基于3G無線傳輸的測震臺站監控設備的研制①

孫宏志，王學成，劉一萌，盧 山，趙龍梅，孫愷微

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

“十五”和“十一五”期間，全國相繼建成并投入運行了大量的數字地震子臺。地震子臺常處于偏遠地區，通常存在易斷電、電壓波動范圍大、電源和信號線易遭受雷擊等問題。由此易造成數據采集器和數據傳輸設備（交換機、路由器和移動的傳輸設備）的死機或損壞，影響測震數據的連續運行率［1－2］。2012年8月1日全國地震臺網技術骨干討論會上各省代表對地震子臺設備運行問題進行了歸納總結，造成故障的主要原因有以下幾點：（1）對數據采集器進行遠程操作或遠程標定時采集器有可能死機；（2）環境溫度到零下二十度左右時采集器可能死機；（3）數據采集器和數據傳輸設備（交換機、路由器和移動的傳輸設備）由于雷擊等原因損壞或死機；（4）由于電源干擾和電源故障造成信號故障。由于以上原因造成儀器死機的故障占總故障率的60%左右，而真正造成儀器損壞的故障率只占約40%。

目前通常的解決辦法是維修人員帶著備用設備到臺站檢修。這種檢修一是到達現場耗時較長，二是費用居高不下，因此如何快速恢復測震信號和減少野外出臺維修次數是測震維修工作中亟待解決的問題。如果能加強對數據采集器工作狀態的實時監控，并且在儀器故障時能快速啟用備用設備將是解決以上問題的有效途徑。

監控系統的演變是一個從集中監控向網絡監控與無線監控發展的歷史。Internet資源的共享為遠程監控系統的發展提供了有利的條件［3］。現有的遠程監控系統在實現原理上大致分為兩類：一類為基于傳統Internet的有線式遠程監控系統；另一類為基于GSM等無線移動網絡的監控系統［4］。后者在工程造價、產品維護和市場前景上有絕對的優勢。隨著3G等高速無線網絡的普及，基于無線網絡的綜合監控系統將成為新的研究熱點。我們國內地震系統對于遠程監控和3G無線數據傳輸的應用還處于起步階段。石曉輝等對GPRS無線傳輸方式和有線傳輸方式的組合應用進行了探索［5］；朱小毅等通過現有網絡用有線控制來完成地震計遠程監控功能接口的實現［6］。本文擬研制一種適用于測震臺站的具有3G數據傳輸功能的遠程監視控制設備。該儀器通過網絡接口和串口來實時監控本臺站設備的運行狀態，通過儀器實現對地震臺站設備進行關電、加電、重啟等操作的遠程控制和臺站各類主設備與備用設備之間切換的遠程控制。以3G無線數據傳輸功能為基礎，在傳輸信道出現故障時能啟用該儀器的這項功能，將測震數據及時傳輸到臺網中心，從而實現測震信號的不間斷傳輸。

1 研究思路與AT指令

目前地震行業內還沒有功能完善的專用3G無線數據傳輸設備（3G模塊的開發應用），有些地震臺網使用一些通用的無線路由實現了3G無線數據傳輸功能，這種通用設備的使用優點在于系統建設時間短，短期投入少見效快，調試方便；但缺點也十分明顯，即不利于未來功能開發。因此我們在此項目中提出從3G模塊底層開發無線數據傳輸功能和SMS功能，以利于將來3G傳輸設備的開發和維護。通過AT指令我們可以直接對3G模塊進行底層的操作。AT指令是 NOKIA、Ericsson、Motorola和HP共同研制的一整套指令，其中包括對SMS的控制。常用的AT指令［7］有：

AT＋CSCA＝“短信中心號碼”＜CR＞ ；用于設置短信中心的號碼。

AT＋CMGF＝［＜MODE＞］＜CR＞ ；用于設置短信的模式：＜MODE＞為1，短信為text模式；＜MODE＞為0，短信為PDU模式。text模式用來發送英文和數字，PDU模式則可以用來發送中文。本系統收發的是數字，采用text模式。

AT＋CNMI＝1，1，2＜CR＞ ；設置為收到短信后自動提示。

AT＋CMGR＝＜INDEX＞＜CR＞ ；讀取短信，＜INDEX＞為短信的位置序號。

AT＋CMGD＝＜INDEX＞＜CR＞ ；刪除短信，＜INDEX＞為短信的位置序號。

AT＋CMGS＝＜LENGTH＞＜CR＞＜發送內容＞＜ctrl－Z／Esc＞ ；＜LENGTH＞為短信接收端的被叫號碼。

AT＋IPR＝4800（或9600）＜CR＞ ；設置串口波特率為4800或9600。

2 系統功能

該儀器主要具有以下幾點主要功能：

（1）當測震臺站有線傳輸信道出現故障時，地震監測中心可通過相關命令遠程啟用本儀器的3G無線數據傳輸功能，將測震數據及時通過3G無線信道傳輸到地震監測中心，從而保證測震信號的不間斷傳輸，減少信號斷記率。

（2）在傳輸主設備損壞時，地震監測中心可通過相關命令遠程啟用備用傳輸設備，實現主設備與備用設備之間切換的遠程控制，以保證測震數據的連續運行率。

（3）實現對地震數據采集器、地震臺站上的交流供電設備和直流12V供電設備進行遠程關電、加電、重啟等操作控制。

（4）通過遠程指令控制儀器通過網絡接口或串口來監視本臺站地震數據采集器網絡接口上的數據或串口上的數據，并將相關信息發送到地震監測中心。此項功能可幫助中心值班人員判斷地震臺站地震數據采集器是否工作正常。

（5）電源設計上為雙路交流輸入互為備份，一路停電另一路自動供電；內部直流部分設計為雙路直流開關電源互為備份，主直流開關電源損壞后自動啟用備用直流開關電源供電。

此幾項功能的實現，有效解決了除地震數據采集器損壞以外的幾乎所有測震信號斷記問題，同時在極大程度上節省了地震子臺儀器維護的相關人力成本和經費。

3 系統的硬件設計及技術指標

3.1 硬件結構設計

硬件方面由驅動控制電路板和核心接口電路板組成。控制板包含一個網口、兩個串口和多個I／0接口（20以上），通過串口（或網口）來實時監控本地地震臺站數據采集器的運行狀態。當數據采集器輸出數據不正常時，如數據采集器死機無任何數據輸出或ping數據采集器正常，但無法正確解析接收到的數據，控制板通過短信將信息發送到監控中心，中心人員可通過短信內容進行判斷處理。核心接口板以增強型單片機P89C668和STC12C5A60S2為雙CPU硬件核心，用工業級WCDMA模塊作為通信橋梁進行信息交互。接口板驅動隔離部分（HC4066或6N173）和各類繼電器組構成。其主要硬件框圖如圖1。

圖1 儀器硬件框圖Fig.1 Instrument hardware frame

控制終端是一個基于GSM（全球移動通信系統）網絡和SMS（短信業務）的控制系統。SMS是GSM系統提供給廣大移動用戶的一種雙向通信、具有一定的交互能力、占用網絡的信令信道的數字業務。由于短消息使用了SMSC（短消息服務中心）的存儲和轉發機制，當接收端用戶關機或不在服務區內時，SMSC會暫時保存該短消息；如果接收端用戶在規定時間內重新處于工作狀態，SMSC會立刻發送該短消息給接收端用戶，當發送成功時會返回發送端用戶一個確認信號，因此SMS具有較高的可靠性［8］。設備采用Philips公司生產的P89c668單片機和增強型雙串口單片機STC12C5A60S2為監控處理核心，后者使用AT指令通過串口和WCDMA模塊進行通信，通過網絡芯片與24位地震數據采集器進行數據交互；同時通過單片機P89c668實時監控24位地震數據采集器com口的實時數據流，分析數據流正確性。為了能夠存儲某些數據內容，擴展了一片電可擦除非易失串行EEPROM存儲器AT24C08（8kbit）。該器件具有兩線串行接口、雙向數據傳輸握手、硬件數據寫保護、八字節頁寫方式和獨立定時的寫周期（10ms最大）等特點，可在1.8～5.5V寬電源范圍內可靠工作。該芯片在掉電后仍然能夠保存所存儲的數據，可保證100000次擦／寫周期和有效保存數據10年［9］。為了使監控單元能夠與24位地震數據采集器通訊，通信接口選用正負15kV靜電電擊保護的MAX202E芯片完成TTL和 RS232電平轉換［10］。

3.2 電源部分結構設計

本設備設計上內部直流部分設計為雙路直流開關電源互為備份。正常工作時主開關電源將交流220V轉變12V直流電，并控制繼電器使備用直流開關電源輸入輸出均為物理斷開；當主直流開關電源發生故障不能正常輸出12V直流時，備用直流開關電源輸入輸出繼電器導通，備用直流開關電源接替主開關電源為后端提供穩定的12V直流電。切換部分繼電器采用萬家的大功率繼電器WJ176，其釋放、吸合時間均小于15ms，且我們在工作電路中加入一個50V2000uF電容和一個0.1uF容量，這樣在直流電源切換時對后端直流輸出不會造成任何影響。電源部分主要連接控制框圖如圖2。

3.3 儀器技術參數及使用、連接方式

本儀器技術參數：

圖2 電源部分連接控制框圖Fig.2 The frame of power source and control unit

（1）輸入電壓：交流200～240V；

（2）輸出直流：11.5～12.5V；

（3）輸出交流220V單口供電電流大于1A（220W）；

（4）輸出直流12V單口供電電流不大于2A（24W）；

（5）獨立可控交流220V輸出口4個；

（6）獨立可控直流12V輸出口4個；

（7）分組可控信號線4組（每組2條信號線）；

（8）轉換效率大于75%；

（9）整機工作溫度范圍：－20℃～50℃；

（10）本機控制部分功耗小于2.5W，整機功耗小于20W；

（11）外形尺寸：440mm（寬）、360mm（深）、90 mm（高）；

（12）無線工作頻率：上行：1920MHz～1980 MHz；下行：2110MHz～2170MHz。

本儀器使用、連接框圖如圖3所示。地震臺站的相關設備電源均接在本儀器受控電源輸出接口上，當有線設備（如交換機、路由器、光端機、協議轉換器等）發生損壞或死機時，可通過本設備控制相關有線設備的重啟或切換。

4 系統軟件設計

控制終端上電后，首先讀取本機的地址號（臺站號），然后對通訊模塊wavecom24plus進行初始化，如設置短信模式為text模式等。然后單片機巡回檢測wavecom24plus是否收到新短信。當有新短信傳來時，執行串口終端服務程序：讀取指令短信，并判斷地址號是否與本機相同，密碼是否正確；如相符則執行相應的操作指令，執行完畢后返回本終端各電源輸出端口的代碼信息。最后刪除已讀取的短信。程序流程圖如圖4所示。

圖3 儀器使用連接框圖Fig.3 Frame of the equipment＇s application

圖4 程序流程圖Fig.4 Program flow chart

5 結束語

本多功能智能設備控制終端能可靠地控制遠端設備的工作狀態，只要GSM網絡覆蓋的區域都可以使用；維護費用極低；可靠性好；可以設定控制密碼，安全性高。對用戶的短信指令響應也比較迅速，在網絡信號較好時從指令短信成功發送到收到控制終端的回復短信一般只需25s左右。它使用戶對遠端設備的操作變得更加直觀、方便。本設備的研制成功很好地解決了遠程設備死機重啟和遠程備用設備控制切換等問題，并可通過網口和串口實時監控數據采集器工作狀態的功能，具有通過3G無線傳輸測震數據的功能。

目前已成功制作兩臺樣機，在遼寧省本溪地震臺和新民地震臺進行了近三個月的使用實驗。使用過程中兩個地震子臺的直流12V電源未發生故障；發生設備故障時，通過遠程控制重啟相關設備或啟動備用設備進行工作，有效解決了非地震數據采集器損壞和非地震計損壞等故障，大多故障經過處理十分鐘內信號就可以恢復正常。該儀器本身運行穩定，未出現運行故障。

該設備的研制提高了整個地震臺網運行穩定性，減少了野外維修的出臺次數，大大縮短了由儀器死機或非地震數據采集器、拾震器等故障造成的斷記時間，解決了地震臺站遠程維護問題，增強了現有地震監測系統的運行保障能力和服務能力，具有較高的應用價值。

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