基于无线传感网络的雷击信号检测平台设计

韩春霞

摘 要： 通过对雷击信号的实时准确检测，为高压电气等设备的防雷击监测奠定基础。传统的雷击信号检测方法采用时频参量估计方法，在强电磁干扰下检测性能差。提出一种基于无线传感网络的雷击信号检测平台设计方法。通过无线传感器网络进行原始的雷击信号参量等数据信息的采集，设计的雷击信号的检测平台的硬件电路，包括A/D采样电路、信号滤波电路、雷击信号的时钟控制电路、程序加载电路、接口电路等；进行雷击信号检测平台的软件开发，基于Qt/Embedded的应用软件开发雷击信号检测平台的脚本，设计波形数据存储界面，进行可视化模块设计，通过雷击信号的波形输出和人机交互，完成雷击信号检测平台设计。仿真结果表明，该平台进行雷击信号检测的性能较好，准确检测概率较高。

关键词： 雷击信号检测； 无线传感网络； 实时检测； 防雷击监测

中图分类号： TN915?34； TN911 文献标识码： A 文章编号： 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

高压电气设备在受到雷击后，会产生强烈的放电脉冲，释放出的高频电流导致电气设备的损坏，需要对雷击脉冲信号进行准确的预测和判断。通过对雷击信号的强度、周期、频谱等参量的准确估计，提高对雷击灾害的预防和监测能力。在雷击监测系统中，对雷击信号的准确检测是预防雷击的重要环节，对雷击信号检测平台进行合理有效设计，可以准确检测雷击信号，具有重要的现实意义。

传统方法对雷击信号进行检测主要采用基于时频分析的信号检测方法、基于分数阶傅里叶变换的雷击信号检测方法和基于小波分析的雷击信号检测方法等[1?4]。这些方法结合现代信号与信息处理理论，通过建立雷击信号的数学模型，采用时频特征提取和高阶谱特征提取等方法，进行雷击信号的检测，取得了一定效果。文献[5]提出一种基于雷击脉冲窄带波束形成的雷击信号检测系统设计方法，通过窄带波束形成逐次把雷击突发脉冲电压降低，实现雷击后的高压负载监测和分析；但是该系统在进行雷击系统检测过程中，受到谐振和电磁干扰的影响，检测性能差。文献[6]提出一种基于宽带混频接收的雷击信号检测系统设计方法，通过对电气线路在遭到雷击后的信号畸变成分进行自适应特征分解，提高雷击信号的幅度和频谱检测精度；但是该方法容易受到旁瓣波束的干扰，在雷击信号检测中容易产生失真和虚警检测现象[7?9]。

针对上述问题，本文提出一种基于无线传感网络的雷击信号检测平台设计方法，通过仿真实验进行了性能测试，展示了本文设计的雷击信号检测平台在提高雷击信号检测能力方面的优越性能。

1 总体模型设计

1.1 雷击信号检测的无线传感网络结构模型建立

首先建立混合传感器链路结构模型，将传感器网络中雷击信号特征节点通过辐射半径为SN×L的用圆盘布尔覆盖，无线传感网络系统是一个n阶多输入/多输出系统。在该系统中，用于雷击信号检测的传感器移动位置为[S=sii=1，2，…，NSS?C]，雷击信号的跟踪滤波节点[u∈C]，传感网络的路由移动节点二维坐标[xu，yu]表示在雷击信号检测的无线传感网络系统中，每个节点具有不同的链路特性，通过M个传感器网络节点进行雷击信号调制，在上行链路中进行雷击信号的信噪比估计和信号特征分析，在下行链路中进行雷击信号的信道采集和调制，得到本文设计的雷击信号检测无线传感器网络结构模型如图1所示。

1.2 雷击信号检测平台的总体模型设计

在雷击信号检测无线传感器网络结构模型建立的基础上，进行雷击信号的原始数据采集，然后采用自适应融合滤波系统，进行雷击信号的参数估计和降噪滤波，实现雷击信号的检测和输出，检测系统的设计框图如图2所示。

本文设计雷击信号检测平台主要包括硬件电路设计和软件集成两大部分。其中硬件电路有A/D采样电路、信号滤波电路、雷击信号的时钟控制电路、程序加载电路、接口电路等。软件开发中，通过McBSP与MCP2510的SPI接口传送到雷击信号检测无线传感器网络中，McBSP通过访问发送寄存器在内部发送时钟Internal CLKX的内部时钟进行数据收发和通信，此时，雷击信号检测平台的单极点高通滤波器保持关闭状态，耦合电容[CC]设为10 nF，通过电容交流耦合，采用PCI9054的LOCAL 总线设计方法，对雷击信号检测平台的程序进行加载，系统自动将行为特征线性频率尺度提取值通过串行E2PROM进行配置和程序编写，通过动态控制增益进行雷击信号检测平台的数据的采集，时钟频率为33 MHz，E2PROM的配置采用VXI总线器件，采样频率不低于21 MHz。根据上述分析，得到本文设计的雷击信号检测平台的技术指标描述如下：雷击信号检测的采样频率不低于13 MHz；在雷达信号的幅值特征提取中，采用移位器进行循环堆栈寻址，其中分辨率不低于8位；并行外设接口的输入范围尽量大，采用2线制接口；功耗尽量小。

根据上述设计指标，进行雷击信号检测平台的模块化设计，包括检测平台硬件电路设计和软件设计等。

2 检测平台的设计与实现

2.1 雷击信号检测平台的硬件设计部分

在无线传感网络平台中，进行系统的硬件电路设计，本文设计的雷击信号的检测平台的硬件电路主要有A/D采样电路、信号滤波电路、雷击信号的时钟控制电路、程序加载电路、接口电路等。其中，A/D采样电路是在无线传感网络的输入层，实现对雷击信号的原始数据采样，将无线传感网络采集到的雷击信号的模拟数据转换为计算机和DSP芯片能识别的数字信息。本文设计的雷击信号检测平台的A/D采样电路如图3所示。

根据器件手册和图3设计的A/D电路，采用ADG3301进行A/D、D/A转换和雷击信号滤波检测。A/D电路设计后，进行雷击信号的滤波电路设计。滤波电路采用FIR滤波设计方法，对输入的雷击信号进行降噪和抗干扰处理，使用WorkBench电路进行滤波电路的核心器件配置，WorkBench是ADI生产的单通道双向电平转换芯片，本文设计的雷击信号的滤波电路如图4所示。

分析图4可知，雷击信号流经电阻R的电流为0，滤波的转换电阻R设为200[Ω]，负载电阻100[Ω]实现1.15～5.5 V电平的自由转换。内核电源通过10[μF]和0.1[μF]电容滤波，ADG3301在内部集成有一个开关电源控制器，进行3.3～5 V的电平转换，在无线传感器网络结构中，实现对雷击信号的动态滤波管理。其中，滤波输出的传输时延为6 ns，在滤波输出的接口电路中，为了防止电压突变产生的基线漂移误差，采用0805封装使得ADCLK相比PPICLK延迟6 ns，雷击信号的高频TDO信号加匹配电阻进行PPI和AD9225时序调制。下一步，进行雷击信号的时钟控制电路设计，时钟控制电路位于滤波电路的输出端，通过时钟控制进行雷击信号的时频特征采样和高阶谱分离，是整个基于无线传感网络的雷击信号检测平台的控制核心，采用并行外设接口（PPI）与DSP芯片直接相连，AD9225可以差分输入，本系统采用多通道的A/D接口进行信号处理，采用DSP处理器和PCI总线两模块设计进行时钟锁定和输出增益控制，在雷击信号检测的时钟控制中，由Mux101多路ADC通过自适应反馈方法控制VCA810的输出，当计数器的值为0～[M1]时，输出0，时钟控制电路的输出电压范围是[-2 V≤VC≤0]，考虑到输入的雷击信号的传感数据的幅值较低的特点，在模拟信号预处理机的引脚配置中进行现PC机与DSP的高速数据通信，实现对雷击信号的时钟控制电路的设计如图5所示。

在雷击信号的时钟控制电路的基础上，进行雷击信号检测的程序加载电路和接口电路设计，程序加载电路是实现雷击信号检测算法程序加载的电路部分，本文设计的雷击信号检测平台的程序加载电路如图6所示。

分析图6可知，雷击信号检测的JTAG口离DSP距离不能超过[6 inch]，ADSP?BF537需要3种电源进行集中供电和JTAG Debug接口模块的DSP芯片控制，采用在线下载程序到DSP的RAM中的方法，实现对雷击信号的TAP的复位和高阶谱特征提取。

最后进行接口电路设计，通过接口电路实现对雷击信号检测、输出和设备控制，接口电路设计中，通过HP E1433A提供的实时计算测量功能，实现高速传输数据和雷击信号检测的控制分析，通过接口电路的输出端，实现对雷击信号的最高65 MHz的A/D采样，电路设计结果如图7所示。

分析图7可知，通过合理选取R1和R2的阻值可以调整MOSFET功率管的栅极电压，抑制尖峰电压的产生，实现对雷击信号的准确检测。

2.2 雷击信号检测平台的软件开发实现

在上述进行了系统的硬件设计的基础上，进行雷击信号检测平台的软件开发，通过McBSP与MCP2510的SPI接口将雷击信号传送到检测无线传感器网络结构中。雷击信号检测平台采用Server/Client协议进行远程控制，雷击信号检测平台的Qt/Embedded通过API进行中间件设计，检测平台的中间件可以分为三部分：控件、框架和工具。使用的GUI支持访问嵌入式设备的Qt C++ API，其中?prefix指定安装目录，?opensource指定使用开源版本的Qt，输入命令source install?qt?embedded?x86.sh，开始编译，在Qt/Embedded的应用模块编译链接生成可运行于目标平台的可执行文件，程序编译过程如图8所示。

基于Qt/Embedded的应用软件开发雷击信号检测平台的脚本，在指定的安装目录下生成Qt/Embedded for x86，配置qtx11、编译和安装编译、仿真所需的各种文件。为便于用户保存雷击信号检测的输出结果，本系统设计了波形数据存储界面。该界面可将测量时间以及测量结果存入SD卡中，雷击信号的波形存储界面的设计如图9所示。

软件开发的最后，进行可视化模块设计，人机交互的可视化界面可以实现雷击信号的波形输出，设计的人机交互的可视化界面如图10所示。

综上分析，完成了雷击信号检测的硬件设计和软件设计。

3 检测性能测试

为了测试本文设计的系统在实现雷击信号检测中的性能，进行仿真实验，采用无线传感器网络进行原始的雷击信息的采集，信号的采样频率为15.64 kHz，雷击信号的特征提取采用的解调频率为20 kHz，根据上述仿真环境和参数设定，使用的GUI支持访问嵌入式设备的Qt C++ API，进行检测算法的程序加载，实现雷击信号检测仿真，得到在信噪比分别为[SNR=-5 dB]和[SNR=-8 dB]条件下，进行雷击信号检测的输出的信号波形如图11所示。分析图11可知，采用本文方法进行雷击信号检测，能准确检测到雷击信号的输出谱峰值和持续时间，检测性能较好，为对比性能，采用10 000次蒙特卡洛实验，结合本文方法和传统方法进行信号检测，分析检测性能曲线，在不同的采样周期T下，得到仿真结果如图12所示。

从图12可见，采用本文方法进行雷击信号检测的精度较高，准确检测概率较高，性能可靠稳定，展示了较好的检测性能。

4 结 语

本文提出一种基于无线传感网络的雷击信号检测平台设计方法，系统测试结果表明，采用该平台进行雷击信号检测，准确检测性能较好，系统可靠稳定，具有较好的应用价值。

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