鄧 蘇，宋潤(rùn)武

(貴州省江口縣氣象局，貴州 江口 554400)

0 引言

雷電是大自然中常見的一種天氣現(xiàn)象，容易引發(fā)各種災(zāi)害，甚至危及人類生命財(cái)產(chǎn)安全。貴州雷電發(fā)生比較頻繁，特別是西南部和赤水地區(qū)[1]。由此可見，雷電的監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。目前，雷電定位是監(jiān)測(cè)雷電的基本技術(shù)手段，國(guó)內(nèi)外對(duì)雷電定位系統(tǒng)做了很多研究，其中不少已投入實(shí)際環(huán)境中使用[2]。但這些雷電定位系統(tǒng)的探測(cè)器普遍體積較大、成本較高、安裝困難。本論文研究的新型雷電定位系統(tǒng)，是通過閃電傳感器測(cè)量距離、GPS模塊能定位與授時(shí)的功能，大大縮小探測(cè)器體積、降低探測(cè)器成本，而且具有安裝方便、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)。

1 雷電定位原理

通過閃電傳感器測(cè)出閃電到探測(cè)器的距離，探測(cè)器內(nèi)的GPS模塊獲取探測(cè)器所在地的經(jīng)緯度、高度和時(shí)間，再根據(jù)幾何學(xué)中的多圓相交于一點(diǎn)的準(zhǔn)則，就能確定閃電的發(fā)生位置(圖1)。

圖1 閃電定位原理圖Fig.1 lightning positioning schematic diagram

閃電定位是在WGS-84坐標(biāo)系中計(jì)算。假如閃電到達(dá)S1、S2、S3、S4的位置分別為d1、d2、d3、d4。而S1、S2、S3、S4在WGS-84坐標(biāo)系中的位置分別為(x1y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)，閃電在WGS-84坐標(biāo)系中的位置為(x,y,z)，根據(jù)兩點(diǎn)之間的距離公式，則計(jì)算閃電位置的方程組如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

對(duì)上述4個(gè)方程先變形，式(2)-式(1)，式(3)-式(1)，式(4)-式(1)，得到閃電位置坐標(biāo)的線性方程組，將方程組寫成矩陣形式：

ΑX=L

(5)

其中

(6)

X=(xyz)T

(7)

(8)

把ΑX=L寫成另外一種形式：

X=A-1L

(9)

通過計(jì)算，從而獲取閃電在WGS-84坐標(biāo)系中的位置，再將WGS-84坐標(biāo)系中的閃電位置轉(zhuǎn)換成大地坐標(biāo)系，就能獲得經(jīng)緯度。

2 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，雷電定位系統(tǒng)由探測(cè)器、中心站、數(shù)據(jù)庫(kù)和雷電信息發(fā)布平臺(tái)組成。探測(cè)器測(cè)量閃電到探測(cè)器的距離，獲取經(jīng)緯度、時(shí)間等信息，并把這些信息以無線TCP方式發(fā)給中心站；中心站通過TCP通信接受探測(cè)器發(fā)來的數(shù)據(jù)，然后計(jì)算出閃電的位置；數(shù)據(jù)庫(kù)用來保存閃電的經(jīng)緯度、高度、時(shí)間、地址信息；雷電信息發(fā)布平臺(tái)是一個(gè)B/S模式的網(wǎng)頁(yè)，發(fā)布探測(cè)到的閃電發(fā)生地點(diǎn)，具體的雷電探測(cè)定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示[3]：

圖2 雷電探測(cè)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 structure of lightning detection location system

3 硬件設(shè)計(jì)

雷電定位系統(tǒng)的硬件主要是探測(cè)器的設(shè)計(jì)。探測(cè)器包括5個(gè)子模塊，分別是微處理器MSP430F5438控制器，閃電傳感器AS3935的電路，GPS模塊與單片機(jī)的接口電路，GSM數(shù)據(jù)傳輸模塊與單片機(jī)的接口電路，電源管理電路，探測(cè)器的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 detector structure

3.1 控制器的設(shè)計(jì)

控制器的主芯片采用德州儀器公司的超低功耗單片機(jī)MSP430F5438，供電電壓在2.2～3.6 V之間，擁有高達(dá)256KB的程序存儲(chǔ)空間，多達(dá)87個(gè)I/O端口，還有豐富的外設(shè)電路，屬于比較高端的MSP430單片機(jī)?？刂破魇褂?個(gè)獨(dú)立的串口和一個(gè)SPI接口，其中一個(gè)串口接收GPS模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)，另一個(gè)串口發(fā)送數(shù)據(jù)到GSM模塊；SPI接口控制AS3935,獲取閃電距離。

3.2 閃電傳感器

閃電傳感器采用奧地利微電子公司的推出的內(nèi)部集成嵌入式智能算法的富蘭克林閃電傳感器芯片AS3935[4]。芯片通過RF接收器探測(cè)附近是否有閃電的電能釋放，并估算風(fēng)暴前沿到達(dá)閃電傳感器的距離、識(shí)別云閃與地閃。AS3935探測(cè)距離在1～40 km之間，可以消除電機(jī)、微波爐等人為干擾信號(hào)，且組成獲取閃電距離的電路圖只需較少的元器件。

AS3935供電范圍分為2.4～3.6 V和2.4～5.5 V兩種。當(dāng)AS3935第6角VREG接高電平時(shí)，電壓調(diào)節(jié)器打開，選擇2.4～5.5 V供電。MSP430F5438通過四線式SPI總線控制AS3935。當(dāng)AS3935檢測(cè)到閃電信號(hào)后，產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)通過響應(yīng)中斷信號(hào)，讀取寄存器，從而獲取閃電到達(dá)探測(cè)器的距離。圖4為AS3935電路與單片機(jī)的接口電路圖。

圖4 AS3935電路圖Fig.4 AS3935 circuit diagram

3.3 GPS模塊

GPS模塊采用u-blox公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的NEO-6M模組，自動(dòng)定位精度小于2.5 m，定時(shí)精度為20 ns。模塊的供電電壓在2.7～3.6 V之間，和單片機(jī)的電平匹配[5]。MEO-6M模塊有4種接口傳輸數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)利用串口傳輸經(jīng)緯度、高度及時(shí)間信息給單片機(jī)。

3.4 GSM傳輸模塊

GSM傳輸模塊選用芯訊通無線科技有限公司的SIM900A，內(nèi)嵌TCP協(xié)議，做TCP的網(wǎng)絡(luò)傳輸。MSP430單片機(jī)通過串口與SIM900A建立連接，連接以后就可以通過“AT”命令來進(jìn)行通信。

4 軟件設(shè)計(jì)

雷電定位系統(tǒng)的軟件包括探測(cè)與中心站的軟件設(shè)計(jì)，以及數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和雷電信息發(fā)布平臺(tái)的設(shè)計(jì)。

4.1 探測(cè)器的軟件設(shè)計(jì)流程

探測(cè)器首先初始化硬件，建立TCP連接，檢測(cè)AS3935是否有地閃信號(hào)。若有，則立即獲取探測(cè)器的經(jīng)緯度、高度、時(shí)間及閃電到探測(cè)器的距離，并把數(shù)據(jù)打包發(fā)送給SIM900A，由SIM900A自動(dòng)把數(shù)據(jù)發(fā)送給中心站。探測(cè)器的程序流程圖如圖5所示：

4.2 中心站程序設(shè)計(jì)

中心站是一個(gè)使用C#語(yǔ)言開發(fā)的控制和數(shù)據(jù)處理軟件。主要工作是建立TCP服務(wù)器、加載Google地圖、使用ADO.NET技術(shù)連接數(shù)據(jù)庫(kù)、接受探測(cè)器發(fā)來的數(shù)據(jù)、計(jì)算閃電的位置以及在Google地圖顯示閃電發(fā)生的位置，并把位置信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)。在計(jì)算閃電的位置時(shí)，需要在WGS-84坐標(biāo)系中。大地坐標(biāo)的經(jīng)度、緯度、高度分別用字母表示為(Lk,Bk,Hk)，從大地坐標(biāo)變換到WGS-84坐標(biāo)(x,y,z)的變換公式[6]如下：

x=(N+h)cos Lkcos Bk

(10)

y=(N+h)cos Lksin Bk

(11)

z=[N(1-e2)+h]sin Lk

(12)

N是基準(zhǔn)橢球體的卯酉圓曲率半徑，e是橢圓偏心率，h是大地高度，它們與基準(zhǔn)橢球體的長(zhǎng)半徑a和短半徑b存在如下關(guān)系：

(13)

(14)

反過來，從WGS-84坐標(biāo)系(x,y,z)變換到大地坐標(biāo)(Lk,Bk,Hk)的變換公式如下：

(15)

(16)

(17)

中間變量p的計(jì)算公式為

(18)

計(jì)算Bk和Hk時(shí)，采用迭代法：首先設(shè)置Bk等于0，然后依次計(jì)算N,Hk,Bk，再將剛得到Bk重新代入17式，再一次更新N,Hk,Bk。如此循環(huán)，直到兩次求得的Bk之間相差一個(gè)很小的數(shù)就收斂。

4.3 雷電信息發(fā)布平臺(tái)設(shè)計(jì)

利用SQL Server 2008軟件建立數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)閃電的位置信息[7]，使用ASP.NET技術(shù)構(gòu)建一個(gè)基于B/S模式的雷電信息發(fā)布網(wǎng)站[8]，并向社會(huì)發(fā)布最新的雷電信息。

5 測(cè)試結(jié)果和分析

測(cè)試閃電的地點(diǎn)選在雷電多發(fā)區(qū)—四川雅安市，共4個(gè)探測(cè)站。中心站先把接收的數(shù)據(jù)顯示在界面上，然后通過計(jì)算，在界面上顯示閃電的經(jīng)緯度和高度，同時(shí)Google地圖根據(jù)閃電經(jīng)緯度查找閃電發(fā)生的具體地址。圖6為雅安市寶興縣閃電的發(fā)生地點(diǎn)。

圖6 中心站上位機(jī)軟件Fig.6 upper computer software of central station

經(jīng)過中心站的數(shù)據(jù)處理，得到閃電的位置和時(shí)間信息以后，中心站會(huì)把閃電發(fā)生的經(jīng)緯度、高度、發(fā)生的時(shí)間以及具體地址一起存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

閃電定位的精度主要由AS3935決定，而AS3935能測(cè)量風(fēng)暴前沿的最小距離是1 km，經(jīng)過測(cè)試，閃電發(fā)生的實(shí)際位置與計(jì)算出來的閃電位置偏差在1 km之內(nèi)，說明AS3935測(cè)量閃電的距離是比較準(zhǔn)確的，即可以將閃電傳感器AS3935運(yùn)用在雷電定位系統(tǒng)中，測(cè)量閃電到探測(cè)器距離，實(shí)現(xiàn)閃電定位。

6 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)充分利用新型閃電傳感器AS3935測(cè)量閃電到達(dá)探測(cè)器距離的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合GPS模塊精確定位和授時(shí)功能，大大縮減雷電定位系統(tǒng)的成本和體積。本系統(tǒng)具有很好的推廣性，可作為雷電監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的理想方案之一。另外，本系統(tǒng)的閃電傳感器AS3935還可以作為便攜式閃電探測(cè)器，在人們出行時(shí)可以隨身攜帶，方便監(jiān)測(cè)有無閃電發(fā)生，從而更好地保護(hù)人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。