無人職守地震臺(tái)站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

陳吉鋒，陳軍輝，應(yīng)昶，劉洋君

(浙江省地震局，浙江杭州310013)

無人職守地震臺(tái)站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

陳吉鋒，陳軍輝，應(yīng)昶，劉洋君

(浙江省地震局，浙江杭州310013)

針對(duì)目前無人值守臺(tái)站增加、臺(tái)站系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)存在的不足等現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種基于傳感技術(shù)及嵌入式技術(shù)的地震臺(tái)站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，以單片機(jī)為主控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、UPS電源情況的檢測(cè);接收監(jiān)控中心的指令，同時(shí)將檢測(cè)到的異常信息及時(shí)上傳至監(jiān)控中心。與目前的技術(shù)系統(tǒng)相比，地震臺(tái)站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)時(shí)自動(dòng)判斷出臺(tái)站故障點(diǎn)位置，并通過短信、聲音等形式進(jìn)行報(bào)警，提升了故障排查效率。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，有效提高了數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)的工作效率。

遠(yuǎn)程監(jiān)控;自動(dòng)判斷;報(bào)警;無人值守;地震臺(tái)站

0 引言

隨著地震臺(tái)站數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程的加快，浙江省無人值守臺(tái)站的數(shù)量成倍增加，在地震臺(tái)網(wǎng)功能不斷增強(qiáng)、監(jiān)測(cè)能力進(jìn)一步提升的同時(shí)，也帶來了如何更好地管理地震臺(tái)站，如何更有力地保證設(shè)備連續(xù)正常運(yùn)行，如何盡可能大地發(fā)揮臺(tái)網(wǎng)整體監(jiān)測(cè)效能等問題。

浙江省地震臺(tái)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化觀測(cè)后，大部分臺(tái)站都是無人值守臺(tái)，臺(tái)站發(fā)生故障時(shí)，需要派臺(tái)站看管人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行逐項(xiàng)排查，這個(gè)判斷并排除故障的過程取決于臺(tái)站看管人員的業(yè)務(wù)水平和是否能夠迅速及時(shí)的趕到現(xiàn)場(chǎng)，這兩個(gè)因素經(jīng)常影響到故障排查效率，也影響了后續(xù)的維護(hù)處置手段。針對(duì)這種情況，本文提出了一種以STM32微處理器及GPRS/GSM為核心的臺(tái)站設(shè)備遠(yuǎn)程綜合監(jiān)控設(shè)計(jì)方案 (劉明貴等，2010)，通過監(jiān)控中心處理軟件和部署在臺(tái)站的基于移動(dòng)短信的嵌入式采集終端，能夠準(zhǔn)確可靠地監(jiān)控各臺(tái)站的電源情況、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及溫度、濕度等，按照預(yù)定的故障排除方案自動(dòng)分析故障發(fā)生原因，迅速判斷故障點(diǎn)發(fā)生位置并通過短信、聲音等形式通知報(bào)警，并且能對(duì)臺(tái)站設(shè)備實(shí)施遠(yuǎn)程控制，有效提高了臺(tái)站技術(shù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及地震數(shù)據(jù)產(chǎn)出的連續(xù)可靠性。

1 總體設(shè)計(jì)方案

由于地震業(yè)務(wù)的特殊性，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有如下要求:

(1)系統(tǒng)通過輪詢的方式檢測(cè)地震數(shù)據(jù)采集器、路由器、UPS電源等設(shè)備狀態(tài)，并將實(shí)時(shí)信息通過現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心 (高正立，曹奇英，2010)。

(2)當(dāng)臺(tái)站出現(xiàn)地震數(shù)據(jù)采集器死機(jī)、路由器故障、蓄電池電壓低于36 V、恢復(fù)至36 V、交流電上電、交流電斷電時(shí)，及時(shí)將異常信息發(fā)送到監(jiān)控中心 (索陽等，2009)。

(3)監(jiān)控中心處理軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)臺(tái)站的網(wǎng)絡(luò)連通情況，結(jié)合臺(tái)站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的臺(tái)站基本情況，按照預(yù)定的故障排除方案自動(dòng)分析故障發(fā)生原因，迅速判斷故障點(diǎn)發(fā)生位置并通過自動(dòng)或手動(dòng)派單的形式發(fā)短信通知臺(tái)站看管人員。

(4)系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程控制功能，臺(tái)站設(shè)備死機(jī)時(shí)能對(duì)其進(jìn)行斷電重啟。

(5)臺(tái)站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)通信以現(xiàn)有地震數(shù)據(jù)傳輸線路為主，當(dāng)?shù)卣饠?shù)據(jù)傳輸線路故障時(shí)采用GPRS發(fā)送，保證異常信息能及時(shí)發(fā)送到監(jiān)控中心。

本文提出的無人職守地震臺(tái)站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。它主要由臺(tái)站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和監(jiān)控中心處理系統(tǒng)組成。

臺(tái)站監(jiān)測(cè)系統(tǒng):由各個(gè)傳感器和基于移動(dòng)短信的嵌入式采集終端組成，部署在各個(gè)臺(tái)站，主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)臺(tái)站相關(guān)參數(shù)并把信息發(fā)送到監(jiān)控中心處理系統(tǒng)。

監(jiān)控中心處理系統(tǒng):運(yùn)行于監(jiān)控中心PC機(jī)上的管理軟件，主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)臺(tái)站的網(wǎng)絡(luò)連通情況，結(jié)合臺(tái)站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的臺(tái)站基本情況，按照預(yù)定的故障排除方案自動(dòng)分析故障發(fā)生原因，迅速判斷故障點(diǎn)發(fā)生位置并通過短信、聲音等形式報(bào)警;臺(tái)站異常情況、故障日志等自動(dòng)入庫。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.1 Schematic diagram of system structure

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控中心硬件配置

監(jiān)控中心設(shè)備主要由主機(jī)、Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、短信通信服務(wù)器和系統(tǒng)監(jiān)控服務(wù)器等組成。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，根據(jù)應(yīng)用服務(wù)器的請(qǐng)求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將結(jié)果傳送給應(yīng)用服務(wù)器;監(jiān)控服務(wù)器用于部署監(jiān)控軟件，通過對(duì)各臺(tái)站現(xiàn)場(chǎng)采集終端發(fā)送命令信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)各臺(tái)站信息的查詢、輪詢及遠(yuǎn)程控制等功能;短信服務(wù)器實(shí)現(xiàn)與移動(dòng)短信網(wǎng)關(guān)的通信，采用Socket連接實(shí)現(xiàn)短信的收發(fā)，通過數(shù)據(jù)庫緩沖池實(shí)現(xiàn)指令的收發(fā)，支持多線程，多連接并發(fā);監(jiān)控中心服務(wù)器還通過防火墻、路由器和Internet連接，以供用戶通過Web方式進(jìn)行查詢?cè)L問。

2.2 臺(tái)站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路主要由供電電路、微控制器外圍電路、串口模塊、以太網(wǎng)口模塊和GSM模塊電路組成，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 臺(tái)站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Hardware block diagram of station monitoring system

2.2.1 MCU模塊

MCU微控制器采用基于ARM Cortex-M3架構(gòu)內(nèi)核的32位低功耗處理器STM32F103，該MCU是STM32系列的增強(qiáng)型芯片，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器 (高達(dá)128KB的Flash、20 KB的SRAM)、多達(dá)80個(gè)快速I/O口、2個(gè)12 bit A/D、3個(gè)16 bit定時(shí)器、3路UART通信口等多種資源，具有極高的性價(jià)比。

2.2.2 GSM模塊

短信收發(fā)模塊采用華為公司生產(chǎn)的高性能通信模塊EM310，該模塊主要由GSM/GPRS基帶處理器、GSM/GPRS射頻模塊、供電模塊 (ASIC)、閃存、ZIF連接器、天線接口6部分組成。通過UART串行接口與MCU微控制器相連，實(shí)現(xiàn)可靠的收發(fā)短消息操作和GPRS數(shù)據(jù)通信，當(dāng)臺(tái)站通信線路故障時(shí)，可通過GSM模塊及時(shí)將電源告警信息，設(shè)備運(yùn)行狀況等發(fā)送到監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)無人值守臺(tái)站故障告警以及控制等功能。

2.2.3 串口模塊

通過UPS主機(jī)上的RS232串口與微處理器通信，微處理器通過協(xié)議解析 (祁潤田，2009)，將其告警信息和運(yùn)行狀態(tài)等通過現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)或GSM模塊發(fā)送到監(jiān)控中心，以實(shí)現(xiàn)臺(tái)站電源系統(tǒng)運(yùn)行狀況的監(jiān)控。

由于RS232規(guī)定的邏輯電平與微處理器的邏輯電平不一致，因此在應(yīng)用中，必須把微處理器的信號(hào)電平 (TTL電平)轉(zhuǎn)換成RS232C電平，或者對(duì)二者進(jìn)行逆轉(zhuǎn)換。我們?cè)谶@里選用專用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3221來實(shí)現(xiàn)，電路圖如圖3所示。

圖3 串口模塊原理圖Fig.3 Schematic diagram of serial port module

2.2.4 以太網(wǎng)口模塊

以太網(wǎng)模塊由于采用串行 SPI接口，ENC28J60可以很方便地與微處理器接口，構(gòu)成嵌入式以太網(wǎng)模塊 (圖4)，使用UDP，TCP進(jìn)行通信 (王秀英等，2009)。該模塊主要用于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集器、路由器等臺(tái)站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及與監(jiān)測(cè)中心數(shù)據(jù)通信。

圖4 以太網(wǎng)口模塊電路圖Fig.4 Circuit diagram of Ethernet interface module

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為2部分:臺(tái)站數(shù)據(jù)采集終端STM32微控制器編程和監(jiān)控中心管理軟件編程，在此只介紹STM32微控制器的軟件設(shè)計(jì)部分。臺(tái)站數(shù)據(jù)采集終端主要通過輪詢的方式檢測(cè)UPS電源 (包括交流電參數(shù)、蓄電池電壓等)，路由器、數(shù)據(jù)采集器等通信設(shè)備狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)將信息上傳到監(jiān)控中心;同時(shí)響應(yīng)監(jiān)控中心相關(guān)通信請(qǐng)求。其主程序流程圖如圖5所示，臺(tái)站監(jiān)控量參數(shù)設(shè)計(jì)見表1。

表1 臺(tái)站監(jiān)控參數(shù)Tab.1 Parameters of station monitoring

設(shè)計(jì)中，臺(tái)站數(shù)據(jù)采集終端每隔10 s對(duì)臺(tái)站UPS電源狀態(tài)、通信設(shè)備進(jìn)行輪訓(xùn)，考慮到臺(tái)網(wǎng)中心至少有兩臺(tái)業(yè)務(wù)服務(wù)器在接收臺(tái)站數(shù)采數(shù)據(jù)，為不增加數(shù)采負(fù)荷，影響數(shù)采正常工作，對(duì)數(shù)采等通信設(shè)備的輪詢主要通過Ping命令檢查通訊層狀態(tài)，并結(jié)合監(jiān)控中心管理軟件對(duì)業(yè)務(wù)軟件 (測(cè)震、強(qiáng)震等)波形接口的輪詢，就能準(zhǔn)確判定數(shù)采工作狀態(tài)。監(jiān)控中心管理軟件每隔30 min輪詢臺(tái)站數(shù)據(jù)采集終端，除了更新臺(tái)站監(jiān)控信息，主要是檢查臺(tái)站數(shù)據(jù)采集終端是否出現(xiàn)故障 (臺(tái)站設(shè)備異常時(shí)，臺(tái)站現(xiàn)場(chǎng)采集終端主動(dòng)上傳信息至監(jiān)控中心)。

由于當(dāng)前臺(tái)站安裝的UPS有不同的廠商，且型號(hào)不一，UPS通信協(xié)議與電源參數(shù)也各不相同，因此在采集終端集成已知的所有UPS的協(xié)議，終端對(duì)已知的UPS具有協(xié)議自適應(yīng)功能。

圖5 臺(tái)站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主程序流程圖Fig.5 Main program flow chart of station monitoring system

4 應(yīng)用測(cè)試

淳安地震臺(tái)是無人職守臺(tái)站，該臺(tái)站有測(cè)震和強(qiáng)震2種數(shù)字化觀測(cè)手段，臺(tái)站到臺(tái)網(wǎng)中心的傳輸線路為SDH光纜。該測(cè)點(diǎn)近年來經(jīng)常因?yàn)槭须婇L時(shí)間停電或光纜被挖斷等原因造成臺(tái)站數(shù)據(jù)斷記 (測(cè)點(diǎn)所在地區(qū)電力局線路建設(shè)、道路建設(shè)等原因造成);另外，臺(tái)站看管人員家庭住址距離臺(tái)站測(cè)點(diǎn)較遠(yuǎn)，信息反饋較慢，有時(shí)候還因?yàn)榕_(tái)站看管人員技術(shù)水平局限而無法得知臺(tái)站故障原因，因此比較適合作為試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。安裝時(shí)采集終端通過串口與UPS主機(jī)智能RS232接口相連;設(shè)置采集終端網(wǎng)卡IP地址，使其與臺(tái)上所有通信設(shè)備組成一個(gè)小型局域網(wǎng)，并添加需要監(jiān)控設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址，監(jiān)控中心通過管理軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)站的遠(yuǎn)程監(jiān)控，當(dāng)臺(tái)站電源或通信設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，監(jiān)控中心管理軟件就會(huì)顯示告警信息并通過聲音和短信提醒相關(guān)維護(hù)人員。臺(tái)站監(jiān)控信息如圖6所示。

圖6 淳安地震臺(tái)詳細(xì)監(jiān)控信息Fig.6 Detailed monitoring information of Chun'an Seismic Station

臺(tái)站數(shù)據(jù)采集終端從2011年9月安裝運(yùn)行至今，臺(tái)站市電停電、通信線路故障時(shí)系統(tǒng)都能及時(shí)告警并通過短信通知相關(guān)維護(hù)人員。通過對(duì)臺(tái)站市電停電時(shí)長及UPS電池供電時(shí)長的統(tǒng)計(jì)，對(duì)臺(tái)站UPS電池進(jìn)行了更換，保證市電停電時(shí)段臺(tái)站能正常運(yùn)行。實(shí)際運(yùn)行表明，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，也沒有影響地震觀測(cè)儀器的正常工作，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

5 結(jié)語

本文提出的地震臺(tái)站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，用于地震臺(tái)網(wǎng)中心對(duì)各臺(tái)站設(shè)備運(yùn)行情況的掌握和遠(yuǎn)程控制。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，系統(tǒng)能夠檢測(cè)臺(tái)站設(shè)備運(yùn)行情況，可靠性高，有效提高數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)的工作效率，對(duì)臺(tái)站故障快速判斷、臺(tái)站維護(hù)效率、臺(tái)站的連續(xù)運(yùn)行率、數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠都具有積極的意義和廣闊的應(yīng)用價(jià)值。

高正立，曹奇英.2010.輪詢機(jī)制在無線數(shù)據(jù)采集協(xié)議中的應(yīng)用［J］.微計(jì)算機(jī)信息，(19):78－80.

劉明貴，于謇，梁昊.2010.基于STM32的巖土工程無線采集系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，(5):95－97.

祁潤田.2009.智能網(wǎng)絡(luò)UPS電源監(jiān)控技術(shù)的研究［J］.電源技術(shù)，33(7):606－607.

索陽，甑然，楊國福.2009.地震數(shù)據(jù)采集器電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電工電氣，(6):4－6.

王秀英，周振安，劉愛春.2009.地震前兆設(shè)備動(dòng)態(tài)監(jiān)控報(bào)警功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］，地震研究，32(4):431－435.

Design and Implementation of Remote Monitoring System for Unattended Seismic Stations

CHEN Ji-feng，CHEN Jun-hui，YING Chang，LIU Yang-jun
(Earthquake Administration of Zhejiang Province，Hangzhou 310013，Zhejiang，China)

Because of the increasing of unattended stations，the deficiency of operation and maintenance deficiencies in the station system，we design a remote monitoring system of seismic stations.Based on sensing and embedded technologies，this system uses the SCM as the main controller to achieve the detection of station equipment operating status and the UPS power situation.It can receive the instructions of the monitoring center，and upload anomaly information to the monitoring center in a timely manner while detecting anomalies.Compared with the current technology systems，it is able to automatically judge the location of the fault point of stations in realtime，and can make an alarm through SMS，voice and so on to enhance troubleshooting malfunction efficiency.Practical operation shows that the remote monitoring system of seismic stations runs reliably，and improves the digital seismic network to work effectively.

remote monitoring;automatic determine;alarm;unattended seismic stations

P315－391.2

A

1000－0666(2012)03－0429－05

2011－10－09.

浙江省地震局局科技項(xiàng)目 (2010ZJJ03)資助.