基于ZigBee的中波发射台雷电监测系统

广东省广播电视技术中心八O八台 舒杰磊

一、引言

中波发射台通常地处平原地带，而中波天线通常高达数十米乃至数百米，再加上周围少有高层建筑，所以很容易成为雷电袭击的目标。本文设计了一套无线雷电监测系统，可以实时检测和记录雷击发生时间和次数，并通过ZigBee无线网络，将检测结果汇总到中央监控计算机，并设计了记录和统计相关数据的软件，可以用对雷电发生频率等情况进行准确分析，为中波台防雷系统提供有价值的数据。

二、雷电监测系统的组成

本雷电监测系统主要由现场雷电计数器、无线传送装置、中央雷电监测统计系统三部分组成。系统拓扑结构如图1所示。

现场雷电计数器安装在监测现场，其检测探头固定在金属放电球或石墨放电球的接地线上，实时监测避雷装置的雷击动作情况；现场雷电计数器集成ZigBee通信协议，实现数据、命令的无线实时传输。无线传送装置安装于该无线网络的局部网络中心，起到ZigBee网络组织及与上位中控机通信的功能。系统中可采用多个无线传送装置组建多个ZigBee网络。中央雷电监测统计系统是运行于上位中控机的软件系统, 由LabVIEW编制，其功能是汇总、统计和分析无线网络汇集的雷电数据和防雷器故障信息，对故障信号进行声光报警显示；对网络设备和无线网络进行管理和控制。

1．现场雷电计数器

现场雷电计数器是实时监测通过避雷装置的雷电流，记录雷电发生次数和发生时间，无线传送雷电信息的装置。当雷电发生，防雷装置经接地线将雷电流导入大地时，计数器将自动记录雷电发生时间，同时经ZigBee网络发送至无线传送装置并最终由中控机显示和处理。其基本结构框图如图2。

现场雷电计数器核心MCU采用了某公司的MSP430系列单片机。该系列单片机具有处理能力强、运算速度快、片内资源丰富的特性，特别是其超低功耗的优点，待机电流只需0.1uA，特别适用于电池供电的系统。

针对实际监测现场的不同环境，计数器的供电电路采用了两种不同的设计：室内或容易连接交流电的现场，采用500mA的AC-DC模块、LDO稳压芯片构建；室外且不易连接交流电的现场，采用9V-100mA太阳能电池板、2000mA镍氢电池组、电池充电及稳压电路构建。复位电路对MCU和各模块进行上电和低电压复位，保证设备上电后的自动稳定运行。

雷电流监测探头固定在避雷设备接地线上，用于监测感应雷电流。探头使用铁芯及漆包线绕制，并使用环氧树脂固定在塑料密封盒内。探头紧贴接地线固定，当雷电流通过地线时，地线周围产生变化磁场，由电磁感应原理在探头输出端产生感应电动势，经信号变换后产生触发信号并使计数器动作。

2．无线传送装置

现场雷电计数器采用ZigBee模块接入无线网络。该模块集成了符合ZigBee协议标准的射频收发器和微处理器，设定为ZigBee网络路由器角色，可同时完成终端节点和路由转发的双重功能，方便组建蜂窝型网状网络以及实现网络自组织。

无线传送装置在雷电监测系统中主要完成无线网络的组织及上位机通信功能。在无线网络中设定为ZigBee中心协调器角色，负责网络的发起组织、网络维护和管理功能。理论上，在一个ZigBee网络中，一个中心协调器可连接、管理65535个网络节点，但在实际应用中，网络中超过几十个节点就可能导致网络通信实时性产生较大的下降。同时，由于无线网络传送距离的局限，仅采用一个中心协调器要覆盖较大地域范围实现无线通信是难以实现的。故本系统可采用多个无线传送装置作为局部网络中心，将其分配不同的网络ID，同时将现场雷电计数器也分组设定为不同的网络ID，从而将较大的网络划分为若干小网络，提高通信效率，扩充网络覆盖范围。无线传送装置与上位中控机采用USB、RS232或RS485通信。

3．中央雷电监测统计系统

中控机上运行中央雷电监测统计系统，用于接收、显示、记录、报警和统计现场计数器经无线传送装置发来的雷电信息，包括雷电发生时间、次数、工作电压等参数，并对无线网络进行管理和控制。该软件系统由LabVIEW编制，其模块结构如图3，软件界面如图4。

三、雷电监测系统的运行情况分析

本台有中波天线3座，在塔底各安装1台太阳能供电的现场雷电计数器，上述共3台现场雷电计数器设定网络ID均为01，并工作在网络路由器角色。由于中央控制室距离各现场雷电计数器的距离都不超过无线通信距离，故直接将无线传送装置安装在中控室，并通过USB接口直接连接中控机。无线传送器设定网络ID为01，工作在网络协调器角色。

各装置上电后，在无线传送器的组织下，各现场雷电计数器自动加入无线网络，中央雷电监测统计系统中即可实现数据统计、网络管理功能。此时，通信的发起分为查询和主动上报两种：查询方式由中控机定时轮询各加入网络的现场雷电计数器，用于监测各计数器的工作状态、工作电压、网络通信等参数，并可对设备故障情况进行报警；主动上报方式则是当现场雷电计数器出现突发事件，如发生雷电、设备重启、设备电压低等状况时，能主动实时将相关数据和信息发至中控机。

本系统投入运行后经过近1个月的测试，各设备运行正常，网络通信稳定，获取到该发射台多次雷击记录。测试结果证明本雷电监测系统具有稳定、高效、准确的特点，安装简单，系统组织结构灵活，改变了传统产品需要人工观察、信息收集费时费力的状况，极大地减轻了人的劳动强度，提高了雷电监测技术水平，保证了防雷装置工作的可靠性，提高了发射台管理的智能水平。

四、结束语

在中波发射台使用雷电监测系统可以实时记录雷电灾害发生情况，方便技术人员分析研究本地的雷电灾害多发季节、雷电灾害发生频率，并针对性的采取措施。此外，在中波发射台雷电监测系统的后续研发工作中，可将雷电发生事件与中波发射台站发射机自动化监控平台、播出监听记录系统、供配电监测系统有机的结合起来。如设计在雷电灾害发生期间，加快其他设备的监测频率，或加强音频监听强度，或监测电源线路的雷电干扰情况。相信安装有本套雷电监测系统后，中波发射台的防雷工作以及安全播出工作可迈上一个新的台阶。