基于树莓派的雷电预警系统设计方案

王节旺，王瑞宝

（中国人民解放军92571部队 海南 三亚 572021）

基于树莓派的雷电预警系统设计方案

王节旺，王瑞宝

（中国人民解放军92571部队 海南 三亚 572021）

及时的预警可以大大降低和减少雷电造成的人员伤亡及财产损失。基于实现远距离雷电预警，更加准确判定雷电距离的目的，采用树莓派为计算处理中心结合富兰克林闪电传感器及闪电传感器模块监测雷电现象并计算出雷电现象距离的方法，通过实际监测雷电现象试验，证明该雷电预警系统设计方案可准确监测到1公里到40公里范围内的雷电现象。该系统体积小，易于安装到室内或户外设备，可用于电力、通讯、智能网络和智能电网等设备的雷电早期监测。关键词：树莓派；雷电预警；I2C总线；传感器

随着计算机技术的广泛应用，微电子技术高度发展，雷电危害对象也产生了变化，从对建筑的损害转移到对电器、电子设备的损害。雷电灾害的危害程度和造成的损失也越来越大。雷电灾害已被联合国列为“最严重的十种自然灾害之一”，被称作“电子时代的一大公害”[1]。本文详细阐述了一种基于树莓派的雷电预警系统设计方案，该系统以成本比较低廉的Raspberry Pi为数据处理核心，可有效探测到40公里范围内的雷电，并准确显示雷电距离。

1　雷电预警系统原理框图

雷电预警系统原理框图如图1所示。

图1　雷电预警系统原理框图Fig.1　Block diagram of lighting warning system

2　雷电预警系统硬件构成

卡片式电脑 Raspberry Pi、MS5611-01BA气压传感器、MOD-1016闪电传感器模块、AS3935富兰克林闪电传感器及FTDI FT232RL模块。

3　系统硬件介绍

3.1卡片式电脑RaspberryPi简介

Raspberry Pi是一款以 SD卡为内存硬盘，配备一枚700MHz处理器，256内存（新版本为512内存）的电脑，支持SD卡和Ethernet，拥有2个USB接口（新版本为4个），以及HDMI 和RCA输出支持，操作系统采用开源的Linux系统。自2012年问世以来，广受世界各地计算机爱好者及编程人员的喜爱。

3.2AS3935富兰克林闪电传感器

AS3935富兰克林闪电传感器可有效探测到1公里到40公里范围内雷电现象，该传感器体积小，易于集成到电信设备、智能网络和智能电网等设备内，可用于防止雷击的早期监测。

3.3MOD-1016闪电传感器模块

通过 SPI或 I2C总线协议与 Raspberry Pi实现通讯。MOD-1016模块默认的配置是使用I2C通讯，可通过跳线更改为SPI通讯方式。

3.4MS5611-01BA气压传感器

MS5611-01BA气压传感器具有高稳定性以及非常低的压力信号滞后的特性，是一款基于SPI和I2C总线接口的高分辨率气压传感器，分辨率可达到10 cm。该传感器可实现高度计/温度计功能。

图2　AS3935富兰克林闪电传感器结构图Fig.2　Structure diagram of AS3935 Franklin lighting sencor

图3　MOD-1016模块Fig.3　MOD-1016 module

3.5FTDI FT232RL模块

FT232RL芯片基本不需要外设，晶振、USB匹配电阻、EEPROM都已经集成在内部。其作用是使用USB转串口芯片来虚拟出一个串口。模块采用USB供电，可选5 V或者3.3 V接口电平（如需要其他电平，可以直接在VCC和GND引脚上提供目标电压）。

4　系统检测雷电原理

在远距离时，主要是雷电辐射场中低频分量的传播[2]。来自天线的雷电信号送到AS3935集成电路被放大并由模拟前端（AFE）解调。采集的数据大多是一个瞬时值，也可以是一个时间段内的特征值。当一个事件被检测到，AS3935通过瞬间拉IRQ引脚为高电平通知主机（Raspberry Pi）设备。Python中Raspberry Pi处理这些涉及寄存器中断的事件时，当它检测到IRQ引脚电压被拉高则调用一个函数。根据表1可知，需要设置2毫秒的中断以读取寄存器0x03，位3-0，以确定是哪些事件。该值表示四种类型的事件之一。

AS3935模块默认情况下，模拟前端（AFE）增益优化了室内环境。如果将传感器置于室外环境，切换模拟前端（AFE）增益提高室外值设定值。另一个重要的设置是本底噪声阈值。当本底噪声水平穿过底噪声阈发出中断允许外部设备提高阈值。Raspberry Pi中AS3935库包括改变这两种设置的方法。尽管所使用的AS3935限定和量化事件的算法是专有的和嵌入固定的，但仍有多种处理过程可设置。其中第一个涉及到的是“看门狗”，这是一个当信号超过预先设定的阀值，模拟前端（AFE）便有输出信号并由监视器将该输出信号传送到“信号确认”部分的电路。“看门狗”阈值可通过寄存器0x01来调节，位3-0。信号确认是该算法的第一个步骤，把“干扰源”从实际闪电中挑出来。寄存器0x02，位3-0允许调整尖峰抑制阈值。这两种方法都可以减少误判，但提高扰动抑制是以损失检测效率为代价的。

表1　寄存器状态及对应事件Tab.1　Register value indicating four types of events

默认情况下，每次检测到干扰源，中断将被激发。在最初时，这种方法是检测传感器是否处于工作状态的有效手段，但是，在实际操作中这种方法通常会使事情变得凌乱。AS3935可以通过设置寄存器0x03，第5位为1，屏蔽干扰源。这将避免正在进行的中断以外的任何干扰。另一个可能有用的设置是用于消除误报或控制输出音量的阀值，“闪电事件的最小数目”。如果在15分钟的时间间隔内检测到雷电次数达到了所设置的发生雷电最小次数，将产生中断。寄存器0x02，位5-4，可设置发生雷电最小次数，默认值是1，可以将其提高为5、9或16。

如果一个事件经信号确认认为是有效的雷击，AS3935通过储存的时间数据估算出0到40公里范围内雷暴的距离。距离由0x07寄存器，位5-0，二进制编码表示。0x3F（111111）表示事件超出范围。0x01（000001）表示雷暴就发生在头顶。

5　系统线路连接及调试

Raspberry Pi需要安装python-smbus和i2c-tools安装包，并且下载i2c-bcm2708和i2c-dev核心模块，按照表中连线方式连接MOD-1016模块和Raspberry Pi。AS3935模块产生中断请求，用来告知Raspberry Pi事件[3]。所以我们需要另加一条线。在Raspberry Pi中执行以下语句，进行下载并安装数据包：

1）安装数据包

～$sudo apt-get install python-smbus

～$sudo apt-get install i2c-tools

2）下载kernel模块

～$sudo modprobe i2c-bcm2708

～$sudo modprobe i2c-dev

3）确认模块是否已下载

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

MOD-1016模块与Raspberry Pi的接口连接表2所示。

图4　AS3935富兰克林传感器与数据处理器连接图Fig.4　Connection diagram of AS3935 Franklin lighting sencor and control unit

表2　MOD-1016模块与Raspberry Pi的接口连接Tab.2　Interface connection of MOD-1016 and Raspberry Pi

线路连接好可使用i2cdetect查看 I2C是否工作是否可以与其他设备通信。如果是使用的老版Raspberry Pi（256Mb RAM）使用I2C总线ID设置为0，如果使用较新版Raspberry Pi（512Mb RAM），则设置为1。Raspberry Pi执行以下语句检验AS3935和MS5611模块是否有输出：

～$sudo i2cdetect-y 0

在AS3935中，通过切换第三个寄存器第七位来清除累计统计。表和映射描述寄存器位置和功能，可以在设备的数据表中查找到。

Raspberry Pi使用Linux系统，I2C-tools的软件包提供了类似i2cdetect，i2cget，i2cdump和i2cset实用程序，可以在命令行中使用[4-6]。可使用由Python-SMBus数据包中SMBus模块中绑定的I2C总线的命令行，进行通讯相关操作。安装python环境下的AS3935库后，进行系统调试。

AS3935采用并联RLC电路作为天线和调谐至500kHz± 3.5%的谐振频率。电路内部为补偿变差设有120PF微调电容器。通过寄存器设置AS3935可使IRQ引脚输出谐振频率，可使用外部设备测量，且可通过所需的调谐电容器适当地调整天线。调用calibrate（）方法，并将调谐电容值作为参数，对系统进行调整。天线设计的更多细节可参考AS3935 AMS硬件设计指南。

6　结束语

雷电预警系统是目前公认的能大幅降低雷击伤亡与灾害最有效的措施之一，能及时、准确地预报当地雷击活动情况，为企业的安全生产管理提供科学的依据。本文针对最近几年市面出现的新型传感器，基于新出现的树莓派，提出了一种实用性强、成本低廉、能有效监测雷电的预警系统设计方案。该系统体积小，易于安装到各种便携式或户外设备，可用于室内不间断电流（UPS）、电源调节器、电信设备、智能网络和智能电网等设备的雷电早期监测。

[1]刘俊.雷电灾害的类型及其致灾机理浅析[J].安全，2011 （5）:5-8.

[2]王芳，刘艳辉，朱文超.基于快电场仪设计在防雷系统中的应用[J].电源技术应用，2013（3）:291-293.

[3]王江伟，刘青.玩转树莓派 Raspberry Pi[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013.

[4]王大亮，曾广平，张德政.Ubuntu标准教程[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[5]Neil Matthew，Richard Stones.Linux程序设计[M].4版.北京：人民邮电出版社，2010.

[6]宋敬彬，孙海滨.Linux网络编程[M].2版.清华大学出版社，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稿件编号：201501159

王节旺（1982—），男，河南安阳人，工程师。研究方向：防雷检测技术及测控技术。