用于强对流天气预警的矿业安防节点的制作方法

本实用新型涉及一种矿业安防节点，尤其涉及一种可以对强对流天气进行监测预警的矿业安防节点。

背景技术：

强对流天气为在中小尺度天气系统范围内发生、伴随雷暴现象出现的短时强降水、对流性强风等。其持续时间短暂但具有突发性，是一种破坏性极大的气象灾害。强对流天气的强降雨、雷电、强风等气象灾害对矿业作业会带来较大的不利影响。强对流天气导致的表面径流及渗透作用有可能导致塌方、渗水及灌水事故，造成重大的人员、财产损失。我国多个省市安监部门先后要求落实在强降雨期间停产撤人的规定。雷暴过程中云地间可以通过闪电落雷等产生强烈的电子交换，并可能通过入地渗透或者经轨道管线等处直达巷道深处，轻则损坏机电、通信设备，重则引发火灾、瓦斯爆炸。而强风等亦会对通风系统、井架等设备造成一定的损坏。

现阶段对强对流天气的预警主要依靠卫星、S波段及C波段的多普勒天气雷达、地面观测站等方式获得的数据。但是强对流天气预测理论尚不充分完善，卫星及气象雷达数据的尺度范围、观测成本及气象服务模式还有待优化，强对流天气的发生有一定的突发性与随机性，这些原因造成强对流天气小尺度快速预警方面存在不足。此外我国矿业及石油企业在全球拓展业务范围，其矿区及钻采区所处的国家地区往往不具有完善的气象预警服务。海上钻井平台等处亦难获得中小尺度有效预警。随着中海油等企业海外矿区及油田规模的快速发展，对中小尺度强对流天气的预警需求更为迫切。

借助物联网技术可以快速有效地提供功能丰富的天气预警服务，此外其还可望具有成本低廉、监测密度高、易于和现有设备集成联动等特点，尤其适合在矿山、海上钻井平台等对小尺度气象预警有特殊需求的场合作为重要的辅助预警措施使用。随着电子技术的发展，通过微型、低成本、低功耗气压传感器与闪电传感器有望准确监测伴随强对流天气发生的气压与雷电剧烈变化；而可编程片上系统(PSoC，Programmable System-On-Chip)则在单芯片上高度集成了可配置模拟和数字设备功能、存储器和微控制器等，通过使用基于PSoC的IP核(Intellectual Property Core)开发技术，可以在一个“硅片”上实现定制功能的数模混合嵌入式系统。而面向下一代物联网的LoRa低功耗网技术则便于实现监测数据与告警信息的大范围交互传达。移动智能设备较强的工作能力与人机交互特性有助于实现在强对流灾害到来时针对个体的预警传达。借助光纤可靠的通信能力则可在具有较强电磁干扰的环境下进行可靠的数据传输。

基于上述技术，本实用新型设计并实现了一种结构简单、功能适配性强的强对流天气矿业安防预警节点，该节点有望为矿业等领域提供适用尺度小、实时性强、组网联动能力高的强对流天气预警技术手段。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是：如何基于物联网技术，实现便于布设、具有较强无线通信能力的矿业安防节点，对在较小尺度范围内发生、具有较大破坏性的强对流天气进行预警。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是提供一种用于强对流天气预警的矿业安防节点，其特征在于，包括：

用于监测节点处的气压数据的气压传感器；

用于监测雷电次数及雷电风暴前沿距离数据的雷电传感器；

用于按照预先设定的监测周期获取气压传感器与雷电传感器的数据，并对所述数据进行处理分析，进而判断是否有强对流天气将要到来，并在有强对流天气将要到来时发出告警信息的PSoC模块；

气压传感器、雷电传感器均与PSoC模块连接，上位机通过LoRa无线通信模块连接PSoC模块，移动智能设备通过蓝牙通信模块连接PSoC模块，矿业设备通过光纤通信模块与PSoC模块连接。

优选地，还包括系统供电模块，系统供电模块连接所述气压传感器、雷电传感器、PSoC模块、LoRa无线通信模块、蓝牙通信模块及光纤通信模块。

优选地，所述PSoC模块为节点的核心管理调度部分，PSoC模块通过数字接口按照预先设定的监测周期获取气压传感器与雷电传感器的数据，其将获得的数据通过LoRa无线通信模块送往上位机，并在自身内部的FIFO结构中缓存所述数据；PSoC模块对所述数据进行处理分析，进而判断是否有强对流天气将要到来。

优选地，所述PSoC模块基于气压数据与雷电数据进行是否将有强对流天气发生的判决，具体方法如下：

在强对流天气发生前，气压的地面观测值会发生对应的变化，超过日常气压变化一个标准差以上的变化用变压异常指数PCR进行表征；

T时刻的PCR根据在地面通过气压观测手段得到的负3小时变压计算得到：

公式(1)中，PCR(T)为T时刻的PCR值，ΔP3(T)为T时刻的负3小时变压值，为日常负3小时变压均值；N为在通过观测手段获得的日常负3小时变压观察值个数；

PCR(T)为一无量纲值，如有强对流发生，其值为负值；PCR(T)绝对值的大小反应气压变化的剧烈程度；PCR数值越低，强对流天气越剧烈；在节点设计中，基于PCR取值将强对流警报级别划分为以下等级：

表1 PCR与报警级别的关系

强对流天气发生时也往往伴随着强烈的雷电活动，所以在负3小时气压变监测的基础上引入对云层内及云地间闪电活动的监测，作为强对流天气预警的辅助参考；采用闪电8次阈值方法，考虑到每一个预警节点所负责的安监范围通常在数平方公里以内，所以依据下式给出输出为二进制逻辑量的预警信号：

公式(2)中，LR(T)为T时刻的闪电预警触发逻辑值，其为True时触发报警；TH8为8次闪电阈值的判定结果；M为闪电距离平均因子，其值为≥1的整数；Dj为闪电传感器探测到的雷电风暴前沿距离，K为闪电距离判定阈值。

更优选地，所述气压数据缓存最近4小时数据，所述雷电数据依照闪电距离平均因子M选取，但是所述雷电数据必须大于8以便实现8次闪电阈值判决。

更优选地，由气压变化引起的告警为主告警，由雷电变化引起的告警为辅助告警，二者皆为告警信息。

优选地，当有强对流天气将要到来时，PSoC模块通过LoRa无线通信模块向上位机发出告警信息，通过蓝牙通信模块向已经连入的移动智能设备发出告警信息，通过光纤通信模块向近端及周边的矿业设备发出告警信息。

更优选地，如果在某一时刻监测参数不会激发强对流天气预警，PSoC模块则回调上一次触发预警的时间，如果间隔小于一个缓冲周期，则PSoC模块仍将发出预警信息。

优选地，所述PSoC模块还监测节点的供电情况，如遇到电压异常情况，PSoC 模块也通过LoRa无线通信模块向上位机发出供电告警信息。

优选地，所述移动智能设备通过扫描布置于节点表面的NFC标签获得蓝牙无线通信模块的连接信息，并参考该连接信息与节点连接。

优选地，所述PSoC模块通过具有电磁隔离能力的数字接口与所述光纤通信模块连接。

优选地，所述蓝牙无线通信模块采用分立式模块结合2.4GHz玻璃钢全向天线，或采用集成于PSoC模块内部的蓝牙模块配合PCB上的天线。

更优选地，所述PCB上的天线为MIFA天线或表贴陶瓷天线。

更优选地，所述系统供电模块包括220V市电供电源，220V市电供电源连接AC-DC模块，AC-DC模块连接稳压模块。

更优选地，所述系统供电模块包括太阳能电池板，太阳能电池板连接太阳能控制器，太阳能控制器连接稳压模块。

优选地，所述气压传感器为具有I2C或UART数字数据接口，并内置补偿电路和数据格式转换电路的气压传感器。

优选地，所述雷电传感器为具有I2C或UART数字数据接口的雷电传感器。

相比现有技术，本实用新型提供的用于强对流天气预警的矿业安防节点具有如下有益效果：

1、节点集成度高，外形尺寸小，成本低廉，性能可靠；

2、节点可根据气压变化及雷电发生情况预测强对流天气并发出预警，提供了可靠的强对流天气安全预防保护措施，进而降低了在强对流天气发生时的矿业安全事故风险；

3、节点采用实现简单、占用资源少的强对流天气监测预警算法，为在低成本嵌入式平台上实现简单可靠的监测预警提供了依据；

4、节点可以在较大的范围内实现低成本、高粒度的布局，有效提高了覆盖度，增加了整体监测预警的准确性，对中小尺度的强对流天气监测预警有极大的益处；

5、节点通过LoRa技术与蓝牙技术构建了节点与上位机及移动智能设备之间的有效数据通道，可分别通过LoRa低功耗广域网及蓝牙向上位机及接入的移动智能设备提供监测数据及预警告警，形成了从区域宏观整体到从业者个体的层次化监测预警分发手段；

6、节点还具有与移动智能设备进行信息交互及有效控制近端及周边矿业设备的能力，具有高抗电磁干扰的数字接口与光纤信息通道，用于向近端及周边设备传输预警信息，实现高度可靠及实时化的设备预警分发通道，有助于为构建矿业领域强对流天气预警体系提供有效支撑。

附图说明

图1为用于强对流天气预警的矿业安防节点功能示意图；

图2为用于强对流天气预警的矿业安防节点基本结构示意图；

图3为用于强对流天气预警的矿业安防节点工作流程图；

图4为实施例1提供的一种用于强对流天气预警的矿业安防节点结构示意图；

图5为实施例2提供的一种用于强对流天气预警的矿业安防节点结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。

强对流天气往往会对矿业生产及矿业从业者人身安全带来较大危害。为了可以实现对强对流天气的有效预防，本实用新型拟通过具有较高预警准确度、成本低廉、布设便捷、信息交互能力强的“用于强对流天气预警的矿业安防节点”，提供可靠的强对流天气安全预防保护措施，进而降低在强对流天气发生时的矿业安全事故风险。

如图1所示，本实用新型基于物联网技术，实现便于布设、具有较强无线通信能力的矿业安防节点，对在较小尺度范围内发生、具有较大破坏性的强对流天气进行预警，并可分别通过LoRa低功耗广域网及蓝牙向上位机及接入的移动智能设备提供监测数据及预警告警。此外节点还支持通过数字接口及光纤分别向其近端及周边矿业设备提供告警信息。

一、强对流天气发生预警判决算法

为了较为准确地提前判断强对流天气发生与否，本实用新型所使用的强对流天气发生预警判决算法基于气压变化参数与雷电变化参数进行强对流发生的判决。在强对流天气发生前，气压的地面观测值往往会发生对应的变化。如2015 年发生在湖北监利、导致东方之星号沉船事故的强对流天气发生前，监利一带就提前3-4小时出现了较强程度的PCR(变压异常指数，Pressure Change Range，超过日常气压变化一个标准差以上的变化)。而2016年6月下旬发生在江苏盐城的强对流龙卷大风发生前，亦有较为剧烈的PCR变化。

T时刻的PCR可以根据在地面通过气压观测手段得到的负3小时变压计算得到：

公式(1)中，PCR(T)为T时刻的PCR值，分子为T时刻的负3小时变压值ΔP3(T)与日常负3小时变压均值之差。分母为负3小时序列的标准差，N 为在通过观测手段获得的日常负3小时变压观察值个数。PCR(T)为一无量纲值，如有强对流发生，其值为负值。PCR(T)绝对值的大小反应气压变化的剧烈程度。 PCR数值越低，强对流天气越剧烈。在节点设计中，基于PCR取值将强对流警报级别划分为以下等级：

表1 PCR与报警级别的关系

强对流天气发生时也往往伴随着强烈的雷电活动，所以可以在负3小时气压变监测的基础上引入对云层内及云地间闪电活动的监测，作为强对流天气预警的辅助参考。借助简单的闪电8次阈值方法，百公里内的预测准确率大于80％，而误警率小于35％。此外考虑到每一个预警节点所负责的安监范围通常在数平方公里以内，所以可以依据下式给出输出为二进制逻辑量的预警信号：

公式(2)中，LR(T)为T时刻的闪电预警触发逻辑值，其为True时触发报警。TH8为8次闪电阈值的判定结果；M为闪电距离平均因子，其值可选择≥1 的整数；Dj为闪电传感器探测到的雷电风暴前沿距离，K为闪电距离判定阈值。公式(2)中，右侧第一项对应强烈雷电活动发生与否的判决值，第二项对应雷电活动与节点预警区域接近程度的判决值。当上述两项条件同时满足时，发出基于雷电活动的强对流辅助报警。

二、强对流天气预警矿业安防节点结构：

结合图2，本实用新型中的强对流天气预警矿业安防节点由PSoC及外围电路模块、气压传感器、雷电传感器、LoRa无线通信模块、蓝牙通信模块及NFC 标签、光纤通信模块、系统供电模块组成。

PSoC是节点的核心管理调度部分。PSoC通过数字接口按照预先设定的监测周期获取气压传感器与雷电传感器的数据，其将获得的数据通过LoRa无线通信模块送往上位机，并在其内部的FIFO结构中缓存数据(气压数据推荐缓存最近 4小时数据，雷电数据依照算法中的M数选取，但是必须大于8以便实现8次闪电阈值判决，推荐缓存最近64次闪电发生的时间、距离)。

结合图3，当PSoC通过将新获得的数据带入前述算法计算，发现有强对流天气将要到来后，PSoC则通过LoRa无线通信模块及蓝牙通信模块向上位机及已经连入的移动智能设备发出告警信息(由气压变化引起的告警为主告警，由雷电变化引起的告警为辅助告警，二者皆为告警信息)，并通过具有较强电磁隔离能力的数字接口及光纤模块分别向近端及周边矿业设备发出告警指令。如果在该时刻监测参数不会激发强对流天气预警，PSoC则回调上一次触发预警的时间。如果间隔小于一个缓冲周期(通常为数个监测周期时长)，则PSoC仍将发出预警信息。PSoC负责控制调度LoRa、数字接口、蓝牙及光纤通信模块。PSoC还监测节点的供电情况，如遇到低电压等异常情况，PSoC也通过LoRa无线通信方式向上位机发出供电告警信息。

由于部分矿用设备会在工作时产生一定程度的电磁干扰，所以在节点接口设计与实现中需要纳入一定对电磁隔离的考量。PSoC外围电路中用于连接近端设备的具有较强电磁隔离能力的数字接口可通过采用结构紧凑、隔离效果好的的隔离型数字接口模块实现。

气压传感器用于监测节点周围的气压数据。气压传感器推荐选用具有I2C、 UART等简单数字数据接口、具有较大工作范围，并内置补偿电路和数据格式转换电路的型号。由其得到的数据用于实现基于负3小时气压变的强对流天气PCR 计算。气压传感器也需具有较小的体积、低功耗及低成本。

雷电传感器用于监测雷电次数及雷电风暴前沿距离数据，其雷电风暴前沿距离数据可为步进值或真实值。其亦应支持I2C、UART等较为简单的数字接口，以便实现与PSoC的连接。由雷电传感器获取的数据用于进行公式(2)所需的计算。雷电传感器亦应满足低功耗、小体积、低成本的要求。

LoRa无线通信模块用于实现节点与上位机之间的无线传输。LoRa无线通信方式可以有效覆盖数十平方公里的范围，这基本上可满足大多数矿区的监测覆盖需求。LoRa无线通信模块在LoRa网内的ID设为与节点ID相同。LoRa网关与上位机连接。节点在日常工作中通过LoRa信道向上位机发送带有自身ID信息的监测数据。如果监测参数触发强对流天气预警告警，节点也通过LoRa信道向上位机发出告警信息。LoRa无线通信模块应选择支持透明传输，并可灵活根据信道状况调整扩频因子的型号。

蓝牙无线通信模块用于连接节点与移动智能设备。移动智能设备通过扫描布置于节点表面的NFC标签获得蓝牙连接信息，并参考该信息与节点连接。在该移动智能设备与节点处于蓝牙有效连接的时间内，如果监测参数出发节点强对流天气预警，则节点通过蓝牙向移动智能设备发出告警信息。蓝牙无线通信模块可选择分立式模块结合2.4GHz玻璃钢全向天线，还可利用集成在PSoC内部的蓝牙模块配合PCB上MIFA天线或表贴陶瓷天线。前者适合实现在较大范围上的蓝牙覆盖，而后者则利于实现较高的集成度并节约成本。

由于节点周边矿用设备等有可能距离节点远达数百米，如果采用普通电缆连接，则难以避免矿用机电设备及雷电天气等对信号传输造成的影响。而抗较强电磁干扰的线缆则需较高成本。所以设计中使用光纤方式连接节点与周边设备。节点将告警信号转换为光信号，通过成本低廉、不易受电磁干扰的光纤送往周边设备。而周边设备则从与之相连的光传输模块的独立端口或总线上获得告警信息。在设计中可选择支持较大传输距离、与嵌入式设备接口简单的光纤通信模块(在一些场合中还需兼顾支持简单结构数字总线及具有较强电磁隔离能力的要求)，并依据具体场合选择常规1550nm通信光纤或塑料光纤构筑光通信数据传输通道。

系统供电模块为节点提供稳定可靠的直流供电。设计中可依据具体情况采用由220V市电供电或太阳能供电的方式。前者适用于有稳定220V供电的场合，通过AC-DC模块获得稳定的DC电源供给。需要注意的是，由于在矿业环境中往往存在一定程度的干扰，所以亦应采用具有一定电池隔离特性的AC-DC模块。而后者通过结合太阳能电池、太阳能控制器及铅酸电池，为布设在无法实现市电供给的节点提供能量。为获得更为稳定的直流供电，可在AC-DC模块后及太阳能控制器的输出后，使用线性稳压器件，由此获得更为纯净稳定的供电。

下面以两个具体的实施例说明本实用新型的具体模块配置方式。

实施例1

本实施例面向常规应用场合，提供了一种用于强对流天气预警的矿业安防节点，如图4所示。实施中，PSoC芯片选择Cypress公司出品、TQFP-100封装的 CY8C3866AXI-040型PSoC3可编程片上系统芯片。其内部集成了工作速度可达 67MHz的8051固核，并具有24个通用数字模块(UDB)。利用上述资源，可以有效地进行强对流天气预警算法所需的运算及存储操作。实施中，其工作频率参考频率为24MHz的外部有源时钟晶振。其支持的多种数字接口也有利于连接数字传感器及通信模块。另外利用其内部运算放大器模块构建输入跟随器用以监测以模拟量输入的供电电压电阻分压值，用于发现低电压等异常情况。

在节点中还预留了2路RS232-UART接口用于连接近端设备，接口中使用一块广州致远出品的RSM232D型隔离型接口模块以在实现协议转换的同时提供高达2500VDC的电磁隔离。RSM232D与PSoC3对应的UART接口相连。

节点无线通信选用成都泽耀出品的AS32-DTU-1W型LoRa低功耗广域网通信DTU。该DTU基于Semtech的SX1278芯片设计。通过其可实现-140dBm的超高灵敏度。AS32-DTU-1W在最大传输功率时的最大通信距离可达8km。 AS32-DTU-1W与PSoC3的UART数字接口通过RSM232D接口模块连接。

蓝牙模块选择微芯公司出品、支持蓝牙4.1标准的RN4020型蓝牙模块，NFC 标签选择NTAG216标签。PSoC3通过UART接口通过ASCII指令控制管理 RN4020。使用中将与节点蓝牙连接所需要的信息写入NFC标签中，移动智能设备通过扫描获得蓝牙信息，并与节点相连。如有告警触发，则节点通过RN4020 按照预定的告警格式将数据发往移动智能设备。

光通信模块选择宇泰UT-277SM串口转光纤收发器。光纤选用两根ST接头的1550nm的单模石英通信光纤分别作为上行与下行光纤。利用UT-277SM，周边设备与节点的距离最大可达20km。实施中采用异步点对点传输模式，周边设备与节点处各安装一个UT-277SM形成对应的光纤通路。UT-277SM与PSoC3 的UART数字接口通过RSM232D接口模块连接。

预警节点气压传感器选择MPL3115A2气压传感器。MPL3115A2可以测量 20kPa至110kPa范围内的环境大气压。在其内部集成了全补偿电路及数据格式转换电路，可以有效抑制温度等外部环境因素变化对其气压测量精度造成的影响。此外MPL3115A2气压传感器较宽的温度工作范围、精简的封装也有利于实现面向户外无线预警节点的应用。通过MPL3115A2获得的气压数据并结合公式(1)，即可获得基于气压变的预警值。MPL3115A2与PSoC3通过I2C总线连接。

雷电传感器需要监测雷电次数及雷电风暴前沿距离数据，以支撑基于公式(2) 的预警触发值计算。设计中选择AS3935型雷电传感器。其可以同时探测云间和云地间发生的雷电活动，并可以1km为步进值估算40km以内的雷电风暴前沿。尤其是AS3935还可通过内部算法识别并抑制电机等产生的干扰信号，这一特性非常适合矿业生产环境。AS3935同样通过I2C与PSoC进行数据通信。

实施中采用韦仕公司出品、隔离电压最高可到3000VAC的WAN20S12隔离型电源模块将220V市电转换为12VDC供电。该12V供电分别为AS32-DTU-1W 及UT-277SM供电，并经过韦仕公司出品的WD5-12S5型DC-DC电源模块及 LM1117-3.3V线性稳压转换为3.3VDC稳定输出，为PSoC3及外围电路、传感器、蓝牙模块等供电。12V电压通过1：4电阻分压通过电压跟随器进入PSoC3。

实施例2

本实施例面向微型化低成本的应用场合。设计中PSoC选择Cypress公司出品、QFN封装的CY8C4248LQI-BL583型PSoC4芯片。CY8C4248LQI-BL583内部集成了基于ARM Cortex-M0结构的MCU，支持蓝牙BLE 4.2的通信模块、运算放大器、数字通信协议(I2C、UART、SPI)、通用数字模块等节点设计所需功能的支持。实施中工作时钟则采用24MHz无源表贴晶振。通过运算放大器构建跟随器用于监测供电电压的方式与前述实施例相同。

节点中PSoC4使用UART接口连接MAX3232构建两路RS232串行数据通道，用于连接外部近端设备。

节点无线通信选用成都泽耀出品的AS62-T30型LoRa低功耗广域网通信模块。该模块基于Semtech的SX1278芯片设计。AS62-T30与PSoC4通过UART 数字接口连接。

节点光通信模块采用AVAGO出品、适用于1mm塑料光纤的HFBR-15X7Z 型LED。PSoC4通过74ACTQ00逻辑门电路直接借助管脚逻辑电平的变化发送预定格式的告警信息，而不需复杂的协议转换。

由于CY8C4248LQI-BL583内部包含了蓝牙模块，实施中可直接利用其内部的蓝牙模块构建蓝牙数据通信通道。实施中采用PCB布线形成MIFA天线用于蓝牙信号的收发。

节点气压传感器、雷电传感器、NFC标签的实施方式与实施例1相同。

本实施例中节点采用太阳能供电。40W单晶硅太阳能电池板将日光辐照能量通过太阳能控制器存储在铅酸电池中，并输出12VDC电压。经过韦仕公司出品的WD5-12S5型DC-DC电源模块及LM1117-3.3V线性稳压转换为3.3VDC稳定输出，为PSoC及外围电路、传感器、蓝牙模块、LoRa通信模块等供电。12V 电压通过1：4电阻分压通过电压跟随器进入PSoC4用于监测供电电压。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本实用新型的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本实用新型的等效实施例；同时，凡依据本实用新型的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本实用新型的技术方案的范围内。