樹(shù)莓派在地震觀測(cè)站智能監(jiān)控中的應(yīng)用研究

安一凡 張 輝 曾智輝 涂先新

(1、中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室),湖北 武漢430071 2、湖北省地震局,湖北 武漢430071 3、湖北省地震局宜昌地震監(jiān)測(cè)中心站,湖北 宜昌443100)

地震觀測(cè)是地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、地震應(yīng)急和地震科學(xué)研究的重要基礎(chǔ)。由于地震事件的隨機(jī)性和不可重復(fù)性,每一次地震事件的波形數(shù)據(jù)都是非常珍貴的。要保證測(cè)震臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)可以完整地記錄到地震波形數(shù)據(jù), 三峽地震臺(tái)網(wǎng)中各設(shè)備穩(wěn)定的運(yùn)行是諸多保障因素中一個(gè)不可或缺的重要組成部分。由于測(cè)震臺(tái)站環(huán)境復(fù)雜多樣,維護(hù)成本相對(duì)較高,如何對(duì)三峽臺(tái)網(wǎng)各臺(tái)站進(jìn)行遠(yuǎn)程統(tǒng)一有效地監(jiān)控、維護(hù)和管理, 已經(jīng)成為一項(xiàng)亟待解決的問(wèn)題。為此,研究使用樹(shù)莓派微型電腦組建一套成本低、系統(tǒng)完善的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),對(duì)臺(tái)站內(nèi)的電源、溫濕度等工作環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,通過(guò)預(yù)先設(shè)定好的故障觸發(fā)率閾值判斷臺(tái)站故障點(diǎn),并發(fā)出報(bào)警信息,以便地震臺(tái)及時(shí)聯(lián)系看護(hù)或第一時(shí)間趕往現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)設(shè)備,使觀測(cè)記錄最小化損失。

1 樹(shù)莓派微型電腦的技術(shù)特點(diǎn)

有著標(biāo)準(zhǔn)化硬件接口的樹(shù)莓派微電腦憑借著低價(jià)、開(kāi)源以及極強(qiáng)的可拓展性獲得了迅速的發(fā)展,已成為全球最受關(guān)注的開(kāi)源硬件。電腦能做的大部分事情,在樹(shù)莓派上都能做,而樹(shù)莓派以其低能耗、移動(dòng)便攜性、GPIO 等特性,很多在普通電腦上難以做好的事情,用樹(shù)莓派卻是很適合的?？梢詫?shù)莓派連接電視、顯示器、鍵盤(pán)鼠標(biāo)等設(shè)備使用。但樹(shù)莓派微電腦與桌面計(jì)算機(jī)最顯著的優(yōu)勢(shì)是具有開(kāi)源硬件和開(kāi)源軟件技術(shù),自由釋放詳細(xì)信息的硬件設(shè)計(jì)。開(kāi)源硬件最強(qiáng)大的職責(zé)就是在真正的技術(shù)產(chǎn)品出現(xiàn)之前,可以快速的將功能實(shí)現(xiàn)。通過(guò)樹(shù)莓派微電腦板子加通用器材和傳感器就可以實(shí)現(xiàn)各種常規(guī)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)控功能,樹(shù)莓派微電腦板如圖1。

開(kāi)源軟件的特點(diǎn)是所有人都可以看到代碼,可根據(jù)技術(shù)和功能需求直接對(duì)代碼進(jìn)行修改,使源代碼運(yùn)行更加完善,功能更豐富。樹(shù)莓派的開(kāi)源具有優(yōu)秀的擴(kuò)展性和易于開(kāi)發(fā)的特性。其優(yōu)點(diǎn)：

圖1 樹(shù)莓派微電腦板圖

表1 樹(shù)莓派40Pin 引腳功能對(duì)照表

1.1 可以安裝完整的操作系統(tǒng)(例如,基于Linux 的Raspbian 或基于Windows 的OS 的Windows IOT Core)并將其用作日常計(jì)算機(jī)。

1.2 GPIO(通用輸入輸出引腳)的存在是RPi(樹(shù)莓派)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的區(qū)別所在?？梢詫⑦@些引腳連接到傳感器和外部組件,并使用Python 之類(lèi)的語(yǔ)言以編程方式與它們交互,能夠構(gòu)建和原型化可以感知現(xiàn)實(shí)世界的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

1.3 內(nèi)置了wifi 和藍(lán)牙?？梢暂p松地將項(xiàng)目加入無(wú)線模式。

2 樹(shù)莓派通用輸入輸出接口功能研究

樹(shù)莓派的通用輸入輸出(GPIO)接口可以通過(guò)各種信息傳感器,射頻識(shí)別技術(shù),紅外感應(yīng)器等各種裝置與技術(shù)組建物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過(guò)程。GPIO 接口引腳可以用于程序中讀取電路中的電信號(hào),也可以為控制電路提供電信號(hào)。可以通過(guò)GPIO 口和硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互(如UART),控制硬件工作(如LED、蜂鳴器等),讀取硬件的工作狀態(tài)信號(hào)(如中斷信號(hào))等。GPIO 口的使用非常廣泛,每個(gè)引腳都可以使用程序進(jìn)行控制操作。樹(shù)莓派將IO 引腳的開(kāi)放,可以通過(guò)引腳能連接各種電子設(shè)備、電路模塊、電子元件及各類(lèi)傳感器,實(shí)現(xiàn)智能化控制。GPIO 接口的使用非常廣泛,每個(gè)引腳都可以使用程序進(jìn)行控制操作。表1 是樹(shù)莓派GPIO 接口各引腳的編碼方式及功能對(duì)照。

2.1 樹(shù)莓派40 針GPIO 引腳功能

2.1.1 電源輸出引腳

3v3、5v 代表：3.3 伏特和5 伏特,是輸出供電的正極,也就是Vcc；GND 代表接地和輸出供電的負(fù)極。

2.1.2 GPIO 信號(hào)引腳

通過(guò)輸出高低電平或者通過(guò)讀入引腳的狀態(tài)：高電平或是低電平。可以通過(guò)GPIO 引腳和硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互(如UART),控制硬件工作(如LED、蜂鳴器等),讀取硬件的工作狀態(tài)信號(hào)(如中斷信號(hào))等。

2.1.3 IC 總線引腳

IC 是內(nèi)部整合電路的稱呼,是一種串行通訊總線,使用多主從架構(gòu),使主板、嵌入式系統(tǒng)或手機(jī)用以連接低速周邊裝置。

2.1.4 SPI 總線引腳

SPI 是串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface),是一種高速的、全雙工、同步的通信總線,并且在芯片的管腳上只占用四根線,節(jié)約了芯片的管腳,同時(shí)為PCB 的布局上節(jié)省空間,提供方便。

2.1.5 UART 總線引腳

UART 是一種通用串行數(shù)據(jù)總線,用于異步通信。該總線雙向通信,可以實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸和接收。在嵌入式設(shè)計(jì)中,UART用于主機(jī)與輔助設(shè)備通信,與PC 機(jī)通信包括與監(jiān)控調(diào)試器和其它器件,如EEPROM通信?？梢岳斫鉃橛?jì)算機(jī)的串口,RS232、TTL。

2.1.6 PWM脈沖寬度調(diào)制引腳

脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式,其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管基極或MOS 管柵極的偏置,來(lái)實(shí)現(xiàn)晶體管或MOS 管導(dǎo)通時(shí)間的改變,從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變。脈沖寬度調(diào)制是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù),廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。

2.2 樹(shù)莓派40 針GPIO 引腳編號(hào)方式

GPIO 的編號(hào)有三種不同的方式：

2.2.1 BOARD 編號(hào)方式：編號(hào)側(cè)重P1 插座側(cè),從上到下,從左到右。如表1 的BOARD 編碼一欄。

2.2.2 BCM2835 編號(hào)方式：編號(hào)側(cè)重CPU 寄存器,根據(jù)BCM2835 的GPIO 寄存器編號(hào)。如表1 的BCM編碼一欄。

2.2.3 wiringPi 編號(hào)方式：編號(hào)側(cè)重實(shí)現(xiàn)邏輯,把擴(kuò)展GPIO端口從0 開(kāi)始編號(hào),這種編號(hào)方便編程。如表1 的WiringPi 編碼一欄。

2.3 操作樹(shù)莓派的GPIO 端口

掌握了GPIO,就掌握了樹(shù)莓派操作硬件的方法。通常在項(xiàng)目功能硬件連接好后,進(jìn)行應(yīng)用編程。編程時(shí),通常采用第三方類(lèi)庫(kù)來(lái)作為開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)API 進(jìn)行使用,不同的API 庫(kù)對(duì)于GPIO的編號(hào)不一樣,而不同的API 庫(kù)對(duì)于開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的支持也不同。常見(jiàn)的類(lèi)庫(kù)有以下幾種：

2.3.1 wiringPi C,有Perl, PHP, Ruby, Node.JS 和Golang 的擴(kuò)展,支持wiringPi Pin 和BCM GPIO 兩種編號(hào)。

2.3.2 RPi.GPIO Python,支持Board Pin 和BCM GPIO 兩種編號(hào)。

2.3.3 WiringPi-Go, Go 語(yǔ)言,支持wiringPi Pin、BCM GPIO和Board Pin 三種編號(hào)選擇好需要的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言就可以了,比如選擇Python 語(yǔ)言,選擇RPi.GPIO,其他語(yǔ)言選擇wiringPi。

3 樹(shù)莓派遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

三峽井網(wǎng)臺(tái)站偏遠(yuǎn),維護(hù)困難,成本高風(fēng)險(xiǎn)大,而相當(dāng)比例的維護(hù)任務(wù)僅為重啟設(shè)備,通過(guò)研究樹(shù)莓派微型電腦GPIO 接口的功能和信號(hào)數(shù)據(jù)控制、讀取和傳輸方法原理,選擇技術(shù)成熟的遠(yuǎn)程管理或自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備和部件,在無(wú)人值守臺(tái)站組建遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3.1 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)

通過(guò)樹(shù)莓派微型電腦開(kāi)源硬件的深入分析研究,根據(jù)通用輸入/輸出接口各連接端的功能屬性,研究實(shí)現(xiàn)所需專(zhuān)用設(shè)備部件的連接,組建遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)：

表2 DHT11 溫濕度傳感器引腳功能說(shuō)明表

3.1.1 無(wú)人值守臺(tái)站儀器工作環(huán)境溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),設(shè)定高溫和高濕度警示。通過(guò)樹(shù)莓派微型電腦的GPIO 接口連接溫濕度傳感器,組成溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備。對(duì)無(wú)人值守臺(tái)站的環(huán)境的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),通過(guò)開(kāi)源軟件的修改和編寫(xiě),編譯后實(shí)時(shí)讀取溫濕度數(shù)據(jù)并顯示變化曲線。設(shè)定極限閾值,在環(huán)境條件突變的情況下發(fā)出警示信號(hào)。

3.1.2 電源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制,樹(shù)莓派微型電腦鏈接MI 家智能電源開(kāi)關(guān),并且實(shí)時(shí)顯示電壓值變化曲線,在異常情況出現(xiàn)時(shí)給出警示信號(hào),通過(guò)遠(yuǎn)程控制關(guān)閉或重啟觀測(cè)儀器。

3.1.3 遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控,樹(shù)莓派微型電腦連接MI 家智能攝像頭,可在中心臺(tái)站值班電腦實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控畫(huà)面,并在有非法闖入時(shí)識(shí)別運(yùn)動(dòng)變化,并發(fā)出警報(bào)至值班電腦。

3.1.4 通過(guò)樹(shù)莓派微型電腦連接臺(tái)網(wǎng)無(wú)線4G 路由器,開(kāi)啟樹(shù)莓派VNC 服務(wù),使用VNC 遠(yuǎn)程連接。開(kāi)啟之后,通過(guò)樹(shù)莓派的IP 地址進(jìn)行連接,完成樹(shù)莓派微型電腦與中心臺(tái)站值班電腦遠(yuǎn)程連接,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信號(hào)和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

3.2 溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建方法和試運(yùn)行效果

樹(shù)莓派微型電腦連接DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器組建實(shí)時(shí)溫濕度檢測(cè)設(shè)備,DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器,應(yīng)用專(zhuān)用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù),確保該部件具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,如圖2-7 所示。其三根引腳接線：“-”的是電源負(fù)極(GND)、“+”的是電源正極(VCC)、“out”的是數(shù)據(jù)輸入輸出(DATA),進(jìn)行編譯后可以實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)和顯示變化的溫濕度曲線。引腳功能說(shuō)明如表2。

傳感器引腳的連接沒(méi)有特定的限制,vcc 只要連接的是樹(shù)莓派上標(biāo)有“5v”標(biāo)識(shí)的引腳(pin2 或pin4),GND 連接樹(shù)莓派上標(biāo)有“GND”標(biāo)識(shí)的引腳(pin6,pin9,pin14,pin25,pin30,pin39),DATA連接任意標(biāo)有“GPIO”的引腳。由于樹(shù)莓派軟件的開(kāi)源性,使用Python 現(xiàn)成的庫(kù),代碼簡(jiǎn)單,易懂,直接導(dǎo)入Adafruit DHT11 庫(kù),完成代碼的修改和編寫(xiě)。

圖2 1DHT11 溫濕度傳感器

圖3 DHT11 溫濕度傳感器與樹(shù)莓派的連接示意圖

圖4 樹(shù)莓派連接溫濕度傳感器試驗(yàn)圖

圖5 溫濕度讀取開(kāi)源軟件下載調(diào)試修改代碼圖

圖6 溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行效果圖

圖7 溫濕度監(jiān)測(cè)曲線圖

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)樹(shù)莓派微電腦的開(kāi)源架構(gòu)及通用輸入/輸出接口技術(shù)原理的分析研究,在實(shí)現(xiàn)溫濕度檢測(cè)的實(shí)際組建研究中,得出如下結(jié)論：

4.1 樹(shù)莓派實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程智能檢測(cè)和監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)和方法簡(jiǎn)單實(shí)用,無(wú)人值守地震觀測(cè)站的運(yùn)用具有廣闊的應(yīng)用前景。

4.2 在充分掌握樹(shù)莓派通用輸入/輸出接口連接和控制編程的基礎(chǔ)上,更深入地研究樹(shù)莓派微電腦的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備技術(shù),能夠擴(kuò)展樹(shù)莓派在地震臺(tái)、站智能管控中的應(yīng)用。

4.3 本次研究只是初步了解和掌握了樹(shù)莓派通用輸入/輸出接口連接和控制編程的方法和原理,實(shí)際運(yùn)用于無(wú)人值守地震觀測(cè)站的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控,水管傾斜儀和寬頻帶傾斜儀的地震響應(yīng)延遲時(shí)間均與震中距成正比,震中距越大,響應(yīng)延遲時(shí)間越長(zhǎng),水管傾斜儀的響應(yīng)延遲時(shí)間大部分比寬頻帶傾斜儀的響應(yīng)延遲時(shí)間長(zhǎng)。

本次研究取得了一定的成果,初步掌握了樹(shù)莓派微電腦開(kāi)源硬件開(kāi)發(fā)運(yùn)用的技術(shù)方法,單一的監(jiān)測(cè)和監(jiān)控項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn),為后續(xù)進(jìn)一步研究打下基礎(chǔ),提高了無(wú)人值守地震觀測(cè)站的智能監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)水平,也提升了對(duì)無(wú)人值守地震觀測(cè)站的應(yīng)急管控能力。