叶克江

(广东外语艺术职业学院，广东广州 510640)

自然灾害种类很多，而雷电灾害是普遍存在的，特别在有些地区非常频繁.雷电灾害也是联合国公布的最严重的10种自然灾害之一.从卫星、通信、导航、计算机网络直到每个家庭的家用电器都可能会遭到雷电灾害的严重威胁.据有关部门统计，全世界每分钟平均发生雷暴大约2 000次，全球每年因雷击造成的人员伤亡超过1万人，我国每年因雷击造成人员伤亡达3 000人左右，财产损失达50～100亿元人民币.雷击监测数据无线远距离传输系统在功能上类似于防火、防盗方面的自动监测和报警系统[1-2]，通过实时监测雷击警情数据，对雷击强度、发生时间、发生地点和频次进行研究，适时采取防护措施，可以在很大程度上减少雷击造成的损失.目前国内对雷击的远程监测和传输主要以专用设备为主，以国外进口的雷电定位监测系统为辅(例如深圳市气象局).专用设备造价较高，且必须使用交流电源供电，使用范围受限；雷电定位监测系统是利用闪电回击辐射的声、光、电磁场特性，遥测闪电回击放电参数的一种自动化探测系统，成本更高[3].

本文设计的雷击监测数据无线远距离传输系统，硬件分为2大部分，即雷击数据采集发送端(简称发送端)和接收处理端(简称接收端).其中发送端主要由雷击记录仪、单片机和发送端短信猫组成；接收端主要由接收端短信猫和计算机[4-5]组成.该系统具有2个优点，其一是发送端可以用电池供电，具有便携式的优势，不受现场有无交流电源的影响，其二是利用现有的移动网络，实现无线远距离数据传输，不受地域限制.接收端的计算机用于实现雷击监测点地理位置相对图形显示、数据的管理、查询、统计、分析和打印等功能，采用Visual Basic 6.0(VB6)语言和Microsoft Access 2000数据库编程[6].与专用数字发送机和数字接收机相比，本系统结构简单，成本低廉，开发周期短，可靠性高[1].

1 工作原理及硬件组成

雷击数据采集发送端和接收处理端的基本结构框图如图1所示.

图1 雷击数据采集发送端(左)和接收处理端(右)示意框图Figure 1 Lightning strike data sender (left) and receiver (right) diagram

记录仪与单片机之间，单片机与发送端短信猫之间，接收端短信猫与计算机之间均采用RS232协议实现通信，发送端短信猫与接收端短信猫之间采用收发短信息的方式实现无线远距离通信.平时发送端的所有设备均处于休眠省电状态，当有雷击发生时，记录仪首先被唤醒，将采集的雷击强度、雷击时间和雷击次数按照约定的数据帧结构唤醒并发送给单片机，单片机控制打开发送端短信猫的电源，等待发送端短信猫初始化完成后，再发送AT格式的指令，将雷击数据传送给发送端短信猫，并命令发送端短信猫发送短信息，随后发送端所有设备重新进入休眠状态；接收端短信猫接收到短信息之后转发给计算机，接下来的工作均由计算机完成.

本系统使用的雷击记录仪和短信猫见图2.短信猫(GSM modem)内部的核心模块实际上是手机的核心模块，每个短信猫需要一片手机卡的支持.单片机和计算机均可直接使用AT指令操作短信猫，这是最底层的短信猫开发模式，无论是哪种接口的短信猫，其实质都是通过短信猫的串行口通信AT指令来驱动的.

图2 雷击记录仪(左)和短信猫(右)Figure 2 Lightning strike recorder (left) and GSM modem (right)

本系统中发送端单片机部分的主要设计原理图如图3所示.其中，单片机采用自带双串口的STC12C5A08S2型号，该型单片机内部自带8 K程序存储器和1 280字节的数据存储器RAM，同时集成了8 K闪存(即8 192字节的EEPROM)，具有单周期(1T)指令执行功能，工作频率可达35 MHz，运行速度快，工作电压范围宽(3.3～5.5 V)，抗干扰能力强，有5个外部唤醒引脚，可以通过串行口实现远程通信唤醒，可以在线编程(即ISP功能)，方便开发调试.MAX3222芯片也具有休眠功能，与单片机连接，扩展2个RS232串行口，分别与记录仪和发送端短信猫通信，图中省略了单片机控制发送端短信猫电源的部分电路.6伏电池通过2个二极管降压至5 V为发送端供电，休眠时发送端电流小于5 μA.

图3 单片机部分的主要设计原理图Figure 3 The MCU’s primary design schematic diagram

2 软件结构

发送端单片机的软件采用汇编语言编程[7]，主要涉及休眠，唤醒，利用单片机的第一串行口(RXD和TXD)与记录仪通信，利用单片机的第二串行口(RXD2和TXD2)与发送端短信猫通信等功能.其中，AT指令集是适合操作短信猫的一套专用指令，可以用单片机的汇编语言方便地实现.单片机与发送端短信猫的通信子程序主要包括：①单片机唤醒和休眠发送端短信猫;②发送端短信猫转发来自于记录仪的雷击数据;③单片机接收来自于发送端短信猫的“发送短信息成功”确认字符串;④单片机接收来自于发送端短信猫的“接收端是否接收成功确认字符串”等子程序.

接收端计算机的软件采用VB6语言和Microsoft Access 2000数据库编程，实现雷击监测点相对位置图形显示、数据的管理、查询、统计、分析和打印等功能.VB6操作串行口非常简单，只需调用串行口ActiveX控件MSCOMM即可，设置串行口的工作方式为：波特率9 600，8位数据，1位停止位，无校验.计算机从接收端短信猫中接收数据后，首先判断数据格式或内容是否正确，如果不正确则回复重发AT命令，使接收端短信猫发送一条“接收端接收不成功”的短信息给发送端短信猫；如果正确则回复确认接收AT命令，使接收端短信猫发送一条“接收端接收成功”的短信息给发送端短信猫.对于内容完全重复的雷击数据按一条雷击数据存储管理.

采用Access数据库进行数据管理，是基于整个系统的数据量不大，以及软件的易安装性的考虑.Access属于简单实用的中、小型数据库管理系统，以一个扩展名为“.mdb”的文件形式存在.根据系统需要，在Access数据库中分别建立了不同的表.

在计算机的软件界面中，实现了简单的雷击监测点相对位置图形，较直观地显示出最近一次发生雷击的监测点位置.

AT指令集的几个典型指令如表1所示.

表1 AT指令集的几个典型指令Table 1 Some representative instruction of AT Set

单片机的8 K闪存用于滚动存储最新的100条雷击数据(每条雷击数据有固定的50个字节)，其作用是为了解决整个系统通信的难点，即2个短信猫之间的握手问题.发送端短信猫发送短信息不成功时，单片机会命令发送端短信猫重发，但是发送端短信猫发送短信息成功后，整个发送端出于省电的考虑，最多延迟30 s，然后会重新进入休眠状态.而接收端短信猫接收短信息可能会因为“短信息中心”的原因出现正常延迟，因此接收端短信猫接收到短信息后，发送的“接收端是否接收成功确认字符串”短信息到达发送端短信猫可能会超出30 s.如果发送时间在30 s内，而且发送端短信猫能及时收到“接收端是否接收成功确认字符串”短信息，说明本次握手成功；如果时间在30 s之后，或者发送端短信猫不能及时接收，则利用记录仪每24 h自动唤醒1次，从而唤醒全部发送端设备的功能，由单片机持续扫描(最长30 s)发送端短信猫的最新接收的标记为“未读”的短信息，分析“接收端是否接收成功确认字符串”的内容，并将接收端没有接收成功的对应雷击数据从8 K闪存中提取出来，重新发送1次.

部分汇编语言程序源代码如下：

START: MOV SP, #80H;堆栈初始化-STC12C5A08S2

CALL SYS_INI;调用系统初始化部分子程序

MOV R5, #0;寄存器R5中保存接收到的雷击记录字节数

STAR2: MOV PCON, #2;单片机休眠命令

NOP

NOP

NOP

CJNE R5, #0, STAR3;R5不等于零则转移

JMP STAR2;R5的值为零，说明没有发生雷击，单片机被意外唤醒

STAR3: CALL FSDX;R5不等于零，说明发生了1次雷击，则调用发送短信子程序

CALL GSMXM;调用GSM模块(短信猫)休眠子程序

MOV R5,#0;R5中保存接收到的雷击记录字节数

JMP STAR2;程序返回，重新休眠

......

;发送AT指令子程序

ATYKJ: MOV A, #41H;将ASCII码A发送到串口去

CALL FS;调用发送1个字节到GSM模块(短信猫)的子程序

MOV A, #54H;将ASCII码T发送到串口去

CALL FS

RET

;发送1个字节的ASCII码

FS: CALL S2TIQL;调用第二串行口发送完毕标志S2TI清零子程序

MOV S2BUF, A;启动发送

FS1: MOV A, S2CON

ANL A,#00000010B;读取并检测 S2TI 标志位.

JZ FS1;等待发送结束

CALL S2TIQL;调用S2TI清零子程序,为下次发送做准备

RET

3 小结

雷击监测数据无线远距离传输系统采用便携式的电池供电，平时耗电极小，电池寿命可达5年以上，克服了短信猫之间因短信中心的延迟造成的通信握手的技术难点，有效解决了野外没有交流电源的情况下，雷击监测点的数据采集和传输问题，而且结构简单，成本低廉，采用成熟的技术，十分可靠.自投产1年多来，运行良好，为雷电灾害的检测和研究提供了非常重要的数据信息.同时，雷击监测数据无线远距离传输系统还可以扩展功能，用于社会生产的其它方面，例如无线远距离森林火灾报警、无线远距离煤气泄露报警或任何野外无交流电源的场合.

参考文献：

[1] 贺金鑫,李文印,周彬，等.雷击远程监测系统的设计与实现[J].微型电脑应用,2004(7):13-15.

HE Jinxin,LI Wenyin，ZHOU Bin,et al.Design and implementation of lightning strike remote monitoring system[J].Microcomputer Applications， 2004(7):13-15.

[2] 陈立潮,刘玉树,张永梅,等.城市交通智能咨询系统的设计与实现[J].计算机工程,2003(1):32-34.

CHEN Lichao,LIU Yushu,ZHANG Yongmei,et al.Design and implementation of the city intelligent traffic query system[J]. Computer Engineering,2003(1):32-34.

[3] 问楠臻,王亚静.也谈雷电监测资料在雷击风险评估中的应用[J].建筑电气，2009(5):31-33.

WEN Nanzhen,WANG Yajin.Further discussion about the application of lightning monitoring data in lightning risk assessment[J].Building Electricity,2009(5):31-33.

[4] 王海森,吕军,王锁萍.基于PC的监控系统的实现[J].计算机工程,2003(4):155-157.

WANG Haisen,LV Jun,WANG Suoping.The realization of monitor-control system based on PC[J]. Computer Engineering,2003(4):155-157.

[5] 苏邦礼,崔秉球,吴望平,等.雷电与避雷工程[M].广州:中山大学出版社,1999.

[6] JENNINGS R.中文Access2000开发使用手册[M].北京:机械工业出版社,2002.

[7] 何立民.MCS-51单片机应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1993.