基于樹(shù)莓派的雷電預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

王節(jié)旺，王瑞寶

（中國(guó)人民解放軍92571部隊(duì) 海南 三亞 572021）

基于樹(shù)莓派的雷電預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

王節(jié)旺，王瑞寶

（中國(guó)人民解放軍92571部隊(duì) 海南 三亞 572021）

及時(shí)的預(yù)警可以大大降低和減少雷電造成的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。基于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離雷電預(yù)警，更加準(zhǔn)確判定雷電距離的目的，采用樹(shù)莓派為計(jì)算處理中心結(jié)合富蘭克林閃電傳感器及閃電傳感器模塊監(jiān)測(cè)雷電現(xiàn)象并計(jì)算出雷電現(xiàn)象距離的方法，通過(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè)雷電現(xiàn)象試驗(yàn)，證明該雷電預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到1公里到40公里范圍內(nèi)的雷電現(xiàn)象。該系統(tǒng)體積小，易于安裝到室內(nèi)或戶外設(shè)備，可用于電力、通訊、智能網(wǎng)絡(luò)和智能電網(wǎng)等設(shè)備的雷電早期監(jiān)測(cè)。關(guān)鍵詞：樹(shù)莓派；雷電預(yù)警；I2C總線；傳感器

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，微電子技術(shù)高度發(fā)展，雷電危害對(duì)象也產(chǎn)生了變化，從對(duì)建筑的損害轉(zhuǎn)移到對(duì)電器、電子設(shè)備的損害。雷電災(zāi)害的危害程度和造成的損失也越來(lái)越大。雷電災(zāi)害已被聯(lián)合國(guó)列為“最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一”，被稱作“電子時(shí)代的一大公害”[1]。本文詳細(xì)闡述了一種基于樹(shù)莓派的雷電預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)以成本比較低廉的Raspberry Pi為數(shù)據(jù)處理核心，可有效探測(cè)到40公里范圍內(nèi)的雷電，并準(zhǔn)確顯示雷電距離。

1　雷電預(yù)警系統(tǒng)原理框圖

雷電預(yù)警系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1　雷電預(yù)警系統(tǒng)原理框圖Fig.1　Block diagram of lighting warning system

2　雷電預(yù)警系統(tǒng)硬件構(gòu)成

卡片式電腦 Raspberry Pi、MS5611-01BA氣壓傳感器、MOD-1016閃電傳感器模塊、AS3935富蘭克林閃電傳感器及FTDI FT232RL模塊。

3　系統(tǒng)硬件介紹

3.1卡片式電腦RaspberryPi簡(jiǎn)介

Raspberry Pi是一款以 SD卡為內(nèi)存硬盤，配備一枚700MHz處理器，256內(nèi)存（新版本為512內(nèi)存）的電腦，支持SD卡和Ethernet，擁有2個(gè)USB接口（新版本為4個(gè)），以及HDMI 和RCA輸出支持，操作系統(tǒng)采用開(kāi)源的Linux系統(tǒng)。自2012年問(wèn)世以來(lái)，廣受世界各地計(jì)算機(jī)愛(ài)好者及編程人員的喜愛(ài)。

3.2AS3935富蘭克林閃電傳感器

AS3935富蘭克林閃電傳感器可有效探測(cè)到1公里到40公里范圍內(nèi)雷電現(xiàn)象，該傳感器體積小，易于集成到電信設(shè)備、智能網(wǎng)絡(luò)和智能電網(wǎng)等設(shè)備內(nèi)，可用于防止雷擊的早期監(jiān)測(cè)。

3.3MOD-1016閃電傳感器模塊

通過(guò) SPI或 I2C總線協(xié)議與 Raspberry Pi實(shí)現(xiàn)通訊。MOD-1016模塊默認(rèn)的配置是使用I2C通訊，可通過(guò)跳線更改為SPI通訊方式。

3.4MS5611-01BA氣壓傳感器

MS5611-01BA氣壓傳感器具有高穩(wěn)定性以及非常低的壓力信號(hào)滯后的特性，是一款基于SPI和I2C總線接口的高分辨率氣壓傳感器，分辨率可達(dá)到10 cm。該傳感器可實(shí)現(xiàn)高度計(jì)/溫度計(jì)功能。

圖2　AS3935富蘭克林閃電傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Structure diagram of AS3935 Franklin lighting sencor

圖3　MOD-1016模塊Fig.3　MOD-1016 module

3.5FTDI FT232RL模塊

FT232RL芯片基本不需要外設(shè)，晶振、USB匹配電阻、EEPROM都已經(jīng)集成在內(nèi)部。其作用是使用USB轉(zhuǎn)串口芯片來(lái)虛擬出一個(gè)串口。模塊采用USB供電，可選5 V或者3.3 V接口電平（如需要其他電平，可以直接在VCC和GND引腳上提供目標(biāo)電壓）。

4　系統(tǒng)檢測(cè)雷電原理

在遠(yuǎn)距離時(shí)，主要是雷電輻射場(chǎng)中低頻分量的傳播[2]。來(lái)自天線的雷電信號(hào)送到AS3935集成電路被放大并由模擬前端（AFE）解調(diào)。采集的數(shù)據(jù)大多是一個(gè)瞬時(shí)值，也可以是一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的特征值。當(dāng)一個(gè)事件被檢測(cè)到，AS3935通過(guò)瞬間拉IRQ引腳為高電平通知主機(jī)（Raspberry Pi）設(shè)備。Python中Raspberry Pi處理這些涉及寄存器中斷的事件時(shí)，當(dāng)它檢測(cè)到IRQ引腳電壓被拉高則調(diào)用一個(gè)函數(shù)。根據(jù)表1可知，需要設(shè)置2毫秒的中斷以讀取寄存器0x03，位3-0，以確定是哪些事件。該值表示四種類型的事件之一。

AS3935模塊默認(rèn)情況下，模擬前端（AFE）增益優(yōu)化了室內(nèi)環(huán)境。如果將傳感器置于室外環(huán)境，切換模擬前端（AFE）增益提高室外值設(shè)定值。另一個(gè)重要的設(shè)置是本底噪聲閾值。當(dāng)本底噪聲水平穿過(guò)底噪聲閾發(fā)出中斷允許外部設(shè)備提高閾值。Raspberry Pi中AS3935庫(kù)包括改變這兩種設(shè)置的方法。盡管所使用的AS3935限定和量化事件的算法是專有的和嵌入固定的，但仍有多種處理過(guò)程可設(shè)置。其中第一個(gè)涉及到的是“看門狗”，這是一個(gè)當(dāng)信號(hào)超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閥值，模擬前端（AFE）便有輸出信號(hào)并由監(jiān)視器將該輸出信號(hào)傳送到“信號(hào)確認(rèn)”部分的電路。“看門狗”閾值可通過(guò)寄存器0x01來(lái)調(diào)節(jié)，位3-0。信號(hào)確認(rèn)是該算法的第一個(gè)步驟，把“干擾源”從實(shí)際閃電中挑出來(lái)。寄存器0x02，位3-0允許調(diào)整尖峰抑制閾值。這兩種方法都可以減少誤判，但提高擾動(dòng)抑制是以損失檢測(cè)效率為代價(jià)的。

表1　寄存器狀態(tài)及對(duì)應(yīng)事件Tab.1　Register value indicating four types of events

默認(rèn)情況下，每次檢測(cè)到干擾源，中斷將被激發(fā)。在最初時(shí)，這種方法是檢測(cè)傳感器是否處于工作狀態(tài)的有效手段，但是，在實(shí)際操作中這種方法通常會(huì)使事情變得凌亂。AS3935可以通過(guò)設(shè)置寄存器0x03，第5位為1，屏蔽干擾源。這將避免正在進(jìn)行的中斷以外的任何干擾。另一個(gè)可能有用的設(shè)置是用于消除誤報(bào)或控制輸出音量的閥值，“閃電事件的最小數(shù)目”。如果在15分鐘的時(shí)間間隔內(nèi)檢測(cè)到雷電次數(shù)達(dá)到了所設(shè)置的發(fā)生雷電最小次數(shù)，將產(chǎn)生中斷。寄存器0x02，位5-4，可設(shè)置發(fā)生雷電最小次數(shù)，默認(rèn)值是1，可以將其提高為5、9或16。

如果一個(gè)事件經(jīng)信號(hào)確認(rèn)認(rèn)為是有效的雷擊，AS3935通過(guò)儲(chǔ)存的時(shí)間數(shù)據(jù)估算出0到40公里范圍內(nèi)雷暴的距離。距離由0x07寄存器，位5-0，二進(jìn)制編碼表示。0x3F（111111）表示事件超出范圍。0x01（000001）表示雷暴就發(fā)生在頭頂。

5　系統(tǒng)線路連接及調(diào)試

Raspberry Pi需要安裝python-smbus和i2c-tools安裝包，并且下載i2c-bcm2708和i2c-dev核心模塊，按照表中連線方式連接MOD-1016模塊和Raspberry Pi。AS3935模塊產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，用來(lái)告知Raspberry Pi事件[3]。所以我們需要另加一條線。在Raspberry Pi中執(zhí)行以下語(yǔ)句，進(jìn)行下載并安裝數(shù)據(jù)包：

1）安裝數(shù)據(jù)包

～$sudo apt-get install python-smbus

～$sudo apt-get install i2c-tools

2）下載kernel模塊

～$sudo modprobe i2c-bcm2708

～$sudo modprobe i2c-dev

3）確認(rèn)模塊是否已下載

～$echo"i2c-bcm2708 i2c-dev"|sudo tee-a/etc/ modules

MOD-1016模塊與Raspberry Pi的接口連接表2所示。

圖4　AS3935富蘭克林傳感器與數(shù)據(jù)處理器連接圖Fig.4　Connection diagram of AS3935 Franklin lighting sencor and control unit

表2　MOD-1016模塊與Raspberry Pi的接口連接Tab.2　Interface connection of MOD-1016 and Raspberry Pi

線路連接好可使用i2cdetect查看 I2C是否工作是否可以與其他設(shè)備通信。如果是使用的老版Raspberry Pi（256Mb RAM）使用I2C總線ID設(shè)置為0，如果使用較新版Raspberry Pi（512Mb RAM），則設(shè)置為1。Raspberry Pi執(zhí)行以下語(yǔ)句檢驗(yàn)AS3935和MS5611模塊是否有輸出：

～$sudo i2cdetect-y 0

在AS3935中，通過(guò)切換第三個(gè)寄存器第七位來(lái)清除累計(jì)統(tǒng)計(jì)。表和映射描述寄存器位置和功能，可以在設(shè)備的數(shù)據(jù)表中查找到。

Raspberry Pi使用Linux系統(tǒng)，I2C-tools的軟件包提供了類似i2cdetect，i2cget，i2cdump和i2cset實(shí)用程序，可以在命令行中使用[4-6]。可使用由Python-SMBus數(shù)據(jù)包中SMBus模塊中綁定的I2C總線的命令行，進(jìn)行通訊相關(guān)操作。安裝python環(huán)境下的AS3935庫(kù)后，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。

AS3935采用并聯(lián)RLC電路作為天線和調(diào)諧至500kHz± 3.5%的諧振頻率。電路內(nèi)部為補(bǔ)償變差設(shè)有120PF微調(diào)電容器。通過(guò)寄存器設(shè)置AS3935可使IRQ引腳輸出諧振頻率，可使用外部設(shè)備測(cè)量，且可通過(guò)所需的調(diào)諧電容器適當(dāng)?shù)卣{(diào)整天線。調(diào)用calibrate（）方法，并將調(diào)諧電容值作為參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。天線設(shè)計(jì)的更多細(xì)節(jié)可參考AS3935 AMS硬件設(shè)計(jì)指南。

6　結(jié)束語(yǔ)

雷電預(yù)警系統(tǒng)是目前公認(rèn)的能大幅降低雷擊傷亡與災(zāi)害最有效的措施之一，能及時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)當(dāng)?shù)乩讚艋顒?dòng)情況，為企業(yè)的安全生產(chǎn)管理提供科學(xué)的依據(jù)。本文針對(duì)最近幾年市面出現(xiàn)的新型傳感器，基于新出現(xiàn)的樹(shù)莓派，提出了一種實(shí)用性強(qiáng)、成本低廉、能有效監(jiān)測(cè)雷電的預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)體積小，易于安裝到各種便攜式或戶外設(shè)備，可用于室內(nèi)不間斷電流（UPS）、電源調(diào)節(jié)器、電信設(shè)備、智能網(wǎng)絡(luò)和智能電網(wǎng)等設(shè)備的雷電早期監(jiān)測(cè)。

[1]劉俊.雷電災(zāi)害的類型及其致災(zāi)機(jī)理淺析[J].安全，2011 （5）:5-8.

[2]王芳，劉艷輝，朱文超.基于快電場(chǎng)儀設(shè)計(jì)在防雷系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2013（3）:291-293.

[3]王江偉，劉青.玩轉(zhuǎn)樹(shù)莓派 Raspberry Pi[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

[4]王大亮，曾廣平，張德政.Ubuntu標(biāo)準(zhǔn)教程[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[5]Neil Matthew，Richard Stones.Linux程序設(shè)計(jì)[M].4版.北京：人民郵電出版社，2010.

[6]宋敬彬，孫海濱.Linux網(wǎng)絡(luò)編程[M].2版.清華大學(xué)出版社，2014.

The design of lighting warning system based on Raspberry Pi

WANG Jie-wang，WANG Rui-bao
（People's Liberation Army No.92571，Sanya 572021，China）

The lighting warning system could be very important in daily lighting protection.Timely warning could significantly decrease the casualties and property losses.In this article，the author designs a lighting warning system based on Raspberry Pi with very complicated description of the principle and hardware composition.This system is so tiny that could be easily installed on indoor or outdoor equipment.It also could be used in power industry，communications，intelligent network and smart grid.

Raspberry Pi；lighting；I2C bus；sensor

TP202

A

1674－6236（2016）01-0169-03

2015-01-20稿件編號(hào)：201501159

王節(jié)旺（1982—），男，河南安陽(yáng)人，工程師。研究方向：防雷檢測(cè)技術(shù)及測(cè)控技術(shù)。