基于三分量地震監(jiān)測(cè)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的研究

李艷華，王玉巧，岐世峰

（1.黃河科技學(xué)院信息工程學(xué)院，鄭州 450000；2.攀枝花學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，攀枝花 617000）

基于三分量地震監(jiān)測(cè)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的研究

李艷華1，王玉巧1，岐世峰2

（1.黃河科技學(xué)院信息工程學(xué)院，鄭州 450000；2.攀枝花學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，攀枝花 617000）

我國現(xiàn)有的地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多很難準(zhǔn)確地進(jìn)行地震短臨預(yù)報(bào)進(jìn)而降低損失，而且安裝困難、費(fèi)用高。針對(duì)這些問題，研究一種基于三分量地震監(jiān)測(cè)和云服務(wù)器的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，它的硬件主要是三分量巖土應(yīng)力儀，其傳感器是三個(gè)差分式極距型電容傳感器。地震時(shí)，固體潮應(yīng)力會(huì)使電容極距有較大改變，導(dǎo)致電容值的急劇變化，然后系統(tǒng)對(duì)采集數(shù)據(jù)分析處理，超出預(yù)警值則發(fā)出地震預(yù)警。經(jīng)過試運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)分辨率高，性能穩(wěn)定，安裝成本低。

0 引言

我國是地震災(zāi)害多發(fā)地區(qū)，近百年來發(fā)生7級(jí)以上地震有20次之多，所造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失也日趨嚴(yán)重。采用先進(jìn)技術(shù)及儀器提前監(jiān)測(cè)到地震并準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，提前做好預(yù)防工作，可以大大地降低地震災(zāi)害所引起的財(cái)產(chǎn)損失與人身傷害的程度[1]。在地震預(yù)報(bào)中以使用應(yīng)變儀器為主，我國的地應(yīng)變觀測(cè)儀器多年以來，由于電子技術(shù)的局限，儀器精度不高，遠(yuǎn)不能滿足檢測(cè)要求?，F(xiàn)有的單分量的體應(yīng)變儀靈敏度不高，只有安裝到地下上百米甚至幾百米的基巖上，才能測(cè)到固體潮[2]。所以安裝費(fèi)用極高，且安裝難度大。國內(nèi)已安裝的單分量的體應(yīng)變儀數(shù)量只有上百臺(tái)，能測(cè)到固體潮的不多。國內(nèi)目前還沒有三分量應(yīng)變觀測(cè)儀器，國際上只有日本和美國在基巖上安裝有幾十臺(tái)使用。

本文所研發(fā)的地震監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中的采集節(jié)點(diǎn)是基于三分量的巖土應(yīng)力儀，它能在淺地表巖土中測(cè)量出固體潮，測(cè)量精度處于國際領(lǐng)先水平。高精度三分量巖土應(yīng)力儀在直徑89mm彈性圓桶的直徑方向形變分辨率達(dá)到0.1nm，采集速度為每秒一次，大幅度提高了徑向分辨的精度和數(shù)據(jù)采集速度，能在地下幾米到幾十米的巖土中能監(jiān)測(cè)到固體潮，從而極大地降低了安裝成本，便于大量的布點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了使用戶不用到現(xiàn)場(chǎng)就能夠隨時(shí)隨地對(duì)巖土應(yīng)力變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[3]。同時(shí)也為地震部門的震前預(yù)測(cè)提供強(qiáng)有力的科學(xué)依據(jù)，為社會(huì)的公共安全系統(tǒng)提供保障，同時(shí)也結(jié)束了國內(nèi)外在巖土層的應(yīng)力檢測(cè)中不能測(cè)出固體潮的歷史。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包括無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、云主機(jī)（網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)）、GPRS/Internet等網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)、云服務(wù)器端和用戶端。系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[4-5]如圖1所示。

采集節(jié)點(diǎn)分布在被監(jiān)測(cè)區(qū)域，傳感器網(wǎng)絡(luò)是采集節(jié)點(diǎn)的核心，以星型拓?fù)渚W(wǎng)的形式與云主機(jī)進(jìn)行無線連接通信。星型拓?fù)渚W(wǎng)中電容監(jiān)測(cè)電路將傳感器所采集到的模擬信息轉(zhuǎn)換為微處理器能識(shí)別的數(shù)字信息，然后通過I2C總線傳輸給微處理器。

微處理器對(duì)采集信息進(jìn)行存儲(chǔ)，并進(jìn)行初步的處理和信息融合以后，通過UART串口通信模式傳送給太陽能供電的無線射頻模塊。

無線射頻模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)微處理器模塊和云主機(jī)模塊的無縫連接，其通過RF射頻天線將采集數(shù)據(jù)傳送給云主機(jī)，以及轉(zhuǎn)發(fā)云主機(jī)發(fā)過來的控制信息等。

云主機(jī)在此起到網(wǎng)關(guān)的作用，實(shí)現(xiàn)了從無線射頻網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議到GPRS或Internet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，通過GPRS或者Internet等傳輸介質(zhì)將采集信息傳送給云服務(wù)器，或向采集節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)云服務(wù)器發(fā)送過來的控制信息。

云服務(wù)器是租用的，其上安裝有地震監(jiān)測(cè)預(yù)警管理系統(tǒng)，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析處理，以圖表的形式顯示出采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)，并進(jìn)行超限檢查，發(fā)出預(yù)警信息。

用戶端根據(jù)權(quán)限在PC、便攜式設(shè)備或者智能終端上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)的訪問管理。

2 采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

2.1 體系結(jié)構(gòu)

采集節(jié)點(diǎn)主要包括由變極距型電容傳感器及電容監(jiān)測(cè)電路AD轉(zhuǎn)換器所組成的傳感器模塊、MCU微處理器模塊、無線射頻通信模塊和太陽能供電模塊等幾部分組成，節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)[6]如圖2所示。

圖2 采集節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)圖

傳感器模塊主要由差分式極距型電容傳感器和AD轉(zhuǎn)換器組成，主要負(fù)責(zé)的工作為：采集各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電容傳感器在固體潮應(yīng)力的作用下而產(chǎn)生極距的變化所引起的電容值的變化信息，這些信息都為模擬信息，而與傳感器連接的電容監(jiān)測(cè)電路是一個(gè)AD轉(zhuǎn)換器，它則負(fù)責(zé)將傳感器采集的這些模擬信息轉(zhuǎn)換為微處理器能夠識(shí)別的數(shù)字信息。然后通過相應(yīng)的信號(hào)線傳輸給微處理器進(jìn)行初步的分析和數(shù)據(jù)融合處理。

處理器模塊的核心為MCU，還包括了一個(gè)電源管理模塊。MCU主要包括了CPU、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和串行通信接口、I2C接口等，主要負(fù)責(zé)通過I2C接口接收傳感器模塊的采集數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和初步分析處理，并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后，通過串口通信接口UART傳遞給無線通信模塊。電源管理模塊主要負(fù)責(zé)將無線通信模塊的傳輸過來的電源電壓進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕祲悍€(wěn)壓后給MCU供電，而MCU的電源輸出端又可以給傳感器模塊進(jìn)行供電。

無線通信模塊主要負(fù)責(zé)接收采集數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)通過無線射頻通信模塊轉(zhuǎn)發(fā)給云主機(jī)，還可以將云主機(jī)發(fā)送過來的控制命令轉(zhuǎn)發(fā)給處理器模塊，以及給處理器模塊供電。

太陽能供電模塊主要負(fù)責(zé)采用太陽能板所連接的蓄電池給無線射頻通信模塊供電，然后再將電源線通過無線通信模塊的電源管理器進(jìn)行升壓穩(wěn)壓后供電給整個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，完成整個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的供電工作。

2.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原理

地震是由于地殼巖層受力后的突然快速破裂錯(cuò)動(dòng)而產(chǎn)生的振動(dòng)。而在振動(dòng)的作用下地表會(huì)產(chǎn)生形變，本文所研究的地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采集節(jié)點(diǎn)就是根據(jù)地表發(fā)生形變時(shí)的應(yīng)變力能夠使極距型電容傳感器的極距發(fā)生改變進(jìn)而影響電容值發(fā)生變化這個(gè)原理來設(shè)計(jì)的[2-3]。當(dāng)沒有地震時(shí)，由于地表淺層固體潮的作用，電容值會(huì)發(fā)生微小的變化，當(dāng)有地震時(shí)，由于應(yīng)變力的作用電容值發(fā)生急劇變化，當(dāng)超出預(yù)警值時(shí)可以自動(dòng)報(bào)警，以提醒用戶做好震前預(yù)防工作，同時(shí)也為地震預(yù)測(cè)提供了有力的科學(xué)依據(jù)。

本文所研究的采集節(jié)點(diǎn)由差分式極距型電容傳感器、電容檢測(cè)電路和無線傳感模塊以及用于檢測(cè)巖土應(yīng)力變化的檢測(cè)方法構(gòu)成。

采集節(jié)點(diǎn)中的傳感器是三個(gè)差分式極距型電容傳感器，它們各是兩片相互絕緣的面積相等的平行金屬面，將三個(gè)電容每隔120°在徑向安裝于一個(gè)兼做采集節(jié)點(diǎn)地線的不銹鋼彈性圓筒中，再各自與一個(gè)電容檢測(cè)電路相連，然后三個(gè)電容檢測(cè)電路通過I2C總線分別并聯(lián)連接于無線傳感模塊，采用分時(shí)復(fù)用技術(shù)將數(shù)據(jù)傳送給無線傳感模塊，在極低功耗下每隔一分鐘檢測(cè)一次電容值。

檢測(cè)方法[2,7]：當(dāng)?shù)乇頊\層中有固體潮變化時(shí)，彈性圓筒會(huì)發(fā)生形變，而三個(gè)電容傳感器呈不同角度，那么三對(duì)平行電極也就呈現(xiàn)不同程度的極距變化，極距的變化會(huì)引起電容值的變化，然后將電容值通過模數(shù)轉(zhuǎn)換以后傳送至無線傳感模塊，無線傳感模塊再通過云主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)給云服務(wù)器端，當(dāng)服務(wù)器端的系統(tǒng)管理軟件把數(shù)據(jù)進(jìn)行前后對(duì)比分析以及超限檢查，以圖表的方式呈現(xiàn)出來，當(dāng)超限時(shí)進(jìn)行報(bào)警處理，預(yù)測(cè)地震。

2.3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本采集節(jié)點(diǎn)（如圖3所示）中的傳感器主要由三個(gè)[7]差分式極距型電容傳感器C1、C2、C3組成，而電容監(jiān)測(cè)電路則由24位無失碼、高線性度、高精度、低功耗（工作時(shí)功耗僅為0.7mA，休眠時(shí)功耗僅為0.5～2μA）的AD7747構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)中的每個(gè)差分式電容的兩個(gè)電極片通過CIN+和CIN-引腳分別連接一個(gè)電容監(jiān)測(cè)電路AD7747芯片[8]，SHLD引腳將電容傳感器和CIN引腳之間的對(duì)地寄生電容進(jìn)行屏蔽，進(jìn)而得到更高可靠性的測(cè)量結(jié)果。AD7747將測(cè)得的電容值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以后，得到微處理器能夠識(shí)別的數(shù)字信息，通過I2C總線的SDA、SCL信號(hào)線和RDY信號(hào)線完成采集數(shù)據(jù)向地震儀采集板的傳送，而三片AD7747的供電則是由地震儀采集板的VO1、VO2、VO3分別給出。

圖3 采集節(jié)點(diǎn)的電路原理圖

地震儀采集板主要由一片MCU芯片和一個(gè)電源管理模塊構(gòu)成。MCU芯片采用低功耗的PIC16LF1823芯片，它主要負(fù)責(zé)采集信息的存儲(chǔ)，與RF射頻模塊控制信息的交換，以及通過UART串口的TX、RX引腳將采集信息轉(zhuǎn)發(fā)給RF射頻模塊。電源管理模塊則采用的是低壓降壓穩(wěn)壓器TPS79301芯片，此芯片主要負(fù)責(zé)將從RF射頻模塊輸出的+5V電壓進(jìn)行降壓穩(wěn)壓后轉(zhuǎn)換成+3.3V的電壓，然后給地震儀采集板供電。

RF射頻模塊的主芯片采用的是低功耗（工作電壓為+3.3V）的SI1000芯片[9]，芯片內(nèi)部集成了MCU和穿透力較強(qiáng)的RF射頻控制芯片，通信距離可以達(dá)到2公里左右。SI1000上具有增強(qiáng)型的UART接口，可以通過它的TX、RX引腳分別與采集板的RX、TX引腳完成采集數(shù)據(jù)的接收和控制信號(hào)的發(fā)送。由于系統(tǒng)要求低功耗工作，所以采集節(jié)點(diǎn)可以每隔一分鐘采集一次，采集完數(shù)據(jù)就進(jìn)入休眠狀態(tài)，而這里的休眠喚醒就是利用的SI1000內(nèi)部的定時(shí)器來完成的。SI1000向云主機(jī)發(fā)送采集數(shù)據(jù)以及接收云主機(jī)發(fā)送過來的控制信息都是通過一個(gè)RF天線來完成的，因此需要一個(gè)天線開關(guān)來控制信號(hào)的發(fā)送與接收，本文采用的是NEC公司的UPG2214作為天線開關(guān)。RF射頻模塊的供電是采用了鋰電池或堿性電池供電，電池輸出的+3.3V電壓通過同步升壓穩(wěn)壓器MCP1640芯片進(jìn)行升壓穩(wěn)壓后轉(zhuǎn)換為+5V電壓，向外輸出供電給地震儀采集板。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件[6]分為兩部分，一部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)各采集節(jié)點(diǎn)所組成的無線傳感網(wǎng)的管理和控制，另一部分實(shí)現(xiàn)對(duì)云服務(wù)器端的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

由于系統(tǒng)的低功耗要求，所以采集節(jié)點(diǎn)在大部分時(shí)間處于待機(jī)休眠狀態(tài)，初次加電后將采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化，然后開始采集數(shù)據(jù)，采集完數(shù)據(jù)以后由云主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)給云服務(wù)器，采集節(jié)點(diǎn)就進(jìn)入待機(jī)休眠狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)中的計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)時(shí)間到后退出待機(jī)休眠狀態(tài)，重新進(jìn)行初始化，開始新一輪的采集數(shù)據(jù)操作。

云服務(wù)器端的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則是在接收到云主機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)以后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理，如果超出預(yù)警值則向用戶終端發(fā)出報(bào)警信息，否則以圖表的形式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)然云服務(wù)器端也可以對(duì)用戶信息、操作日志和歷史數(shù)據(jù)等進(jìn)行操作處理。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的三分量巖土應(yīng)力傳感器是長500mm，直徑88mm，壁厚1mm的不銹鋼彈性圓桶。在直徑方向每隔120度安裝一個(gè)差分式極距型電容傳感器，極板面積S為638mm2，板間初始距離為1mm，根據(jù)公式1得出電容值約為5.65pF，檢測(cè)電容在徑向可以精確到1μm，通過對(duì)電容值的測(cè)量監(jiān)測(cè)極板間的距離d的變化，從而檢測(cè)出彈性圓桶的形變。在直徑方向分辨率為0.1nm，監(jiān)測(cè)速度每秒鐘一次。電容監(jiān)測(cè)電路AD7747的測(cè)量分辨率為4aF,測(cè)量范圍為8PF，輸出數(shù)據(jù)DATA的范圍十六進(jìn)制在0x000000～0xFFFFFF（十進(jìn)制 0～16777215），工作溫度-40°～+125°之間。差分電容值和AD7747輸出值的關(guān)系如公式（2）所示。

經(jīng)過安裝調(diào)試以后，輸出的檢測(cè)電容值如表1和圖5所示。

表1 電容檢測(cè)輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 電容檢測(cè)輸出曲線圖

表中給出了10秒鐘之內(nèi)的電容輸出，而圖中是相應(yīng)的30秒鐘電容輸出曲線圖。由圖中可以看出電容輸出的最大值為16608039，最小值為173662，都在正常范圍之內(nèi)，由此可以看出這是在沒有發(fā)生地震時(shí)所測(cè)得的數(shù)據(jù)。如果發(fā)生地震，在應(yīng)變力的作用下，電容值會(huì)發(fā)生急劇變化，超出限制而發(fā)生報(bào)警，從而提前預(yù)測(cè)出地震的發(fā)生。

5 結(jié)語

隨著科技的發(fā)展，地震的監(jiān)測(cè)越來越多的用到傳感器技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用使得地震監(jiān)測(cè)更加準(zhǔn)確、及時(shí)，也節(jié)省了許多人力物力，而且也不受地形地貌以及天氣的影響，隨時(shí)隨地都能夠得到某個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，使工作人員對(duì)地震活動(dòng)情況了如指掌。本文所研究的系統(tǒng)現(xiàn)已在多地安裝調(diào)試成功，而且在之前的幾個(gè)局域性的小地震中也準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)到了相關(guān)數(shù)據(jù)，而且本系統(tǒng)具有低功耗、安裝簡單、能實(shí)現(xiàn)地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的無線傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控等有點(diǎn)。同時(shí)本方案對(duì)傳感器技術(shù)的的發(fā)展也起到了很大的推動(dòng)作用，并且也使得我過在地表淺層監(jiān)測(cè)固體潮的技術(shù)不再空白，而且本地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)易安裝、靈敏度高、性能穩(wěn)定，操作簡單，適合大量生產(chǎn)。

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Research on Remote Real-Time Monitoring and Warning System Based on Three-Component Earthquake Monitoring

LI Yan-hua1，WANG Yu-qiao1，QI Shi-feng2
（1.College of Information Engineering,Huanghe S&T College，Zhengzhou 450000；2.School of Mathematics and Computer Science,Panzhihua University,Panzhihua 617000）

In China,the existing earthquake monitoring systems are mostly difficult to make the accurate short-impending earthquake prediction,the installation is difficult,and the cost is extremely high.Designs a remote real-time monitor and early warning system based on three-compo?nent earthquake monitoring and cloud server,the hardware is a three-component geotechnical stress meter,and the sensors are three differ?ential capacitive displacement sensors.If an earthquake happens,earth tide stress makes the polar distance of each capacitor change,which leads to a sharp change of the capacitance value,then,the system analyzes and processes the collected data，and sends out the earth?quake early warning if the data exceeds the warning value.The results show that the system has the advantages of high resolution,stable performance and low installation cost.

云平臺(tái)；三分量巖土應(yīng)力儀；差分式極距型電容傳感器

四川省教育廳項(xiàng)目基金資助（No.14ZB0404）、鄭州市科技局項(xiàng)目基金資助（No.zzlg201608）

1007-1423（2017）28-0052-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.28.014

李艷華（1980-），女，河南扶溝人，碩士，講師，研究方向?yàn)闊o線傳感網(wǎng)絡(luò)通信、嵌入式系統(tǒng)，Email：liyanhua5566@163.com

王玉巧（1980-），女，河南中牟人，碩士，副教授，研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ?、嵌入式工?/p>

岐世峰（1964-），男，山西臨猗人，學(xué)士，教授，研究方向?yàn)闊o線傳感網(wǎng)絡(luò)通信、人工智能

2017-08-08

2017-09-25

Cloud Server;Three-Component Geotechnical Stress Meter;Differential Capacitive Displacement Sensor