一种用于强对流天气预警的矿业安防节点制造技术

本发明专利技术提供了一种用于强对流天气预警的矿业安防节点，包括：用于监测节点处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。本发明专利技术集成度高，外形尺寸小，成本低廉，性能可靠，为构建矿业领域强对流天气预警体系提供了有效支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种用于强对流天气预警的矿业安防节点
本专利技术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。
技术介绍
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，ProgrammableSystem-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(IntellectualPropertyCore)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，本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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1PCR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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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。

【技术特征摘要】
1.一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。2.如权利要求1所述的一种用于强对流天气预警的矿业安防节点，其特征在于：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。3.如权利要求所述的一种用于强对流天气预警的矿业安防节点，其特征在于：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。4.如权利要求1或3所述的一种用于强对流天气预警的矿业安防节点，其特征在于：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1PC...

【专利技术属性】
技术研发人员：万雪芬，杨义，
申请(专利权)人：东华大学，华北科技学院，
类型：发明
国别省市：上海,31