fā)信號并使計(jì)數(shù)器動(dòng)作。

2．無線傳送裝置

現(xiàn)場雷電計(jì)數(shù)器采用ZigBee模塊接入無線網(wǎng)絡(luò)。該模塊集成了符合ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器和微處理器，設(shè)定為ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由器角色，可同時(shí)完成終端節(jié)點(diǎn)和路由轉(zhuǎn)發(fā)的雙重功能，方便組建蜂窩型網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)以及實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自組織。

無線傳送裝置在雷電監(jiān)測系統(tǒng)中主要完成無線網(wǎng)絡(luò)的組織及上位機(jī)通信功能。在無線網(wǎng)絡(luò)中設(shè)定為ZigBee中心協(xié)調(diào)器角色，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起組織、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和管理功能。理論上，在一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)中心協(xié)調(diào)器可連接、管理65535個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)中超過幾十個(gè)節(jié)點(diǎn)就可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)時(shí)性產(chǎn)生較大的下降。同時(shí)，由于無線網(wǎng)絡(luò)傳送距離的局限，僅采用一個(gè)中心協(xié)調(diào)器要覆蓋較大地域范圍實(shí)現(xiàn)無線通信是難以實(shí)現(xiàn)的。故本系統(tǒng)可采用多個(gè)無線傳送裝置作為局部網(wǎng)絡(luò)中心，將其分配不同的網(wǎng)絡(luò)ID，同時(shí)將現(xiàn)場雷電計(jì)數(shù)器也分組設(shè)定為不同的網(wǎng)絡(luò)ID，從而將較大的網(wǎng)絡(luò)劃分為若干小網(wǎng)絡(luò)，提高通信效率，擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。無線傳送裝置與上位中控機(jī)采用USB、RS232或RS485通信。

3．中央雷電監(jiān)測統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)

中控機(jī)上運(yùn)行中央雷電監(jiān)測統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)，用于接收、顯示、記錄、報(bào)警和統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場計(jì)數(shù)器經(jīng)無線傳送裝置發(fā)來的雷電信息，包括雷電發(fā)生時(shí)間、次數(shù)、工作電壓等參數(shù)，并對無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和控制。該軟件系統(tǒng)由LabVIEW編制，其模塊結(jié)構(gòu)如圖3，軟件界面如圖4。

三、雷電監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行情況分析

本臺有中波天線3座，在塔底各安裝1臺太陽能供電的現(xiàn)場雷電計(jì)數(shù)器，上述共3臺現(xiàn)場雷電計(jì)數(shù)器設(shè)定網(wǎng)絡(luò)ID均為01，并工作在網(wǎng)絡(luò)路由器角色。由于中央控制室距離各現(xiàn)場雷電計(jì)數(shù)器的距離都不超過無線通信距離，故直接將無線傳送裝置安裝在中控室，并通過USB接口直接連接中控機(jī)。無線傳送器設(shè)定網(wǎng)絡(luò)ID為01，工作在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器角色。

各裝置上電后，在無線傳送器的組織下，各現(xiàn)場雷電計(jì)數(shù)器自動(dòng)加入無線網(wǎng)絡(luò)，中央雷電監(jiān)測統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)中即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)管理功能。此時(shí)，通信的發(fā)起分為查詢和主動(dòng)上報(bào)兩種：查詢方式由中控機(jī)定時(shí)輪詢各加入網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場雷電計(jì)數(shù)器，用于監(jiān)測各計(jì)數(shù)器的工作狀態(tài)、工作電壓、網(wǎng)絡(luò)通信等參數(shù)，并可對設(shè)備故障情況進(jìn)行報(bào)警；主動(dòng)上報(bào)方式則是當(dāng)現(xiàn)場雷電計(jì)數(shù)器出現(xiàn)突發(fā)事件，如發(fā)生雷電、設(shè)備重啟、設(shè)備電壓低等狀況時(shí)，能主動(dòng)實(shí)時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)和信息發(fā)至中控機(jī)。

本系統(tǒng)投入運(yùn)行后經(jīng)過近1個(gè)月的測試，各設(shè)備運(yùn)行正常，網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定，獲取到該發(fā)射臺多次雷擊記錄。測試結(jié)果證明本雷電監(jiān)測系統(tǒng)具有穩(wěn)定、高效、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，安裝簡單，系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)靈活，改變了傳統(tǒng)產(chǎn)品需要人工觀察、信息收集費(fèi)時(shí)費(fèi)力的狀況，極大地減輕了人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了雷電監(jiān)測技術(shù)水平，保證了防雷裝置工作的可靠性，提高了發(fā)射臺管理的智能水平。

四、結(jié)束語

在中波發(fā)射臺使用雷電監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)記錄雷電災(zāi)害發(fā)生情況，方便技術(shù)人員分析研究本地的雷電災(zāi)害多發(fā)季節(jié)、雷電災(zāi)害發(fā)生頻率，并針對性的采取措施。此外，在中波發(fā)射臺雷電監(jiān)測系統(tǒng)的后續(xù)研發(fā)工作中，可將雷電發(fā)生事件與中波發(fā)射臺站發(fā)射機(jī)自動(dòng)化監(jiān)控平臺、播出監(jiān)聽記錄系統(tǒng)、供配電監(jiān)測系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合起來。如設(shè)計(jì)在雷電災(zāi)害發(fā)生期間，加快其他設(shè)備的監(jiān)測頻率，或加強(qiáng)音頻監(jiān)聽強(qiáng)度，或監(jiān)測電源線路的雷電干擾情況。相信安裝有本套雷電監(jiān)測系統(tǒng)后，中波發(fā)射臺的防雷工作以及安全播出工作可邁上一個(gè)新的臺階。