地震預(yù)警信息發(fā)布單元的研制

吳鵬 楊江

摘? 要： 文中設(shè)計一款地震預(yù)警信息發(fā)布單元，采用ITOP4412核心板作為主控板卡，利用其網(wǎng)絡(luò)模塊通過TCP/IP通信對地震信息推送服務(wù)器的數(shù)據(jù)包進(jìn)行接收，并根據(jù)相關(guān)協(xié)議對接收數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，得到本地地震烈度、地震到達(dá)時間、震源發(fā)生坐標(biāo)等信息。通過I/O口驅(qū)動控制板卡進(jìn)行地震烈度報警，同時，通過自帶音頻模塊進(jìn)行報警廣播，利用RS 232通信接口與GLM?430?C觸摸液晶屏進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和報警解除操作，具有地震信息推送報警響應(yīng)快速、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 地震預(yù)警信息發(fā)布單元; 地震數(shù)據(jù)解析; 地震烈度計算; 地震烈度報警; 報警解除; 性能測試

中圖分類號： TN915?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）11?0167?05

Development of earthquake warning information release unit

WU Peng1， 2， 3， YANG Jiang1， 3

（1. Hubei Key Laboratory of Earthquake Early Warning， Hubei Earthquake Agency， Wuhan 430071， China;

2. Hubei Subsurface Multi?scale Imaging Key Laboratory， Institute of Geophysics and Geomatics， China University of Geosciences， Wuhan 430074， China;

3. Wuhan Institute of Seismic Scientific Instruments Co.， Ltd.， Wuhan 437000， China）

Abstract： An earthquake warning information release unit is designed. The ITOP4412 core board is used as the main control board card， and its network module is used to receive the data packet of the seismic information push server by TCP/IP communication. The received data packets are analyzed according to the relevant protocol to obtain the local seismic intensity， earthquake arrival time and focal coordinates. The seismic intensity alarm is carried out by driving control board card of I/O port， the alarm broadcasting is carried out by built?in audio module， and the RS 232 communication interface and GLM?430?C touch LCD screen are used to carry out the data interaction and alarm release operation. It is verified that the unit has the characteristics of fast response to earthquake information push alarm and stable operation.

Keywords： earthquake warning information release unit; seismic data analysis; earthquake intensity calculation; earthquake intensity alarm; alarm release; performance test

0? 引? 言

目前，我國現(xiàn)有地震信息發(fā)布手段單一、覆蓋范圍有限、時效性較差。由中國地震局組織實(shí)施的國家地震烈度速報與預(yù)警工程項目預(yù)計2020年底實(shí)施完成[1]。同時，全國各省市也在非重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)積極建設(shè)預(yù)警補(bǔ)充網(wǎng)絡(luò)。全國地震預(yù)警網(wǎng)建設(shè)完成后，我國將實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)10 km、非重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)30～40 km間距密度的地震預(yù)警監(jiān)測，能提高預(yù)警時間和預(yù)警參數(shù)的準(zhǔn)確性，為群眾增加了寶貴的地震避險時間[2?3]。上述計劃目前僅僅解決了地震信息的預(yù)警源問題，針對現(xiàn)在國內(nèi)存在的空白，擬設(shè)計開發(fā)一款地震預(yù)警信息發(fā)布平臺，用于進(jìn)行相關(guān)地震信息的推送，主要應(yīng)用于大型商業(yè)廣場、學(xué)校、醫(yī)院及大型重要基礎(chǔ)設(shè)施。

1? 工作原理

國家地震烈度速報與預(yù)警服務(wù)平臺主要由地震監(jiān)測臺網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器、地震預(yù)警信息發(fā)布終端構(gòu)成。地震監(jiān)測臺網(wǎng)用于進(jìn)行區(qū)域性地震前兆信息監(jiān)測，并將地震數(shù)據(jù)實(shí)時通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)備份存儲。服務(wù)器對地震數(shù)據(jù)進(jìn)行算法分析和統(tǒng)計，將地震烈度計算結(jié)果通過定義好的協(xié)議規(guī)范進(jìn)行局域網(wǎng)發(fā)布，發(fā)布信息存放于搭建好的MQTT服務(wù)器[4]。地震預(yù)警信息發(fā)布終端接收MQTT服務(wù)器的地震數(shù)據(jù)包。

地震預(yù)警信息發(fā)布終端是針對地震預(yù)警信息接收和報警推出的終端設(shè)備，其主要功能是通過接收推送服務(wù)器推送的地震信息，利用自身定位信息自動計算地震到達(dá)當(dāng)前點(diǎn)的預(yù)計時間和預(yù)估烈度，并發(fā)出聲光電報警信息。

2? 硬件設(shè)計

地震預(yù)警信息發(fā)布單元的報警輸出級別一共分為4個等級，分別對應(yīng)4種報警指示及4類報警音頻輸出音響。設(shè)備后面板設(shè)計有HDMI視頻輸出接口、直連電腦顯示器或者液晶屏，可實(shí)時連線百度地圖并標(biāo)注本地的GPS坐標(biāo)，當(dāng)有地震到來時，在界面將彈出報警窗口，用于計算地震到達(dá)本地倒計時以及相關(guān)地震震源、方位、震級等信息，可通過鼠標(biāo)選中彈出的報警窗口相應(yīng)控件解除報警，也可通過人工手動點(diǎn)擊觸摸屏相應(yīng)控件解除報警，整個系統(tǒng)結(jié)束報警狀態(tài)。

地震預(yù)警信息發(fā)布單元硬件組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括核心嵌入式板卡、控制板、電源板、液晶觸摸控制屏等部分。

2.1? 電源板卡

電源板卡主要采用金升陽的型號為LH20?10D0512?06電源模塊，它是一款A(yù)C?DC電源模塊，具備較寬的輸入范圍：100～240 V，具有兩路電源輸出，分別是+5 V和+12 V，其中，+5 V主要用于給嵌入式核心板和4.3寸觸摸液晶屏進(jìn)行供電，+12 V用于給報警邏輯控制板卡供電[5]。

嵌入式核心板供電電路主要分為三路，分別為核心板卡電源電路、部分外圍設(shè)備3.3 V供電電路和部分外圍設(shè)備1.8 V供電電路。

2.1.1? 核心板卡電源電路

如圖2所示，采用RT8065電源管理芯片作為核心板卡供電電路。RT8065是一個轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到95%的同步高壓轉(zhuǎn)低壓的DC/DC模塊，其輸入電壓范圍在2.7～5.5 V，其輸出電壓可調(diào)范圍為0.8～5 V，驅(qū)動電流可達(dá)到3 A。其輸入典型電壓[VCC]為5 V，[R133]為RT8065工作開關(guān)頻率設(shè)置電阻，根據(jù)[R133]的阻值，其工作頻率范圍為200 kHz～2 MHz。設(shè)計[R133]阻值為510 kΩ，依據(jù)工作手冊所對應(yīng)的開關(guān)頻率與阻值曲線，此時對應(yīng)的開關(guān)頻率為[F=]480 kHz左右。依據(jù)數(shù)據(jù)手冊，其基準(zhǔn)電壓典型值[Vref=]0.8 V，其輸出電壓可調(diào)，[Vout=Vref?（1+R131R135）=]3.6 V（其中，[R131]和[R135]分別為120 kΩ和33.2 kΩ）。其電感[LT]的電感值的選擇取決于輸入、輸出電壓和紋波電流，紋波電流的最大典型值為[0.4?Imax]（最大輸出電流為3 A），依據(jù)電感[LT=][Vout（F?Imax）1-VoutVin（max）]≈2.2 μH，[R132]與[C95]選擇數(shù)據(jù)手冊推薦典型值，分別為33 kΩ和560 pF。

2.1.2? 3.3 V及1.8 V供電電路

部分外圍設(shè)備供電電路分別如圖3，圖4所示。采用DC/DC型號MP2012DQ電源管理芯片，該芯片是一固定頻率為1.2 MHz，電流為1.5 A的降壓轉(zhuǎn)換器。輸入電壓范圍為2.7～6 V，輸出電壓可調(diào)范圍在0.8 V～[Vin]之間，輸入、輸出轉(zhuǎn)換效率可達(dá)95%以上。圖3與圖4中的輸出電壓分別由[R3]和[R5]以及[R10]和[R11]決定。該芯片基準(zhǔn)電壓[Vref=]0.8 V，輸出[Vout1=Vref?（1+R3R5）≈]3.3 V和[Vout2=Vref?（1+R10R11）]≈1.8 V（其中，[R3]，[R5]，[R10]和[R11]分別為121 kΩ，39 kΩ，4.99 kΩ和4.02 kΩ）。

2.2? 嵌入式核心板卡

嵌入式核心板采用ITOP4412，其選用三星Exynos4412四核處理器，主頻為1.4 GHz，內(nèi)置8 GB存儲空間。嵌入式核心板采用DM9621網(wǎng)卡芯片作為網(wǎng)絡(luò)通信模塊，用于實(shí)現(xiàn)板卡與服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)通信，采用WM8960高清音頻解碼器作為音頻設(shè)備的外放接口。該核心板卡主要通過網(wǎng)絡(luò)接收地震信息數(shù)據(jù)包并進(jìn)行解析，將地震參數(shù)分別通過HDMI和串口進(jìn)行液晶顯示屏和LCD顯示，并通過GPIO口與報警邏輯控制卡進(jìn)行交互，進(jìn)行地震聲光報警。

2.3? 報警邏輯控制板卡

報警邏輯控制板卡主要通過與嵌入式核心板I/O端口進(jìn)行通信，依據(jù)I/O口的高低電平變化來控制報警邏輯控制板卡所對應(yīng)的報警指示燈的亮和滅，并控制蜂鳴器的鳴響。在蜂鳴器控制回路中串接滑動變阻器，通過調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值控制回路電流的大小，進(jìn)而控制聲響強(qiáng)弱。報警輸出采用繼電器干節(jié)點(diǎn)輸出控制模式，當(dāng)?shù)卣鹆叶冗_(dá)到3等級以上，對應(yīng)的地震觸發(fā)時節(jié)點(diǎn)為斷開狀態(tài)，與地震報警對應(yīng)的地震報警節(jié)點(diǎn)將處于閉合狀態(tài)，閉合回路電流最大可承受1 A。此外，預(yù)留外部輸入端口，用于以后功能擴(kuò)展使用。

如圖5所示，采用4路GPIO口進(jìn)行報警指示操作，1路蜂鳴器及2路干節(jié)點(diǎn)輸出。默認(rèn)狀態(tài)下，GPIO輸出為低電平，其輸出與分壓電阻網(wǎng)絡(luò)[V0]以及LM244運(yùn)放組成比較器電路。分壓基準(zhǔn)電壓[V0=VCC?R10（R2+R6+R10）]=0.9 V（其中，[VCC]=12 V，[R10]，[R2]和[R6]分別為1 kΩ，10 kΩ，2 kΩ），接入LM224的運(yùn)放負(fù)端，GPIO分別接LM224的運(yùn)放正端。當(dāng)GPIO輸出為低，LM224輸出為0，當(dāng)GPIO為高電平，LM224輸出為12 V，用于驅(qū)動型號為G6K?2F?Y的雙刀雙擲繼電器進(jìn)行動作[6]。

輸入控制電路如圖6所示，當(dāng)外部接入12 V，將導(dǎo)致控制繼電器動作，常開節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生閉合，分壓電阻網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)電壓[V01]將輸入GPIO口，當(dāng)控制器監(jiān)測到對應(yīng)GPIO口為高電平時，則判斷有外接信號引入，并進(jìn)行相應(yīng)動作處置。

2.4? 液晶屏控制模塊

液晶屏控制模塊采用大器智成GLM?430?C模塊，自帶Linux操作系統(tǒng)，具有400 MHz的CPU主頻，64 MB RAM，128 MB FLASH，通過RS 232與嵌入式核心板進(jìn)行串口通信。主要功能是實(shí)現(xiàn)地震相關(guān)信息顯示、系統(tǒng)狀態(tài)指示以及報警倒計時和報警手動解除等功能。

3? 軟件設(shè)計

軟件部分基于核心板卡ITOP4412，在嵌入式Linux系統(tǒng)平臺Qt/Embedded上并通過MQTT協(xié)議進(jìn)行地震預(yù)警信息發(fā)布。MQTT協(xié)議是為大量計算能力有限，且工作在低帶寬、不可靠的網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程傳感器和控制設(shè)備通信而設(shè)計的協(xié)議。地震預(yù)警設(shè)備軟件核心結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。通過MQTT協(xié)議向地震信息發(fā)布平臺訂閱對應(yīng)的地震信息主題，然后實(shí)時向地震信息發(fā)布平臺發(fā)布設(shè)備信息（設(shè)備編碼、設(shè)備所在地點(diǎn)經(jīng)緯度等），并實(shí)時接收地震平臺發(fā)布的地震信息，然后通過業(yè)務(wù)邏輯處理將需要可視化的地震震中經(jīng)緯度、震級、地震烈度和地震到達(dá)時間等信息發(fā)送給GUI模塊進(jìn)行展示，同時，發(fā)送控制命令到底層外設(shè)通信模塊，對蜂鳴器、報警燈和廣播等設(shè)備進(jìn)行控制，以達(dá)到通知用戶地震即將到達(dá)的信息[7?8]。

3.1? 數(shù)據(jù)解析處理

地震預(yù)警信息發(fā)布單元在接收到預(yù)警信息包后，需要進(jìn)一步對預(yù)警信息進(jìn)行解析，計算出當(dāng)?shù)氐牡卣痤A(yù)警時間和預(yù)測烈度，然后接收端才能輸出相應(yīng)的控制信號。

地震信息發(fā)布平臺發(fā)布預(yù)警信息，地震預(yù)警信息發(fā)布單元接收來自地震信息發(fā)布平臺發(fā)布的地震預(yù)警信息數(shù)據(jù)包，并對地震預(yù)警信息數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，并得到地震的震源經(jīng)度和緯度、震級，然后根據(jù)相關(guān)算法計算地震到達(dá)本地時間、地震對本地造成的地震烈度值。

關(guān)于地震到達(dá)本地時間、地震對本地造成的地震烈度值采用下述計算方法：

本地地震烈度[I]計算公式為：

[I=I0-4.0lg（Dis10+1.0）] （1）

式中：地震烈度[I]的值保留一位小數(shù);[I0]代表震中烈度;Dis代表震源距，其單位為km。

本地預(yù)警時間[t]的計算公式為：

[t=Dis3.55-（Tnow-Teq）] （2）

式中：[t]為預(yù)警時間，單位為s，當(dāng)[t>0]時，為有預(yù)警時間，[t<0]時，無預(yù)警時間;[Tnow]為當(dāng)前時間;[Teq]為地震發(fā)震時間[9]。

3.2? 觸摸液晶屏模塊

在Designer編輯器中，通過菜單欄“工具”選擇“系統(tǒng)控件設(shè)置”，調(diào)用sysCom0對串口通信模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置波特率為9 600，并在串口進(jìn)行動作腳本編寫，實(shí)現(xiàn)串口接收設(shè)備電源、網(wǎng)絡(luò)、故障等狀態(tài)信息和報警信息，串口接收代碼如下：

if （sysCom0.readableBytes（）>=7）

{

data0= sysCom0.read（7）;

if（data0[0]==0xaa&&data0[1]==0xbb&&data0[2]==0xcc&&data0[3]==0xdd&&data0[4]==0x2d&&data0[5]==0x00&&data0[6]==0x01）? //接收的是界面參數(shù)

{

if （sysCom0.readableBytes（）>=38）

{

data0= sysCom0.read（38）;

//電源＼網(wǎng)絡(luò)＼故障＼經(jīng)度＼緯度＼高程IP＼子網(wǎng)掩碼＼DNS＼MQTT IP＼

時間年月日時分秒等信息

sysCom0.clearReadBuffer（）;

}}}

地震預(yù)警信息界面如圖8所示，創(chuàng)建定時器類型對象main_timer，并進(jìn)行腳本設(shè)計，其更新時間設(shè)定為500 ms，讀取串口緩沖區(qū)對應(yīng)數(shù)組data0中相應(yīng)元素，進(jìn)行定時更新信息。該界面包括震源經(jīng)度、震源緯度、震級、震源距離、本地地震烈度和本地地震預(yù)警時間等幾個部分。根據(jù)實(shí)際需要，點(diǎn)擊“地震報警解除”按鈕提前結(jié)束地震報警，并向核心控制板通過串口發(fā)送報警解除命令：

sysCom0.write（0xaa，0xbb，0xcc，0xdd，0x0b，0x10，0x03，0x00，0x00，0x00，0x00）。

通過點(diǎn)擊“設(shè)備狀態(tài)”，調(diào)用xtzt.show（）函數(shù)切換界面查看設(shè)備狀態(tài)信息，如圖9所示。通過設(shè)置xtzt_timer定時器控件，進(jìn)行腳本編輯，設(shè)備狀態(tài)信息每秒更新一次。

4? 系統(tǒng)測試

4.1? 測試平臺搭建

MQTT是基于TCP/IP的消息發(fā)送，MQTT?Server支持Win/Linux等系統(tǒng)的安裝，通過在官網(wǎng)下載apache?apollo?1.7.1?unix?distro.tar.gz，解壓到指定目錄，進(jìn)入BIN目錄中，執(zhí)行./apollo create mybroker。

通過修改apollo.xml的，將其改成0.0.0.0，并執(zhí)行./apollo?broker run，驅(qū)動后可以通過http：//127.0.0.1：61680訪問Web頁面，其用戶名和密碼默認(rèn)為admin/password[10]。

4.2? 測試方法

通過向MQTT服務(wù)器發(fā)送地震預(yù)警信息，由MQTT向地震預(yù)警信息發(fā)布單元進(jìn)行推送，每秒由震源處發(fā)送一次地震信息包，進(jìn)行壓力測試，地震預(yù)警信息發(fā)布單元實(shí)時接收并記錄歷史信息，如圖10所示[10]。

對服務(wù)器端信息發(fā)布時間和終端接收時間進(jìn)行對比，時間延時約為200 ms，設(shè)備接收到地震信息到發(fā)布報警信息，時間延時約為150 ms。其中，將震源設(shè)置為河北省衡水市武強(qiáng)縣，經(jīng)緯度坐標(biāo)為116，38。

5? 結(jié)? 論

地震預(yù)警信息發(fā)布單元已經(jīng)在中國地震局工程力學(xué)研究所進(jìn)行了相關(guān)功能性測試及長期的拷機(jī)測試，性能比較穩(wěn)定，且其報警發(fā)布延時短，響應(yīng)比較迅速，經(jīng)過后期壓力測試，證明其能保持長期可靠性運(yùn)行，目前已經(jīng)正式應(yīng)用在武漢城市圈烈度速報系統(tǒng)當(dāng)中。

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