SS—100地震開關的設計

郭德順++葉世山++李敬

摘 要：采用縱波（P波）檢測和地震判斷技術，設計了SS-100地震開關，能夠在檢測到地震P波后快速判斷該地震的加速度是否達到設定閾值，同時驅動開關和發出警報。主要介紹地震開關的硬件構成和軟件設計流程。

關鍵詞：地震波 地震開關 地震警報 加速度

中圖分類號：TU352.11 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（b）-0229-02

地震波按傳播方式分為三種類型：縱波、橫波和面波?？v波是推進波，地殼中傳播速度為5.5～7 km/s，最先到達震中，又稱P波，它使地面發生上下振動，破壞性較弱。橫波是剪切波：在地殼中的傳播速度為3.2～4.0 km/s，第二個到達震中，又稱S波，它使地面發生前后、左右抖動，破壞性較強。面波又稱L波，是由縱波與橫波在地表相遇后激發產生的混合波。其波長大、振幅強，只能沿地表面傳播，是造成建筑物強烈破壞的主要因素（http：//baike.baidu.com/view/66121.htm？fr=aladdin）。因此，中強地震發生時由于震中距的不同，人們將會有數秒到數十秒不等的時間做出反應。

SS-100地震開關利用地震波的上述特點，在地震發生后快速準確地從背景噪聲中檢測出首先到達的P波，通過科學計算，判斷出該地震所引起的地面震動是否達到設定的加速度閾值，達到時驅動外接設備開關，并通過內置報警系統發出地震警報。

1 硬件設計

1.1 設計要求

SS-100地震開關要求加速度傳感器精度高功耗低，邏輯判斷準確，要有時鐘信號和校時功能，能提供兩路開關信號和內置警號。

按照要求，采用16位模數轉換芯片和25 MHz微控制器及三軸向微機電加速度計，即時數位處理，提供高精度之數值判斷；地震判斷邏輯采用PD、PGA、Displacement與STA/LTA模式；內置兩組繼電器可連接控制外界設備；內建實時時鐘（RTC）并提供NTP網絡校時功能，可以實時顯示當前之精確時間，而且還內置了蜂鳴器可即時發出報警聲響。

1.2 系統組成

SS-100地震開關由數據采集模塊、數據處理傳輸模塊、報警執行模塊等組成。系統組成框架如圖1所示。

1.2.1 數據采集

數據采集模塊負責數據實時采集。該模塊包含傳感器、ADC（模數轉換芯片）、MCU控制單元。傳感器、ADC負責數據采集和轉換；MCU控制單元負責實時數據的臨時存儲、初步處理，該模塊通過SPI數據總線與數據處理傳輸模塊進行通訊。

傳感器選擇Kionix公司的KXR94-2283型MEMS加速度傳感芯片，技術參數見表1。AD轉換芯片選擇TI公司的16位ADC芯片ADS1174，考慮到設計的擴展性，選擇TI公司的MSP430F6736作為數據采集的MCU。框架圖如圖2所示。

1.2.2 數據處理與傳輸

數據處理傳輸模塊負責數據的非易失存儲，數據的分析，P波檢測和地震判斷，NTP時鐘同步，控制報警執行模塊動作和數據傳輸?？梢酝ㄟ^以太網方式將數據傳輸到數據中心；并接收數據中心的指令，地震判斷控制數據采集模塊的動作和軟件在線升級等。

數據處理傳輸模塊采用MISP結構CPU為核心，軟件系統采用嵌入式Linux。選擇的臺灣Ralink RT3052，RT3052含有豐富的外部接口，其本身內置了網絡功能；數據處理傳輸模塊將數據采集模塊采集到的數據進行處理、P波判斷，發出對應的指令控制報警執行模塊動作，并將數據存儲到存儲芯片和數據傳輸。結構圖如圖3所示。

1.2.3 報警執行

報警執行模塊采用ATMEL公司的8位AVR單片機Tiny13作為控制芯片，Tiny13檢測數據處理傳輸模塊發來的指令驅動兩路繼電器工作并使蜂鳴器發出報警。框架圖如圖4所示。

2 軟件設計

軟件設計主要是初始化MCU和A/D轉換器的寄存器，對采集的數據進行讀取、判斷和保存。如果不是地震觸發事件，則一直使SRAM中存有各通道最新的數據；若為地震事件且達到設定的加速度閾值，則報警執行模塊動作。同時，把緩存的數據保存到SD卡。數據采集系統流程圖和A/D采集中斷子程序分別如圖5和圖6所示，數據處理系統主流程圖如圖7所示，地震觸發判斷程序流程圖如圖8所示，報警程序流程圖如圖9所示。

3 結語

破壞性地震發生后，如果能夠對攜帶能量較小的P波進行快速準確的檢測和判斷，并趕在破壞性強的S波和L波到達之前發出地震警報和切斷次生災害源，這在地震預報尚屬科學難題的今天，將會有著重要的社會意義。SS-100地震開關在這方面做了些探索和嘗試，效果如何，需要在實際工作中檢驗才能給出結論。

參考文獻

[1] 蘇振華，劉益成，趙汀.地震數據采集系統基礎[M].北京：電子工業出版社，2012.

[2] 楊水清，張劍，施云飛.ARM嵌入式Linux系統開發技術詳解[M].北京：電子工業出版社，2008.

[3] 張軍，宋濤.AVR單片機C語言程序設計實例精粹[M].北京：電子工業出版社，2009.

[4] 陳俊良，王彥.SS-1型地震開關的研制[J].地震地磁觀測與研究，1997，18（5）： 80-84.

[5] KXR94-2283 datasheet. Kionix Inc.2009.

[6] RT3052 datasheet. Ralink Technology.2008.endprint

摘 要：采用縱波（P波）檢測和地震判斷技術，設計了SS-100地震開關，能夠在檢測到地震P波后快速判斷該地震的加速度是否達到設定閾值，同時驅動開關和發出警報。主要介紹地震開關的硬件構成和軟件設計流程。

關鍵詞：地震波 地震開關 地震警報 加速度

中圖分類號：TU352.11 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（b）-0229-02

地震波按傳播方式分為三種類型：縱波、橫波和面波。縱波是推進波，地殼中傳播速度為5.5～7 km/s，最先到達震中，又稱P波，它使地面發生上下振動，破壞性較弱。橫波是剪切波：在地殼中的傳播速度為3.2～4.0 km/s，第二個到達震中，又稱S波，它使地面發生前后、左右抖動，破壞性較強。面波又稱L波，是由縱波與橫波在地表相遇后激發產生的混合波。其波長大、振幅強，只能沿地表面傳播，是造成建筑物強烈破壞的主要因素（http：//baike.baidu.com/view/66121.htm？fr=aladdin）。因此，中強地震發生時由于震中距的不同，人們將會有數秒到數十秒不等的時間做出反應。

SS-100地震開關利用地震波的上述特點，在地震發生后快速準確地從背景噪聲中檢測出首先到達的P波，通過科學計算，判斷出該地震所引起的地面震動是否達到設定的加速度閾值，達到時驅動外接設備開關，并通過內置報警系統發出地震警報。

1 硬件設計

1.1 設計要求

SS-100地震開關要求加速度傳感器精度高功耗低，邏輯判斷準確，要有時鐘信號和校時功能，能提供兩路開關信號和內置警號。

按照要求，采用16位模數轉換芯片和25 MHz微控制器及三軸向微機電加速度計，即時數位處理，提供高精度之數值判斷；地震判斷邏輯采用PD、PGA、Displacement與STA/LTA模式；內置兩組繼電器可連接控制外界設備；內建實時時鐘（RTC）并提供NTP網絡校時功能，可以實時顯示當前之精確時間，而且還內置了蜂鳴器可即時發出報警聲響。

1.2 系統組成

SS-100地震開關由數據采集模塊、數據處理傳輸模塊、報警執行模塊等組成。系統組成框架如圖1所示。

1.2.1 數據采集

數據采集模塊負責數據實時采集。該模塊包含傳感器、ADC（模數轉換芯片）、MCU控制單元。傳感器、ADC負責數據采集和轉換；MCU控制單元負責實時數據的臨時存儲、初步處理，該模塊通過SPI數據總線與數據處理傳輸模塊進行通訊。

傳感器選擇Kionix公司的KXR94-2283型MEMS加速度傳感芯片，技術參數見表1。AD轉換芯片選擇TI公司的16位ADC芯片ADS1174，考慮到設計的擴展性，選擇TI公司的MSP430F6736作為數據采集的MCU?？蚣軋D如圖2所示。

1.2.2 數據處理與傳輸

數據處理傳輸模塊負責數據的非易失存儲，數據的分析，P波檢測和地震判斷，NTP時鐘同步，控制報警執行模塊動作和數據傳輸。可以通過以太網方式將數據傳輸到數據中心；并接收數據中心的指令，地震判斷控制數據采集模塊的動作和軟件在線升級等。

數據處理傳輸模塊采用MISP結構CPU為核心，軟件系統采用嵌入式Linux。選擇的臺灣Ralink RT3052，RT3052含有豐富的外部接口，其本身內置了網絡功能；數據處理傳輸模塊將數據采集模塊采集到的數據進行處理、P波判斷，發出對應的指令控制報警執行模塊動作，并將數據存儲到存儲芯片和數據傳輸。結構圖如圖3所示。

1.2.3 報警執行

報警執行模塊采用ATMEL公司的8位AVR單片機Tiny13作為控制芯片，Tiny13檢測數據處理傳輸模塊發來的指令驅動兩路繼電器工作并使蜂鳴器發出報警?？蚣軋D如圖4所示。

2 軟件設計

軟件設計主要是初始化MCU和A/D轉換器的寄存器，對采集的數據進行讀取、判斷和保存。如果不是地震觸發事件，則一直使SRAM中存有各通道最新的數據；若為地震事件且達到設定的加速度閾值，則報警執行模塊動作。同時，把緩存的數據保存到SD卡。數據采集系統流程圖和A/D采集中斷子程序分別如圖5和圖6所示，數據處理系統主流程圖如圖7所示，地震觸發判斷程序流程圖如圖8所示，報警程序流程圖如圖9所示。

3 結語

破壞性地震發生后，如果能夠對攜帶能量較小的P波進行快速準確的檢測和判斷，并趕在破壞性強的S波和L波到達之前發出地震警報和切斷次生災害源，這在地震預報尚屬科學難題的今天，將會有著重要的社會意義。SS-100地震開關在這方面做了些探索和嘗試，效果如何，需要在實際工作中檢驗才能給出結論。

參考文獻

[1] 蘇振華，劉益成，趙汀.地震數據采集系統基礎[M].北京：電子工業出版社，2012.

[2] 楊水清，張劍，施云飛.ARM嵌入式Linux系統開發技術詳解[M].北京：電子工業出版社，2008.

[3] 張軍，宋濤.AVR單片機C語言程序設計實例精粹[M].北京：電子工業出版社，2009.

[4] 陳俊良，王彥.SS-1型地震開關的研制[J].地震地磁觀測與研究，1997，18（5）： 80-84.

[5] KXR94-2283 datasheet. Kionix Inc.2009.

[6] RT3052 datasheet. Ralink Technology.2008.endprint

摘 要：采用縱波（P波）檢測和地震判斷技術，設計了SS-100地震開關，能夠在檢測到地震P波后快速判斷該地震的加速度是否達到設定閾值，同時驅動開關和發出警報。主要介紹地震開關的硬件構成和軟件設計流程。

關鍵詞：地震波 地震開關 地震警報 加速度

中圖分類號：TU352.11 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（b）-0229-02

地震波按傳播方式分為三種類型：縱波、橫波和面波。縱波是推進波，地殼中傳播速度為5.5～7 km/s，最先到達震中，又稱P波，它使地面發生上下振動，破壞性較弱。橫波是剪切波：在地殼中的傳播速度為3.2～4.0 km/s，第二個到達震中，又稱S波，它使地面發生前后、左右抖動，破壞性較強。面波又稱L波，是由縱波與橫波在地表相遇后激發產生的混合波。其波長大、振幅強，只能沿地表面傳播，是造成建筑物強烈破壞的主要因素（http：//baike.baidu.com/view/66121.htm？fr=aladdin）。因此，中強地震發生時由于震中距的不同，人們將會有數秒到數十秒不等的時間做出反應。

SS-100地震開關利用地震波的上述特點，在地震發生后快速準確地從背景噪聲中檢測出首先到達的P波，通過科學計算，判斷出該地震所引起的地面震動是否達到設定的加速度閾值，達到時驅動外接設備開關，并通過內置報警系統發出地震警報。

1 硬件設計

1.1 設計要求

SS-100地震開關要求加速度傳感器精度高功耗低，邏輯判斷準確，要有時鐘信號和校時功能，能提供兩路開關信號和內置警號。

按照要求，采用16位模數轉換芯片和25 MHz微控制器及三軸向微機電加速度計，即時數位處理，提供高精度之數值判斷；地震判斷邏輯采用PD、PGA、Displacement與STA/LTA模式；內置兩組繼電器可連接控制外界設備；內建實時時鐘（RTC）并提供NTP網絡校時功能，可以實時顯示當前之精確時間，而且還內置了蜂鳴器可即時發出報警聲響。

1.2 系統組成

SS-100地震開關由數據采集模塊、數據處理傳輸模塊、報警執行模塊等組成。系統組成框架如圖1所示。

1.2.1 數據采集

數據采集模塊負責數據實時采集。該模塊包含傳感器、ADC（模數轉換芯片）、MCU控制單元。傳感器、ADC負責數據采集和轉換；MCU控制單元負責實時數據的臨時存儲、初步處理，該模塊通過SPI數據總線與數據處理傳輸模塊進行通訊。

傳感器選擇Kionix公司的KXR94-2283型MEMS加速度傳感芯片，技術參數見表1。AD轉換芯片選擇TI公司的16位ADC芯片ADS1174，考慮到設計的擴展性，選擇TI公司的MSP430F6736作為數據采集的MCU。框架圖如圖2所示。

1.2.2 數據處理與傳輸

數據處理傳輸模塊負責數據的非易失存儲，數據的分析，P波檢測和地震判斷，NTP時鐘同步，控制報警執行模塊動作和數據傳輸?？梢酝ㄟ^以太網方式將數據傳輸到數據中心；并接收數據中心的指令，地震判斷控制數據采集模塊的動作和軟件在線升級等。

數據處理傳輸模塊采用MISP結構CPU為核心，軟件系統采用嵌入式Linux。選擇的臺灣Ralink RT3052，RT3052含有豐富的外部接口，其本身內置了網絡功能；數據處理傳輸模塊將數據采集模塊采集到的數據進行處理、P波判斷，發出對應的指令控制報警執行模塊動作，并將數據存儲到存儲芯片和數據傳輸。結構圖如圖3所示。

1.2.3 報警執行

報警執行模塊采用ATMEL公司的8位AVR單片機Tiny13作為控制芯片，Tiny13檢測數據處理傳輸模塊發來的指令驅動兩路繼電器工作并使蜂鳴器發出報警?？蚣軋D如圖4所示。

2 軟件設計

軟件設計主要是初始化MCU和A/D轉換器的寄存器，對采集的數據進行讀取、判斷和保存。如果不是地震觸發事件，則一直使SRAM中存有各通道最新的數據；若為地震事件且達到設定的加速度閾值，則報警執行模塊動作。同時，把緩存的數據保存到SD卡。數據采集系統流程圖和A/D采集中斷子程序分別如圖5和圖6所示，數據處理系統主流程圖如圖7所示，地震觸發判斷程序流程圖如圖8所示，報警程序流程圖如圖9所示。

3 結語

破壞性地震發生后，如果能夠對攜帶能量較小的P波進行快速準確的檢測和判斷，并趕在破壞性強的S波和L波到達之前發出地震警報和切斷次生災害源，這在地震預報尚屬科學難題的今天，將會有著重要的社會意義。SS-100地震開關在這方面做了些探索和嘗試，效果如何，需要在實際工作中檢驗才能給出結論。

參考文獻

[1] 蘇振華，劉益成，趙汀.地震數據采集系統基礎[M].北京：電子工業出版社，2012.

[2] 楊水清，張劍，施云飛.ARM嵌入式Linux系統開發技術詳解[M].北京：電子工業出版社，2008.

[3] 張軍，宋濤.AVR單片機C語言程序設計實例精粹[M].北京：電子工業出版社，2009.

[4] 陳俊良，王彥.SS-1型地震開關的研制[J].地震地磁觀測與研究，1997，18（5）： 80-84.

[5] KXR94-2283 datasheet. Kionix Inc.2009.

[6] RT3052 datasheet. Ralink Technology.2008.endprint