基于無線傳感網絡的雷擊信號檢測平臺設計

韓春霞

摘 要： 通過對雷擊信號的實時準確檢測，為高壓電氣等設備的防雷擊監測奠定基礎。傳統的雷擊信號檢測方法采用時頻參量估計方法，在強電磁干擾下檢測性能差。提出一種基于無線傳感網絡的雷擊信號檢測平臺設計方法。通過無線傳感器網絡進行原始的雷擊信號參量等數據信息的采集，設計的雷擊信號的檢測平臺的硬件電路，包括A/D采樣電路、信號濾波電路、雷擊信號的時鐘控制電路、程序加載電路、接口電路等；進行雷擊信號檢測平臺的軟件開發，基于Qt/Embedded的應用軟件開發雷擊信號檢測平臺的腳本，設計波形數據存儲界面，進行可視化模塊設計，通過雷擊信號的波形輸出和人機交互，完成雷擊信號檢測平臺設計。仿真結果表明，該平臺進行雷擊信號檢測的性能較好，準確檢測概率較高。

關鍵詞： 雷擊信號檢測； 無線傳感網絡； 實時檢測； 防雷擊監測

中圖分類號： TN915?34； TN911 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）24?0162?05

Design of lightning signal detection platform based on wireless sensor network

HAN Chunxia

（Information Engineering College， Tongren University， Tongren 554300， China）

Abstract： A foundation for the lightning protection monitoring of high voltage electrical equipments was laid by using the real?time accurate detection of lightning signal. The time?frequency parameter estimation is adopted in the traditional lightning signal detection method， whose detection performance is poor under strong electromagnetic interference. A design method of the lightning signal detection platform based on wireless sensor network is proposed in this paper. The original lightning signal parameters are collected through the wireless sensor network （WSN）. The hardware circuit of the designed lightning signal detection platform includes A/D sampling circuit， signal filter circuit， clock control circuit of lightning signal， program loaded circuit， interface circuit， etc. Software of the lightning signal detection platform was developed. The waveform data storage interface was designed on the basis of the application software development of lightning signal detection platform based on Qt/Embedded script to realize visualization module design. The lightning signal detection platform design was completed by lightning signal waveform output and human?computer interaction. The simulation results show that the lightning signal detection platform has a good performance and accurate detection probability.

Keywords： lightning signal detection； wireless sensor network； real?time detection； lightning protection monitoring

0 引 言

高壓電氣設備在受到雷擊后，會產生強烈的放電脈沖，釋放出的高頻電流導致電氣設備的損壞，需要對雷擊脈沖信號進行準確的預測和判斷。通過對雷擊信號的強度、周期、頻譜等參量的準確估計，提高對雷擊災害的預防和監測能力。在雷擊監測系統中，對雷擊信號的準確檢測是預防雷擊的重要環節，對雷擊信號檢測平臺進行合理有效設計，可以準確檢測雷擊信號，具有重要的現實意義。

傳統方法對雷擊信號進行檢測主要采用基于時頻分析的信號檢測方法、基于分數階傅里葉變換的雷擊信號檢測方法和基于小波分析的雷擊信號檢測方法等[1?4]。這些方法結合現代信號與信息處理理論，通過建立雷擊信號的數學模型，采用時頻特征提取和高階譜特征提取等方法，進行雷擊信號的檢測，取得了一定效果。文獻[5]提出一種基于雷擊脈沖窄帶波束形成的雷擊信號檢測系統設計方法，通過窄帶波束形成逐次把雷擊突發脈沖電壓降低，實現雷擊后的高壓負載監測和分析；但是該系統在進行雷擊系統檢測過程中，受到諧振和電磁干擾的影響，檢測性能差。文獻[6]提出一種基于寬帶混頻接收的雷擊信號檢測系統設計方法，通過對電氣線路在遭到雷擊后的信號畸變成分進行自適應特征分解，提高雷擊信號的幅度和頻譜檢測精度；但是該方法容易受到旁瓣波束的干擾，在雷擊信號檢測中容易產生失真和虛警檢測現象[7?9]。

針對上述問題，本文提出一種基于無線傳感網絡的雷擊信號檢測平臺設計方法，通過仿真實驗進行了性能測試，展示了本文設計的雷擊信號檢測平臺在提高雷擊信號檢測能力方面的優越性能。

1 總體模型設計

1.1 雷擊信號檢測的無線傳感網絡結構模型建立

首先建立混合傳感器鏈路結構模型，將傳感器網絡中雷擊信號特征節點通過輻射半徑為SN×L的用圓盤布爾覆蓋，無線傳感網絡系統是一個n階多輸入/多輸出系統。在該系統中，用于雷擊信號檢測的傳感器移動位置為[S=sii=1，2，…，NSS?C]，雷擊信號的跟蹤濾波節點[u∈C]，傳感網絡的路由移動節點二維坐標[xu，yu]表示在雷擊信號檢測的無線傳感網絡系統中，每個節點具有不同的鏈路特性，通過M個傳感器網絡節點進行雷擊信號調制，在上行鏈路中進行雷擊信號的信噪比估計和信號特征分析，在下行鏈路中進行雷擊信號的信道采集和調制，得到本文設計的雷擊信號檢測無線傳感器網絡結構模型如圖1所示。

1.2 雷擊信號檢測平臺的總體模型設計

在雷擊信號檢測無線傳感器網絡結構模型建立的基礎上，進行雷擊信號的原始數據采集，然后采用自適應融合濾波系統，進行雷擊信號的參數估計和降噪濾波，實現雷擊信號的檢測和輸出，檢測系統的設計框圖如圖2所示。

本文設計雷擊信號檢測平臺主要包括硬件電路設計和軟件集成兩大部分。其中硬件電路有A/D采樣電路、信號濾波電路、雷擊信號的時鐘控制電路、程序加載電路、接口電路等。軟件開發中，通過McBSP與MCP2510的SPI接口傳送到雷擊信號檢測無線傳感器網絡中，McBSP通過訪問發送寄存器在內部發送時鐘Internal CLKX的內部時鐘進行數據收發和通信，此時，雷擊信號檢測平臺的單極點高通濾波器保持關閉狀態，耦合電容[CC]設為10 nF，通過電容交流耦合，采用PCI9054的LOCAL 總線設計方法，對雷擊信號檢測平臺的程序進行加載，系統自動將行為特征線性頻率尺度提取值通過串行E2PROM進行配置和程序編寫，通過動態控制增益進行雷擊信號檢測平臺的數據的采集，時鐘頻率為33 MHz，E2PROM的配置采用VXI總線器件，采樣頻率不低于21 MHz。根據上述分析，得到本文設計的雷擊信號檢測平臺的技術指標描述如下：雷擊信號檢測的采樣頻率不低于13 MHz；在雷達信號的幅值特征提取中，采用移位器進行循環堆棧尋址，其中分辨率不低于8位；并行外設接口的輸入范圍盡量大，采用2線制接口；功耗盡量小。

根據上述設計指標，進行雷擊信號檢測平臺的模塊化設計，包括檢測平臺硬件電路設計和軟件設計等。

2 檢測平臺的設計與實現

2.1 雷擊信號檢測平臺的硬件設計部分

在無線傳感網絡平臺中，進行系統的硬件電路設計，本文設計的雷擊信號的檢測平臺的硬件電路主要有A/D采樣電路、信號濾波電路、雷擊信號的時鐘控制電路、程序加載電路、接口電路等。其中，A/D采樣電路是在無線傳感網絡的輸入層，實現對雷擊信號的原始數據采樣，將無線傳感網絡采集到的雷擊信號的模擬數據轉換為計算機和DSP芯片能識別的數字信息。本文設計的雷擊信號檢測平臺的A/D采樣電路如圖3所示。

根據器件手冊和圖3設計的A/D電路，采用ADG3301進行A/D、D/A轉換和雷擊信號濾波檢測。A/D電路設計后，進行雷擊信號的濾波電路設計。濾波電路采用FIR濾波設計方法，對輸入的雷擊信號進行降噪和抗干擾處理，使用WorkBench電路進行濾波電路的核心器件配置，WorkBench是ADI生產的單通道雙向電平轉換芯片，本文設計的雷擊信號的濾波電路如圖4所示。

分析圖4可知，雷擊信號流經電阻R的電流為0，濾波的轉換電阻R設為200[Ω]，負載電阻100[Ω]實現1.15～5.5 V電平的自由轉換。內核電源通過10[μF]和0.1[μF]電容濾波，ADG3301在內部集成有一個開關電源控制器，進行3.3～5 V的電平轉換，在無線傳感器網絡結構中，實現對雷擊信號的動態濾波管理。其中，濾波輸出的傳輸時延為6 ns，在濾波輸出的接口電路中，為了防止電壓突變產生的基線漂移誤差，采用0805封裝使得ADCLK相比PPICLK延遲6 ns，雷擊信號的高頻TDO信號加匹配電阻進行PPI和AD9225時序調制。下一步，進行雷擊信號的時鐘控制電路設計，時鐘控制電路位于濾波電路的輸出端，通過時鐘控制進行雷擊信號的時頻特征采樣和高階譜分離，是整個基于無線傳感網絡的雷擊信號檢測平臺的控制核心，采用并行外設接口（PPI）與DSP芯片直接相連，AD9225可以差分輸入，本系統采用多通道的A/D接口進行信號處理，采用DSP處理器和PCI總線兩模塊設計進行時鐘鎖定和輸出增益控制，在雷擊信號檢測的時鐘控制中，由Mux101多路ADC通過自適應反饋方法控制VCA810的輸出，當計數器的值為0～[M1]時，輸出0，時鐘控制電路的輸出電壓范圍是[-2 V≤VC≤0]，考慮到輸入的雷擊信號的傳感數據的幅值較低的特點，在模擬信號預處理機的引腳配置中進行現PC機與DSP的高速數據通信，實現對雷擊信號的時鐘控制電路的設計如圖5所示。

在雷擊信號的時鐘控制電路的基礎上，進行雷擊信號檢測的程序加載電路和接口電路設計，程序加載電路是實現雷擊信號檢測算法程序加載的電路部分，本文設計的雷擊信號檢測平臺的程序加載電路如圖6所示。

分析圖6可知，雷擊信號檢測的JTAG口離DSP距離不能超過[6 inch]，ADSP?BF537需要3種電源進行集中供電和JTAG Debug接口模塊的DSP芯片控制，采用在線下載程序到DSP的RAM中的方法，實現對雷擊信號的TAP的復位和高階譜特征提取。

最后進行接口電路設計，通過接口電路實現對雷擊信號檢測、輸出和設備控制，接口電路設計中，通過HP E1433A提供的實時計算測量功能，實現高速傳輸數據和雷擊信號檢測的控制分析，通過接口電路的輸出端，實現對雷擊信號的最高65 MHz的A/D采樣，電路設計結果如圖7所示。

分析圖7可知，通過合理選取R1和R2的阻值可以調整MOSFET功率管的柵極電壓，抑制尖峰電壓的產生，實現對雷擊信號的準確檢測。

2.2 雷擊信號檢測平臺的軟件開發實現

在上述進行了系統的硬件設計的基礎上，進行雷擊信號檢測平臺的軟件開發，通過McBSP與MCP2510的SPI接口將雷擊信號傳送到檢測無線傳感器網絡結構中。雷擊信號檢測平臺采用Server/Client協議進行遠程控制，雷擊信號檢測平臺的Qt/Embedded通過API進行中間件設計，檢測平臺的中間件可以分為三部分：控件、框架和工具。使用的GUI支持訪問嵌入式設備的Qt C++ API，其中?prefix指定安裝目錄，?opensource指定使用開源版本的Qt，輸入命令source install?qt?embedded?x86.sh，開始編譯，在Qt/Embedded的應用模塊編譯鏈接生成可運行于目標平臺的可執行文件，程序編譯過程如圖8所示。

基于Qt/Embedded的應用軟件開發雷擊信號檢測平臺的腳本，在指定的安裝目錄下生成Qt/Embedded for x86，配置qtx11、編譯和安裝編譯、仿真所需的各種文件。為便于用戶保存雷擊信號檢測的輸出結果，本系統設計了波形數據存儲界面。該界面可將測量時間以及測量結果存入SD卡中，雷擊信號的波形存儲界面的設計如圖9所示。

軟件開發的最后，進行可視化模塊設計，人機交互的可視化界面可以實現雷擊信號的波形輸出，設計的人機交互的可視化界面如圖10所示。

綜上分析，完成了雷擊信號檢測的硬件設計和軟件設計。

3 檢測性能測試

為了測試本文設計的系統在實現雷擊信號檢測中的性能，進行仿真實驗，采用無線傳感器網絡進行原始的雷擊信息的采集，信號的采樣頻率為15.64 kHz，雷擊信號的特征提取采用的解調頻率為20 kHz，根據上述仿真環境和參數設定，使用的GUI支持訪問嵌入式設備的Qt C++ API，進行檢測算法的程序加載，實現雷擊信號檢測仿真，得到在信噪比分別為[SNR=-5 dB]和[SNR=-8 dB]條件下，進行雷擊信號檢測的輸出的信號波形如圖11所示。分析圖11可知，采用本文方法進行雷擊信號檢測，能準確檢測到雷擊信號的輸出譜峰值和持續時間，檢測性能較好，為對比性能，采用10 000次蒙特卡洛實驗，結合本文方法和傳統方法進行信號檢測，分析檢測性能曲線，在不同的采樣周期T下，得到仿真結果如圖12所示。

從圖12可見，采用本文方法進行雷擊信號檢測的精度較高，準確檢測概率較高，性能可靠穩定，展示了較好的檢測性能。

4 結 語

本文提出一種基于無線傳感網絡的雷擊信號檢測平臺設計方法，系統測試結果表明，采用該平臺進行雷擊信號檢測，準確檢測性能較好，系統可靠穩定，具有較好的應用價值。

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