地震地聲監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

王軒力，孫立新

(山西工程技術(shù)學(xué)院信息工程與大數(shù)據(jù)系，山西 陽泉 045000)

0 前言

我們生活在一個不安寧的地球上，到如今地球已經(jīng)46億年的年紀(jì)，誰也不知道地球還能“活”多久。即使地球這么大年紀(jì)了，依然活力不減，地震、火山噴發(fā)時有發(fā)生，據(jù)統(tǒng)計每年發(fā)生的地震有好幾百萬次。

地震、火山噴發(fā)、海嘯、暴風(fēng)雨……,這些都是大自然對我們?nèi)祟惖目简灒覀內(nèi)祟惵龔奈粗秸莆者@些自然災(zāi)害的特性，到現(xiàn)在可以提前預(yù)知，付出了幾十年的時間。付出的是大量的時間、經(jīng)濟，更重要的是人的性命。在2004年印度洋海嘯中死亡人數(shù)30萬，而1976年我國的唐山大地震遇難同胞達到了24萬之多。

地震的特點是頻發(fā)的，而且時間短，破壞力強，預(yù)測困難。我們生活的地球有46億年之久，人類在地球這么久時間里只占了很小的一點時間，對地球了解不多，特別是內(nèi)部，而且地球還不是靜止的，這么多內(nèi)因和外因也就無法讓我們真正了解清楚地震的原因，這也為預(yù)測地震帶來了困難，所以地震預(yù)測至今仍然是個世界難題。

1 簡介

由于地球是一直在運動的，所以大部分地震都是由于地球在自轉(zhuǎn)當(dāng)中，內(nèi)部巖層相對運動所造成的,還有一部分是火山噴發(fā)引起的。

地震中為數(shù)最多的是淺源地震，發(fā)生于地殼內(nèi)部。從成因上講，多數(shù)為構(gòu)造地震。地球內(nèi)部的地殼不是完整一塊的，所以在地球自轉(zhuǎn)和外部其他一些應(yīng)力的作用下，地殼會做相對運動，這樣地殼彈性波動能形式釋放出來，釋放出來也就是地震了。這種解釋只是人類的一種辯證和推理，具體的地震成因仍然沒有完全了解。

我們中國人的哲學(xué)思想是自上而下的整體思想，正如中醫(yī)看病理論，只用脈波就可以診斷出許多病，而不必了解清楚人體的構(gòu)造和復(fù)雜的病因。同樣的我們也可以通過地震發(fā)生前的一些特征來預(yù)測地震的發(fā)生，通過比較地震發(fā)生前的一些特征，地聲這一特征被選擇出來作為我們檢測的目標(biāo)。

本文研究的就是能夠大面積推廣的廉價的儀器、布置測聲網(wǎng)絡(luò)、捕獲地聲信息，為短臨預(yù)報提供數(shù)據(jù)。

聲音在空氣中的傳播速度要快于物體形變的速度，而且通過整理過去幾次大地震資料可以發(fā)現(xiàn)，在地震前都會有強烈的聲音從地下發(fā)出；還有就是在井下煤礦中，當(dāng)冒頂事故前，會有相應(yīng)的聲音傳出來。通過這些原理和事例，我們可以肯定，地聲是地震發(fā)生的前兆，監(jiān)測地聲有很重要的實際意義。

1.1 地聲

地聲，顧名思義，也是一種聲音，它是由于地球內(nèi)部的運動或者外在一些因數(shù)刺激，是地殼運動所產(chǎn)生的，持續(xù)時間可長可短，有的像物體斷裂，有的像炸藥爆炸，有的像打雷。

地聲的特征

?強度在0～30db范圍；

?頻率在0～200 Hz范圍；

?以間歇性脈沖型出現(xiàn)，周期小于9 s；

?人耳能辨識最大距離大約為200 km。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

圖1 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)框圖如圖1示所示，傳感器選用武漢安全環(huán)保研究院的三軸向聲發(fā)射探頭。數(shù)據(jù)采集儀主要由前端信號調(diào)理電路、MSP430單片機組成。數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)選用GPRS網(wǎng)，它的前部是基于GSM的無線移動網(wǎng)，后部是Internet網(wǎng)。這一選型設(shè)計使地聲監(jiān)測系統(tǒng)具有分布式、無線可移動、實時永遠在線的特點。

1) 傳感器選用武漢安全環(huán)保研究院的三軸向聲發(fā)射探頭。因為我們的世界是個三維立體，所以我們的傳感器也要接收來自三個維度的信號，三軸向代表的是三個維度分別放置一個傳感器，還有因為地聲信號本身的低頻特性，所以還要加上一個放大器。

2) 從傳感器進來的信號，我們不能直接使用，因為當(dāng)中有好多干擾信號，以及進入單片機的頻率電壓也在一定的范圍內(nèi)，綜合考慮這些因素，需要設(shè)計前端調(diào)理電路，如圖2所示。

圖2 前端信號調(diào)理電路

低功耗和低成本是設(shè)計的地聲監(jiān)測系統(tǒng)的特點,這是根據(jù)地聲監(jiān)測的實際需求設(shè)計的，所以放大芯片的選擇主要選低功耗、低成本的芯片，而且由于地聲信號具有微弱信號的特點，本設(shè)計選用的放大芯片是TI公司生產(chǎn)的TLC2252A這個芯片。

3) 我們選用了一塊MSP430的實驗板，然后連接上我們的前端調(diào)理電路，傳感器選用一個我們經(jīng)常用的麥克風(fēng)作為試驗用。

通過觀察與分析麥克風(fēng)的原理，用麥克風(fēng)前端的壓電陶瓷(也叫做“咪”)作為傳感器(它的工作原理類似人耳的工作原理，當(dāng)有聲音傳到耳朵里的時候，震動耳膜產(chǎn)生機械運動，耳膜的機械運動就產(chǎn)生了人體的神經(jīng)電流，通過和腦部連接的神經(jīng)網(wǎng)傳到人的中央控制中心----大腦)。當(dāng)有聲音傳到這個“咪“中，聲音震動“咪“中的振片，振片處在一個磁場中，當(dāng)振片震動時就在磁場中來回運動，切割磁力線，連接振片的電路就產(chǎn)生一個電壓，電壓值和聲音的強度成正比，電流的頻率和聲音的頻率成正比。然后通過分析一些高靈敏度麥克風(fēng)的電路，模仿它的放大與濾波電路，設(shè)計出自己的電路，通過比較采用積分放大與帶通濾波組合的電路。

等實驗成功了，我們再用武漢安全環(huán)保研究院的三軸向聲發(fā)射探頭作為現(xiàn)場的傳感器。圖3所示為整體下位機連接實物圖，無線信號傳輸我們選用GPRS模塊實現(xiàn)。

圖3 下位機整體連接圖

2.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括：單片機上的軟件設(shè)計和電腦上的軟件設(shè)計兩部分。

2.2.1 單片機上的軟件開發(fā)

單片機上的軟件：A/D轉(zhuǎn)換程序；寫串口程序；求5個最大值。

◆ 求最大值軟件設(shè)計：因為本系統(tǒng)是對地震前兆地聲的監(jiān)測，也就是要知道地聲的幅值的變化，所以我們不需要把地聲信號波形復(fù)原，只要把10 s內(nèi)A/D采回來的電壓值取5個最大值進行發(fā)送就行，如果5個最大值超過了正常的地聲信號電壓伏值，則可以基本上判定有地震發(fā)生。這個程序可以放在單片機中實現(xiàn)。

◆ A/D轉(zhuǎn)換：在A/D轉(zhuǎn)換軟件時，應(yīng)按以下步驟實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的過程。

1) 初始化ADC，置ADC120N=1。

2) 初始化通道。

3) 開始轉(zhuǎn)換。

4) 轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果存到ADC12MEM0，中斷位置位。

5) 從第三步開始循環(huán)，直到都轉(zhuǎn)換完。

◆ 寫串口程序設(shè)計：當(dāng)MSP430一上電就按設(shè)定的時間間隔進行采樣和往串口寫數(shù)據(jù)，本程序主要實現(xiàn)把A/D轉(zhuǎn)換后的電壓值傳到串口(RS232)。具體的實現(xiàn)是用到循環(huán)，是把A/D轉(zhuǎn)換后的值和單片機內(nèi)的工作電壓的最高值比較，計算出具體的電壓值，同時把電壓值的每一位轉(zhuǎn)換成ASCII碼，然后把電壓值的每位值依次傳到串口。

2.2.2 電腦上的軟件開發(fā)

上位機軟件主要是網(wǎng)絡(luò)通信軟件，是基于TCP/IP通信程序。在通信開始前，客戶端建立客戶的套接字、服務(wù)器端建立服務(wù)器的套接字，通過各自的套接字和信息的綁定實現(xiàn)信息的交互。因為我們是用VC++編程，所以客戶機和服務(wù)器都會調(diào)用VC++里面自帶的套接字函數(shù)socket()，通過它建立自己的套接字。

最后在上位機上用VC++做了個界面，周圍環(huán)境是安靜時候，上位機沒有收到任何數(shù)據(jù)，當(dāng)有聲音時候，上位機會收到不同的數(shù)值，數(shù)值大小代表不同的聲音大小。如圖4所示。

圖4 上位機界面

3 總結(jié)

地震預(yù)報是眾所周知的世界難題，這一難題至今尚未解決的主要原因之一是“時空信息不足”，不能在足夠大的空間區(qū)域內(nèi)，分布足夠密集的觀測點，獲得實時的觀測數(shù)據(jù)，也沒有記錄下足夠長的時間范圍內(nèi)，采樣間隔又足夠小的觀測數(shù)據(jù)。依靠傳統(tǒng)的人工觀測的方法是不可能采集到足夠的數(shù)據(jù)，為地震預(yù)報提供依據(jù)的。本文設(shè)計的分布廣、可移動、實時、低功耗的地震前兆地聲無線監(jiān)測系統(tǒng)，試圖為“時空信息不足”的問題提供一種解決方案。