基于微震監測技術的地下田野文物監控系統設計與實現

孫 弋 ，楊海科 ，屈耀軍

(1.西安科技大學 通信學院，陜西 西安 710054；2.陜西省工業和信息化廳，陜西 西安 710001)

我國歷史悠久，古墓葬、地下遺址等地下田野文物資源豐富。我國地下田野文物監管的現狀是：地下田野文物分布點多、線長、面廣，且所處位置大都較為偏僻，交通不便，地下田野文物管理人員數量少，巡查難度大，監管技術落后。這給不法分子盜竊文物等違法行為以可乘之機，盜竊行為時有發生。針對這種現狀，本文利用微震監測技術實現了對地下田野文物保護系統的設計。通過在目標區域建立監控系統，完成對震動信號的采集、分析、判別，判斷是否有盜掘行為的發生，實現對田野文物監控的目的。微震監測技術是微地震研究的一個應用領域，本設計是微震監測技術在文物監控領域的一個應用。

1 系統設計總體概述

系統包含檢波監測網、調理電路、工業控制計算機三部分，如圖1所示。其中，檢波監測網采集人為活動產生的震動參數，并可多節點定位，調理電路完成對原始信號的放大、變換、濾波等處理，信號采集PCI卡通過工控機的PCI插槽完成對工業控制計算機的數據傳輸，數據經工業控制計算機軟件分析、處理、判別后做出識別，通過有線或者無線網絡向遠程控制中心發出報警信號，遠程控制中心收到報警，采取相應措施。

2 系統硬件設計

2.1 檢波監測網

檢波監測點對目標區域實行監控，實質是監測目標區域內的各種震動信號。

圖1 地下田野文物監控系統框圖

檢波監測網由N個檢波監測點組成，檢波監測點的個數可根據實際需要自行設定。本設計采用HK20DX-10S系列地震檢波器作為檢波監測設備。該系列地震檢波器采用引線簧結構，具有體積小、重量輕、假頻高、耦合好等特點。該系列檢波器適合沼澤、淺海、丘陵、山地、戈壁等不同地表環境的工作。其技術指標如下：自然頻率 10±5%，開路阻尼系數 0.3，閉路阻尼系數(并 1 kΩ)0.7±5%，開路靈敏度 0.28 V/（cm·s-1），閉路靈敏度（并1 kΩ）0.2±5%，線圈電阻 395±5% Ω，并聯電阻后直流電阻（并 1 kΩ）283±5% Ω，失真度≤0.2%，假頻≥400 Hz，懸體質量 11 g，最大位移（P-P）1.5 mm，允許傾斜角度＜10°。

該系列地震檢波器假頻大于400 Hz，具有很強的抗橫向干擾能力，大幅度提高了檢波器的通頻帶寬度及信噪比。采用引線簧焊接導電結構，保證檢波器的高可靠性。檢波器體積小，易于埋置，與大地的耦合性好，抗干擾能力強，有效提高了檢波器的分辨率和信噪比。

2.2 調理電路

調理電路對地震檢波器采集到的電壓信號進行濾波、放大，調整成適合工業控制計算機處理的信號，其單路設計如圖2所示。

圖2 單路調理電路

IN端是地震檢波器信號采集端，OUT端是工業控制計算機端，R00、R01、C01可以根據濾波、放大需要進行相應設計，調理電路路數可以根據實際需要進行設計。

2.3 工業控制計算機

本設計采用的工業計算機包括工業控制計算機核心、高速模擬量數據采集卡、網絡模塊等部分，系統框圖如圖1所示。

2.3.1 工業控制計算機核心

本設計采用GT-6355工業控制計算機，英特爾凌動230處理器，主頻1.6 GHz，主板采用英特爾945GC+ICH7芯片組，雙通道內存接口，最多支持4 GB的DDR2 533/677 MHz內存，顯示卡采用英特爾GMA950圖形媒體加速器，最大共享內存224 MB，1個英特爾 82573L PCI-E千兆網絡控制器，2個SATA硬盤接口，1個 RS-232接口，1個RS-232/422/485接口，6個USB2.0接口，PICMG1.0總線，支持PCI及ISA擴展設備，含PCI擴展單槽。該工業控制計算機性能穩定、資源豐富、使用方便，且能適應惡劣環境。

2.3.2 高速模擬量數據采集卡

本設計采用PCI-1713型高速模擬量數據輸入卡。該卡是一款PCI總線的隔離高速模擬量輸入卡，提供32路差分模擬量輸入或者組合輸入通道，每個輸入通道的增益可編程控制，可對不同通道使用不同增益，并采用單端和差分輸入的不同組合方式來完成多通道采樣。模擬量輸入范圍為：雙極性時，±0.625 V，±1.25 V，±2.5 V，±5 V，±10 V； 單極性時，0～1.25 V，0～2.5 V，0～5 V，0～10 V，最大輸入過載電壓±30 V；A/D轉換器的采樣頻率可達100 kS/s、分辨率為 12 bit；帶有一個 4 KB采樣 FIFO緩沖器，該特性提供了Windows下連續高速數據傳輸的可靠性；2 500 V(DC)的直流隔離保護，用于保護PC及外設免受輸入線上高壓電的損害；支持軟件內部定時器觸發或外部定時觸發；工作溫度-20℃～+70℃，能適應戶外工作要求。

數據采集過程如圖3所示。

圖3 數據采集過程框圖

3 系統軟件設計

軟件系統采用Windows XP作為操作系統平臺，符合用戶的操作習慣。應用軟件采用微軟公司的開發工具Visual Studio 2005進行設計開發。

3.1 軟件結構設計

應用程序包括系統界面、操作日志、數據通信、數據庫存儲、歷史數據查詢等模塊。軟件結構如圖4所示。

圖4 軟件結構框圖

（1）系統界面。軟件界面采用分級結構，每一個試驗采用彈出子界面的方式單獨處理，這樣使軟件更具模塊化管理。軟件的整體界面框架包括菜單欄、工具欄、按鈕、編輯框、主窗口狀態欄等部分。

（2）操作日志。操作日志記錄了用戶對設備進行操作的用戶名、時間、指令等詳細信息。日志信息保存在文本文件中，便于查詢。

（3）數據通信模塊。數據通信模塊采用PCI通信模塊、網口和USB等接口和外部設備進行通信。

（4）數據庫存儲。數據存儲完成實時數據的數據庫存儲。本方案采用Access數據庫，ADO是數據庫應用程序開發的接口，具有使用簡便、速度快、內存消耗少和占用磁盤空間少等優點。利用ADO技術實現Visual Studio 2005與數據庫的接口，從而方便地實現Visual Studio 2005對Access數據庫的訪問。

（5）歷史數據查詢。歷史數據查詢模塊完成歷史數據信息的查詢操作，通過觀察歷史數據，可以對系統的性能做出分析，可以了解設備的工作過程及結果。歷史數據查詢模塊包括窗體代碼設計和數據庫查詢代碼設計。

3.2 軟件流程設計

軟件流程如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

應用軟件啟動后，首先進行初始化工作，包括初始化接口、記錄工作日志、打開數據庫等任務。如果初始化失敗，應用程序不能正常運行而退出；初始化成功后，開始監控。當關閉設備時，監控結束，否則一直循環進行。

本方案針對目前文物所在的環境特點劃分成多個小區域，利用傳感器網絡進行實時監測，對接收到的數據進行實時處理，對異常狀況進行報警，并及時保存所采集的數據信息，為文物保護工作者進行文物保護方法的研究提供了重要依據。本方案所描述的系統具有簡單、實時、高效等特點，對維護文物古跡的安全具有重要的意義。

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