基于三分量地震監測的遠程實時監測預警系統的研究

李艷華，王玉巧，岐世峰

（1.黃河科技學院信息工程學院，鄭州 450000；2.攀枝花學院數學與計算機學院，攀枝花 617000）

基于三分量地震監測的遠程實時監測預警系統的研究

李艷華1，王玉巧1，岐世峰2

（1.黃河科技學院信息工程學院，鄭州 450000；2.攀枝花學院數學與計算機學院，攀枝花 617000）

我國現有的地震監測系統大多很難準確地進行地震短臨預報進而降低損失，而且安裝困難、費用高。針對這些問題，研究一種基于三分量地震監測和云服務器的遠程實時監控預警系統，它的硬件主要是三分量巖土應力儀，其傳感器是三個差分式極距型電容傳感器。地震時，固體潮應力會使電容極距有較大改變，導致電容值的急劇變化，然后系統對采集數據分析處理，超出預警值則發出地震預警。經過試運行發現，系統分辨率高，性能穩定，安裝成本低。

0 引言

我國是地震災害多發地區，近百年來發生7級以上地震有20次之多，所造成的人員傷亡和財產損失也日趨嚴重。采用先進技術及儀器提前監測到地震并準確預報，提前做好預防工作，可以大大地降低地震災害所引起的財產損失與人身傷害的程度[1]。在地震預報中以使用應變儀器為主，我國的地應變觀測儀器多年以來，由于電子技術的局限，儀器精度不高，遠不能滿足檢測要求。現有的單分量的體應變儀靈敏度不高，只有安裝到地下上百米甚至幾百米的基巖上，才能測到固體潮[2]。所以安裝費用極高，且安裝難度大。國內已安裝的單分量的體應變儀數量只有上百臺，能測到固體潮的不多。國內目前還沒有三分量應變觀測儀器，國際上只有日本和美國在基巖上安裝有幾十臺使用。

本文所研發的地震監測預警系統中的采集節點是基于三分量的巖土應力儀，它能在淺地表巖土中測量出固體潮，測量精度處于國際領先水平。高精度三分量巖土應力儀在直徑89mm彈性圓桶的直徑方向形變分辨率達到0.1nm，采集速度為每秒一次，大幅度提高了徑向分辨的精度和數據采集速度，能在地下幾米到幾十米的巖土中能監測到固體潮，從而極大地降低了安裝成本，便于大量的布點，實現了使用戶不用到現場就能夠隨時隨地對巖土應力變化進行實時監測[3]。同時也為地震部門的震前預測提供強有力的科學依據，為社會的公共安全系統提供保障，同時也結束了國內外在巖土層的應力檢測中不能測出固體潮的歷史。

1 系統總體設計

本系統主要包括無線數據采集節點、云主機（網關節點）、GPRS/Internet等網絡傳輸介質、云服務器端和用戶端。系統的系統結構[4-5]如圖1所示。

采集節點分布在被監測區域，傳感器網絡是采集節點的核心，以星型拓撲網的形式與云主機進行無線連接通信。星型拓撲網中電容監測電路將傳感器所采集到的模擬信息轉換為微處理器能識別的數字信息，然后通過I2C總線傳輸給微處理器。

微處理器對采集信息進行存儲，并進行初步的處理和信息融合以后，通過UART串口通信模式傳送給太陽能供電的無線射頻模塊。

無線射頻模塊主要負責對微處理器模塊和云主機模塊的無縫連接，其通過RF射頻天線將采集數據傳送給云主機，以及轉發云主機發過來的控制信息等。

云主機在此起到網關的作用，實現了從無線射頻網絡通信協議到GPRS或Internet網絡協議的轉換，通過GPRS或者Internet等傳輸介質將采集信息傳送給云服務器，或向采集節點轉發云服務器發送過來的控制信息。

云服務器是租用的，其上安裝有地震監測預警管理系統，對接收到的數據進行進一步分析處理，以圖表的形式顯示出采集到的實時數據以及歷史數據，并進行超限檢查，發出預警信息。

用戶端根據權限在PC、便攜式設備或者智能終端上對系統進行實時數據及歷史數據的訪問管理。

2 采集節點的設計

2.1 體系結構

采集節點主要包括由變極距型電容傳感器及電容監測電路AD轉換器所組成的傳感器模塊、MCU微處理器模塊、無線射頻通信模塊和太陽能供電模塊等幾部分組成，節點體系結構[6]如圖2所示。

圖2 采集節點體系結構圖

傳感器模塊主要由差分式極距型電容傳感器和AD轉換器組成，主要負責的工作為：采集各監測點的電容傳感器在固體潮應力的作用下而產生極距的變化所引起的電容值的變化信息，這些信息都為模擬信息，而與傳感器連接的電容監測電路是一個AD轉換器，它則負責將傳感器采集的這些模擬信息轉換為微處理器能夠識別的數字信息。然后通過相應的信號線傳輸給微處理器進行初步的分析和數據融合處理。

處理器模塊的核心為MCU，還包括了一個電源管理模塊。MCU主要包括了CPU、數據存儲器和串行通信接口、I2C接口等，主要負責通過I2C接口接收傳感器模塊的采集數據，然后將數據進行存儲和初步分析處理，并進行數據融合后，通過串口通信接口UART傳遞給無線通信模塊。電源管理模塊主要負責將無線通信模塊的傳輸過來的電源電壓進行適當的降壓穩壓后給MCU供電，而MCU的電源輸出端又可以給傳感器模塊進行供電。

無線通信模塊主要負責接收采集數據，并將采集的數據通過無線射頻通信模塊轉發給云主機，還可以將云主機發送過來的控制命令轉發給處理器模塊，以及給處理器模塊供電。

太陽能供電模塊主要負責采用太陽能板所連接的蓄電池給無線射頻通信模塊供電，然后再將電源線通過無線通信模塊的電源管理器進行升壓穩壓后供電給整個采集節點，完成整個采集節點的供電工作。

2.2 節點設計原理

地震是由于地殼巖層受力后的突然快速破裂錯動而產生的振動。而在振動的作用下地表會產生形變，本文所研究的地震監測系統的采集節點就是根據地表發生形變時的應變力能夠使極距型電容傳感器的極距發生改變進而影響電容值發生變化這個原理來設計的[2-3]。當沒有地震時，由于地表淺層固體潮的作用，電容值會發生微小的變化，當有地震時，由于應變力的作用電容值發生急劇變化，當超出預警值時可以自動報警，以提醒用戶做好震前預防工作，同時也為地震預測提供了有力的科學依據。

本文所研究的采集節點由差分式極距型電容傳感器、電容檢測電路和無線傳感模塊以及用于檢測巖土應力變化的檢測方法構成。

采集節點中的傳感器是三個差分式極距型電容傳感器，它們各是兩片相互絕緣的面積相等的平行金屬面，將三個電容每隔120°在徑向安裝于一個兼做采集節點地線的不銹鋼彈性圓筒中，再各自與一個電容檢測電路相連，然后三個電容檢測電路通過I2C總線分別并聯連接于無線傳感模塊，采用分時復用技術將數據傳送給無線傳感模塊，在極低功耗下每隔一分鐘檢測一次電容值。

檢測方法[2,7]：當地表淺層中有固體潮變化時，彈性圓筒會發生形變，而三個電容傳感器呈不同角度，那么三對平行電極也就呈現不同程度的極距變化，極距的變化會引起電容值的變化，然后將電容值通過模數轉換以后傳送至無線傳感模塊，無線傳感模塊再通過云主機轉發給云服務器端，當服務器端的系統管理軟件把數據進行前后對比分析以及超限檢查，以圖表的方式呈現出來，當超限時進行報警處理，預測地震。

2.3 節點設計

本采集節點（如圖3所示）中的傳感器主要由三個[7]差分式極距型電容傳感器C1、C2、C3組成，而電容監測電路則由24位無失碼、高線性度、高精度、低功耗（工作時功耗僅為0.7mA，休眠時功耗僅為0.5～2μA）的AD7747構成。節點中的每個差分式電容的兩個電極片通過CIN+和CIN-引腳分別連接一個電容監測電路AD7747芯片[8]，SHLD引腳將電容傳感器和CIN引腳之間的對地寄生電容進行屏蔽，進而得到更高可靠性的測量結果。AD7747將測得的電容值進行模數轉換以后，得到微處理器能夠識別的數字信息，通過I2C總線的SDA、SCL信號線和RDY信號線完成采集數據向地震儀采集板的傳送，而三片AD7747的供電則是由地震儀采集板的VO1、VO2、VO3分別給出。

圖3 采集節點的電路原理圖

地震儀采集板主要由一片MCU芯片和一個電源管理模塊構成。MCU芯片采用低功耗的PIC16LF1823芯片，它主要負責采集信息的存儲，與RF射頻模塊控制信息的交換，以及通過UART串口的TX、RX引腳將采集信息轉發給RF射頻模塊。電源管理模塊則采用的是低壓降壓穩壓器TPS79301芯片，此芯片主要負責將從RF射頻模塊輸出的+5V電壓進行降壓穩壓后轉換成+3.3V的電壓，然后給地震儀采集板供電。

RF射頻模塊的主芯片采用的是低功耗（工作電壓為+3.3V）的SI1000芯片[9]，芯片內部集成了MCU和穿透力較強的RF射頻控制芯片，通信距離可以達到2公里左右。SI1000上具有增強型的UART接口，可以通過它的TX、RX引腳分別與采集板的RX、TX引腳完成采集數據的接收和控制信號的發送。由于系統要求低功耗工作，所以采集節點可以每隔一分鐘采集一次，采集完數據就進入休眠狀態，而這里的休眠喚醒就是利用的SI1000內部的定時器來完成的。SI1000向云主機發送采集數據以及接收云主機發送過來的控制信息都是通過一個RF天線來完成的，因此需要一個天線開關來控制信號的發送與接收，本文采用的是NEC公司的UPG2214作為天線開關。RF射頻模塊的供電是采用了鋰電池或堿性電池供電，電池輸出的+3.3V電壓通過同步升壓穩壓器MCP1640芯片進行升壓穩壓后轉換為+5V電壓，向外輸出供電給地震儀采集板。

3 軟件系統設計

本系統軟件[6]分為兩部分，一部分主要實現對各采集節點所組成的無線傳感網的管理和控制，另一部分實現對云服務器端的數據信息進行分析處理，系統流程圖如圖4所示。

圖4 系統軟件流程圖

由于系統的低功耗要求，所以采集節點在大部分時間處于待機休眠狀態，初次加電后將采集節點進行初始化，然后開始采集數據，采集完數據以后由云主機轉發給云服務器，采集節點就進入待機休眠狀態，節點中的計時器開始計時，計時時間到后退出待機休眠狀態，重新進行初始化，開始新一輪的采集數據操作。

云服務器端的監測系統則是在接收到云主機發送過來的數據以后，對數據進行進一步的分析處理，如果超出預警值則向用戶終端發出報警信息，否則以圖表的形式對數據進行實時顯示，當然云服務器端也可以對用戶信息、操作日志和歷史數據等進行操作處理。

4 實驗結果

本文設計的三分量巖土應力傳感器是長500mm，直徑88mm，壁厚1mm的不銹鋼彈性圓桶。在直徑方向每隔120度安裝一個差分式極距型電容傳感器，極板面積S為638mm2，板間初始距離為1mm，根據公式1得出電容值約為5.65pF，檢測電容在徑向可以精確到1μm，通過對電容值的測量監測極板間的距離d的變化，從而檢測出彈性圓桶的形變。在直徑方向分辨率為0.1nm，監測速度每秒鐘一次。電容監測電路AD7747的測量分辨率為4aF,測量范圍為8PF，輸出數據DATA的范圍十六進制在0x000000～0xFFFFFF（十進制 0～16777215），工作溫度-40°～+125°之間。差分電容值和AD7747輸出值的關系如公式（2）所示。

經過安裝調試以后，輸出的檢測電容值如表1和圖5所示。

表1 電容檢測輸出實驗結果

圖5 電容檢測輸出曲線圖

表中給出了10秒鐘之內的電容輸出，而圖中是相應的30秒鐘電容輸出曲線圖。由圖中可以看出電容輸出的最大值為16608039，最小值為173662，都在正常范圍之內，由此可以看出這是在沒有發生地震時所測得的數據。如果發生地震，在應變力的作用下，電容值會發生急劇變化，超出限制而發生報警，從而提前預測出地震的發生。

5 結語

隨著科技的發展，地震的監測越來越多的用到傳感器技術，這項技術的應用使得地震監測更加準確、及時，也節省了許多人力物力，而且也不受地形地貌以及天氣的影響，隨時隨地都能夠得到某個監測點的實時監測數據，使工作人員對地震活動情況了如指掌。本文所研究的系統現已在多地安裝調試成功，而且在之前的幾個局域性的小地震中也準確的監測到了相關數據，而且本系統具有低功耗、安裝簡單、能實現地震監測數據的無線傳輸、遠程監控等有點。同時本方案對傳感器技術的的發展也起到了很大的推動作用，并且也使得我過在地表淺層監測固體潮的技術不再空白，而且本地震監測系統易安裝、靈敏度高、性能穩定，操作簡單，適合大量生產。

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Research on Remote Real-Time Monitoring and Warning System Based on Three-Component Earthquake Monitoring

LI Yan-hua1，WANG Yu-qiao1，QI Shi-feng2
（1.College of Information Engineering,Huanghe S&T College，Zhengzhou 450000；2.School of Mathematics and Computer Science,Panzhihua University,Panzhihua 617000）

In China,the existing earthquake monitoring systems are mostly difficult to make the accurate short-impending earthquake prediction,the installation is difficult,and the cost is extremely high.Designs a remote real-time monitor and early warning system based on three-compo?nent earthquake monitoring and cloud server,the hardware is a three-component geotechnical stress meter,and the sensors are three differ?ential capacitive displacement sensors.If an earthquake happens,earth tide stress makes the polar distance of each capacitor change,which leads to a sharp change of the capacitance value,then,the system analyzes and processes the collected data，and sends out the earth?quake early warning if the data exceeds the warning value.The results show that the system has the advantages of high resolution,stable performance and low installation cost.

云平臺；三分量巖土應力儀；差分式極距型電容傳感器

四川省教育廳項目基金資助（No.14ZB0404）、鄭州市科技局項目基金資助（No.zzlg201608）

1007-1423（2017）28-0052-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.28.014

李艷華（1980-），女，河南扶溝人，碩士，講師，研究方向為無線傳感網絡通信、嵌入式系統，Email：liyanhua5566@163.com

王玉巧（1980-），女，河南中牟人，碩士，副教授，研究方向為電子信息工程、嵌入式工程

岐世峰（1964-），男，山西臨猗人，學士，教授，研究方向為無線傳感網絡通信、人工智能

2017-08-08

2017-09-25

Cloud Server;Three-Component Geotechnical Stress Meter;Differential Capacitive Displacement Sensor